CC BY
32
Современные технологии. Механика и машиностроение
1.
2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Коваленко Г.В, Меньщикова Н.С., Калаш О.А. Нелинейная модель напряженно-деформированного состояния применительно к оценке надежности железобетонных конструкций заводского изготовления // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС. - 2007. - № 4(16). -С. 52-56.
Коваленко Г.В, Меньщикова Н.С. Анализ результатов компьютерного моделирования напряженно -деформированного состояния железобетонных балок со смешанным армированием и оценка их надежности на основе нелинейно-деформационной
ш
3.
4.
модели // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - ИрГУПС. - 2009. -№ 4(24). - С. 93-97.
Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. - М.: Стройиздат, 1996. - 416 с. Меньщикова Н.С., Дудина И.В. Реализация программы расчета конструкций со смешанным армированием на основе деформационной модели // Проблемы инновационного биосферно -совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф. - Т. 1. БГИТА. - Брянск, 2009. -С. 232-236.
УДК 621.791.13
Колмаков Владимир Петрович,
начальник научно-диагностического центра ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»,
тел.: 8(3955)57-61-93, Гречнева Мария Васильевна,
к.т.н., профессор кафедры «Машиностроительные технологии и метериалы», ИрГТУ,
тел.: 89149080621
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБА - РЕШЕТКА ВЫПОЛНЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
V.P. Kolmakov, M.V. Grechneva
RESEARCH OF QUALITY OF ASSEMBLAGE OF ONE-PIECE CONNECTION (PIPE - PIPE GRATE) BY ENERGY OF ELECTRIC EXPLOSION OF CONDUCTOR
Аннотация. Исследованы технологические и конструктивные параметры, обеспечивающие образование неразъемного соединения труба-решетка энергией электрического взрыва проводника. Предложена комбинированная обработка отверстий в трубной решетке как наиболее эффективная для данного вида соединений.
Ключевые слова: неразъемное соединение, труба-трубная решетка, энергия электрического взрыва проводника.
Abstract. The technological and design parameters providing formation of one-piece connection (pipe-grate) by energy of electric explosion of conductor are investigated. The combined processing of holes in a pipe lattice is offered as the most effective method for the given kind of connections.
Keywords: one-piece connection, a pipe - pipe grate, energy of electric explosion of conductor.
Надежность теплообменной аппаратуры, работающей при повышенных давлениях и температурах, циклических нагрузках и наличии агрессивных сред, в значительной степени определяется качеством неразъемного соединения труба-трубная решетка, которое должно обладать необходимой прочностью, герметичностью и коррозионной стойкостью. Для всех типов теплообменной аппаратуры соединение труб с трубными решетками производят в основном путем размещения труб в отверстиях трубной решетки и их закрепления одним из известных (общепринятых) способов - развальцовкой, пайкой, сваркой или их комбинациями (сварка-вальцовка, сварка-пайка и др.).
Основным недостатком крепления труб в трубных решетках методом развальцовки является нарушение плотности соединения при транспортировке, монтаже и в процессе эксплуатации. Отказы по этой причине в начальный период составляют 30%. Замена вальцовки сваркой повышает
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
надежность соединений труба-решетка. Однако при наличии зазора между трубой и решеткой все нагрузки, воспринимаемые трубой в процессе эксплуатации, вызываемые типовым расширением трубы, ее вибрацией, передаются непосредственно на шов, что может вызывать его разрушение.
Инструмент и оснастка, используемые для этих целей, весьма специфичны и не относятся к продукции общего технического назначения. Каждый из способов крепления труб в трубных решетках, в том числе и с применением сварки, не лишен недостатков. Поэтому для повышения качества неразъемного соединения требуется совершенствование способа сборки. Установлено [3], что при этом способ сборки должен обладать простотой и обеспечивать высокую надёжность соединения. Одним из перспективных способов сборки неразъемных соединений труба-трубная решетка является сборка энергией электрического взрыва проводника (ЭВП). Применение сборки этим способом позволяет:
1. За одну операцию выполнить сварку и вальцовку соединения.
2. Использовать широкий интервал комбинаций свариваемых материалов и сплавов.
3. Получать участок неразъёмного соединения, равным нескольким толщинам стенки трубы.
4. Обеспечить более прочное и надежное соединение труб с трубной решеткой, чем общепринятые способы соединения, включая обычную сварку.
В основе такого способа лежит взрыв металлической проволочки в жидкости при пропускании через нее импульсного разряда тока.
Соединение трубы с трубной решеткой с помощью сборки энергией ЭВП исследовалось для угловой и параллельной схем сборки трубы с решеткой [1]. Угловая схема (разделка отверстий трубной решетки под определенным углом а) характеризуется узким интервалом граничных значений параметров соударения для каждого исходного угла а . Изменение этих параметров по длине конусной разделки обусловливает нестационарность процесса и тем самым определяет длину участков сцепления соединяемых деталей. Для повышения качества соединения труба-решетка авторами предложена комбинированная разделка отверстий трубной решетки с углами 3° и 12°, приведенная на рис. 1 [2].
Рис. 1. Исследуемое неразъемное соединение
Для применения этого типа соединения потребовалось:
1. Установить оптимальные параметры сборки.
2. Исследовать микро- и макроструктуры соединения.
3. Исследовать изменение механических свойств зон контакта соединения труба-трубная решетка.
На рис. 2 представлена схема процесса сборки неразъемного соединения труба-решетка при применении ЭВП.
В качестве основных параметров технологического процесса сборки неразъемного соединения с применением ЭВП приняты: скорость метания стенки трубы (Ум), динамический угол встречи (у) и скорость точки контакта (Утк). Для определения этих параметров разработана методика исследования, основанная на применении скоростной фоторегистрации (СФР) в режиме лупы времени процесса раздачи трубы [1].
Методика использована при исследовании неразъемных соединений, в которых труба диаметром 28х4 мм выполнена из материала АД1 и трубная решетка (втулка) из материала АМг5, характеристики которых представлены в таблице 1.
При проведении экспериментальных исследований использовались модернизированная установка «Молния - 5М» и промышленные патроны конструкции ПКБ электрогидравлики калибра 20 мм с зарядным напряжением 50 кВ, емкостью конденсаторов 18 мкФ.
Современные технологии. Механика и машиностроение
Таблица 1 Характеристики соединяемых материалов
Материалы Твердость, кгс/мм2 Плотность, ТН/м3 Температура плавления, °С Прочность на растяжение, кгс/ мм2
АД1 8-10 2,7 658,7 8-15
АМг5 28-30 2,65 635 27
контакта в начале зоны сопряжения неразъемного соединения. Особенностью соединения с комбинированной разделкой является более равномерное распределение скорости точки контакта и угла соударения при образовании сопряжения.
Рис. 2. Схема процесса сборки энергией ЭВП неразъемного соединения труба-решетка: а) подготовка к сборке, б) процесс образования неразъемного соединения, в) неразъемное соединение
На рис. 3 приведены зависимости изменения технологических параметров сборки неразъемного соединения, выполненного из указанных материалов при разных углах разделки отверстий в трубной решетке: скорости соударения, скорости точки контакта и динамического угла встречи. Полученные зависимости показывают общие для всех вариантов разделки отверстий повышение скорости и угла соударения и повышение скорости точки
Рис. 3. Зависимость технологических параметров сборки от углов разделки отверстия трубной решетки.
Ум - скорость метания стенки; Ут к - скорость точки контакта; у - динамический угол встречи;
Ьк - длина разделки
При разработке технологии сборки неразъемного соединения энергией электрического взрыва проводника потребовалось определение нижней (НГ) и верхней (ВГ) границ существования герметичного соединения металлов. При этом нижняя граница (НГ) для пары АД1 + АМг 5 определена по формуле:
У =
а„
р-V2
где ов - временное сопротивление материала; р - плотность металла. Верхняя граница(ВГ) определена по формуле [1]:
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Sin
I.
< 14.7 • V • т
f •З7
20 -
1?
10 ■
\ V /\вг 1
ш
\ / >■/ >
Со
<ч/ / /
1 1 / / / /
где £ = 0.5 + 0.6б(р^ V/ / О); О - модуль сдвига материала, для практических вычислений в первом приближении можно принять ^ =1;
Тпл - температура плавления (658,7 °С); X - теплопроводность (0,222 кал/г град.); / - температуропроводность (1 см2/с); 5 - толщина метаемой пластины (3-4 мм).
25 ■
При сборке соединения с комбинированной разделкой отверстия трубной решетки наличие волн отмечается на участке 1-1У, амплитуда которых незначительно изменяется на всей ее длине и превышает в 2-3 раза длину такого участка при одноконусной разделке отверстия.
Такая форма контакта трубы с трубной решеткой существенно увеличивает прочность и герметичность неразъемного соединения.
а)
0 1 2 3 4 5 V км/с
к
Рис. 4. Граничные условия существования соединения металлов
Как следует из проведённых исследований, при косом соударении тел качество герметичного неразъемного соединения в значительной степени определяется сочетанием динамического угла встречи у и скоростью точки контакта Утк .
Как следует из рис. 4, кривая режимов соударения, полученная экспериментальным путем для значений а=3^12°, попала в заштрихованную область, в которой обеспечивается высокое качество неразъемных соединений.
При проведении металлографических исследований неразъемных соединений установлено наличие характерных зон, расположение которых представлено на рис. 5.
При наличии одноконусной разделки отверстия трубной решетки, зоны I и IV имеют зазоры между трубой и трубной решеткой, которые при замерах на шлифах с помощью микроскопа составляют 0,1-0,4 мм. Зоны II и III имеют поверхности с волнами, длина и амплитуда которых нарастает в направлении движения от зоны III к зоне II. С изменением угла конуса изменяется положение и протяженность волнообразного участка.
б)
Рис. 5. Макрошлифы неразъемных соединений: а - с одноконусной разделкой отверстия решетки; б - с комбинированной разделкой отверстия решетки
Представленные на рис. 7 результаты измерения твердости материалов неразъемного соединения показывают незначительные изменения их твердости вдоль линии контакта относительно исходных значений.
Результаты замеров микротвердости, произведенных с помощью ПТМ-3 перпендикулярно линии контакта двух материалов в зоне с максимальными параметрами волн с интервалом 0,2 мм
5
1
Современные технологии. Механика и машиностроение
для соединения с комбинированной разделкой, приведены на рис. 8.
Рис. 6. Микрошлифы неразъемного соединения при увеличении 200-кратно: а - конусная разделка; б - комбинированная разделка кромок
О 5 10 15 20 25 30
Расстояние вдоль границы соединения
Рис. 7. Продольное распределение твердости в неразъемном соединении
НУ,
кгс/мм
60
XI ^0
и
ч. о. 40
ш
о о. 30
г
20
10
0
Л
\
Груб 1АД1 4-12°
) Реш етка АМгЬ
1 0.8 0.6 0.4 0,2 0 0,2 0.4 0.6 0,8 Расстояние от границы соединения (б зоне с максимальными параметрами волн)
Рис. 8. Поперечное распределение твердости в неразъемном соединении
Рис. 9. Схема испытания неразъемного соединения на растяжение
Рис. 10. Схема испытания неразъемного соединения на сжатие
В зоне контакта имеет место значительное упрочнение металлов на наружной поверхности труб и внутренней поверхности отверстия решетки. Эта зона по толщине невелика. Металлы основной части трубы и трубной решетки сохранили исходную твердость.
Попытки разрушить соединение труба-решетка при нагружении по схеме, представленной на рис. 9, приводят к разрушению труб за пределами решетки.
При нагружении соединения по схеме, представленной на рис. 10, нагрузкой, вызывающей напряжения в трубе, равные или выше предела текучести алюминия, приводило к появлению гофр или разрушению цилиндрической части трубы.
Последующие гидравлические испытания неразъемных соединений, полученных при сборке энергией ЭВП пробным давлением, а также циклические нагружения рабочим давлением и температурой до 250 °С, показали необходимую для обеспечения работы прочность и герметичность неразъемных соединений, полученных при сборке энергией ЭВП.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Проведенные исследования показали эффективность применения комбинированной разделки отверстий при сборке неразъемного соединения труба-трубная решетка с энергией ЭВП по отношению к известным соединениям, собираемым по традиционным технологиям.
БИБЛИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Определение параметров соударения при сварке труб с трубными решётками электрическим взры-
вом проводника/ В.Г. Дмитриев, В.П. Колмаков, В.М. Кудинов - Автомат. сварка, 1981, № 9, С. 3335.
2. Авторское свидетельство № 1269373. Способ холодной сварки труб/ В.П. Колмаков, В.Г. Дмитриев, В.Т. Платоненко и др. - 1984.
3. Способы выполнения соединения труба-решётка теплообменных аппаратов/ В. П. Колмаков, Е.М. Бузинаева, М.В. Гречнева. - В кн.: Технологическая механика материалов: сб. докл. Региональной НТК, Иркутск, изд-во ИрГТУ, 2007, С. 71-75.
УДК 531: 622.233: 622.235 Калимолдаев Максат Нурадилович,
д.ф.-м.н., профессор, директор Института проблем информатики и управления МОН
Республики Казахстан, e-mail: mnk@ipic.kz Айдосов Галым Алаярбекович,
д.т.н., профессор Казахской Академии транспорта и коммуникации им. Тынышпаева, e-mail: mnk@ipic.kz
Тойбаев Серикбай Несипбекович,
к.т.н., доцент Алматинского технологического университета, e-mail: toibaevsn@mail.ru
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИНТЕНСИВНОМ СФЕРИЧЕСКОМ ВОЛНЫ В НЕЛИНЕЙНО-СЖИМАЕМОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
M.N. Kalimoldayev, G.A. Aidossov, S.N. Toibaev
DISTRIBUTION OF AN INTENSIVE SPHERICAL WAVE IN A NONLINEAR -COMPRESSIBLE PLASTIC MEDIUM
Аннотация. Рассмотрена задача о распространении интенсивной сферической взрывной волны в грунте под действием приложенной к границе каверны монотонно убывающей нагрузки высокой интенсивности, которая возникает в ближней зоне взрыва вследствие газо- и термодинамических процессов. На основе полученных аналитических формул проведены расчеты параметров среды на фронте ударной волны на ЭВМ и сопоставлены напряжения, массовые скорости пластической и упругопластической сред при малых и конечных деформациях.
Ключевые слова: сферическая взрывная волна, нагрузка, газо- и термодинамические процессы, фронт ударной волны, напряжение, массовые скорости, пластическая среда, упругопласти-ческая среда.
Abstract. The problem ofpropagation of an intensive spherical blast wave in the soil under the applied to the boundary of the cavity of a monotonically decreasing the load of high intensity, which arises in
the near zone of explosion due to gas and thermodynamic processes. On the basis of analytical formulas calculated the parameters of the medium at the front a shock wave on the computer and compares the stress, the mass speeds of the plastic and elastic-plastic media at small and finite deformations.
Keywords: spherical blast wave, load, gas and thermodynamic processes, front a shock wave, stress, mass speeds, plastic media, elastic-plastic media.
Рассматривается задача о распространении интенсивной сферической взрывной волны в грунте под действием приложенной к границе каверны с первоначальным радиусом r0 монотонно убывающей нагрузки ст0 (t) высокой интенсивности, которая возникает в ближней зоне взрыва вследствие газо- и термодинамических процессов. Грунт при уровне напряжений в несколько килобар моделируется либо «пластическим газом» [1], либо упругопластической средой с жесткой характеристикой разгрузки с учетом необратимых процессов
