CC BY
262. Белов С.П., Комлев И.В., Нифантьев Э.Е., Петухов 5. В.А., Пономарева О.В., Хролова О.Р. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 2. С. 75-79; Belov S.P., Komlev I.V., Nifant'ev E.E., Petukhov V.A., Ponomareva O.V., Khrolova O.R. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 2. P. 75-79
(in Russian). 6.
3. Индикаторы инновационной деятельности. 2009. Статистический сборник. 2009. М.: ГУ-ВШЭ. 2009. 488 с.; Parameters of innovating activity. Statistical collection. 2009.M.: GU-VShE. 2009. 488 p. (in Russian).
4. Бессарабов А.М., Квасюк А.В., Кочетыгов А.Л. // Теоретические основы химической технологии. 2009. 7. Т. 43. № 4. С. 444-452;
Bessarabov A.M., Kvasyuk A.V., Kochetygov A.L. //
Theoret. Foundations Chem. Eng. 2009. V. 43. N 4. P. 466- 8. 475.
Квасюк А.В., Кочетыгов А.Л., Ягудин С.Ю., Бессарабов А.М. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2008. № 7. С. 8-14;
Kvasyuk A.V., Kochetygov A.L., Yagudin S.Yu., Bessarabov A.M. // Neftepererabonka i neftekhimiya. 2008. N 7. P. 8-14 (in Russian).
Бессарабов А.М., Квасюк А.В., Кочетыгов А.Л. //
Промышленное производство и использование эластомеров. 2010. № 3. С. 3-9;
Bessarabov A.M., Kvasyuk A.V., Kochetygov A.L. //
Promyshlennoe proizvodstvo i ispolzovanie elastomerov. 2010. N 3. P. 3-9 (in Russian).
Bessarabov A., Bulatov I., Kochetygov A. and Kvasyuk
A. // Chemical Engineering Transactions. 2009. V. 18. P. 327-332.
Бессарабов А.М., Квасюк А.В., Ягудин С.Ю. // Вопросы статистики. 2011. № 1. С. 34-45; Bessarabov A.M., Kvasyuk A.V., Yagudin S.Yu. // Vo-
prosy statistiki. 2011. N 1. P. 34-45 (in Russian).
УДК 621.321
Е.В. Киселева, В.В. Марков
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ
(Ивановский государственный энергетический университет) e-mail: lenokkis05@mail.ru
Предлагается специальная технология приготовления технологических жидкостей для обработки металлов резанием, в результате которой возможно получить жидкости с высокими технологическими характеристиками.
Ключевые слова: кавитация, дисперсность, активация, стойкость инструмента, шероховатость поверхности
ВВЕДЕНИЕ
Применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при механической обработке металлов резанием является одним из наиболее эффективных способов повышения стойкости режущих инструментов, улучшения качества обработанных поверхностей и снижения энергоемкости процесса механообработки. Эффективность применения СОТС обусловлена разработкой рациональных ее составов и технологией приготовления. Более того, в некоторых случаях процессы приготовления СОТС можно осуществлять одновременно с их механохимической активацией.
В основе технологии приготовления СОТС лежит процесс перемешивания компонентов различными способами, включающими процессы механического перемешивания, перемешивание сжатым воздухом, перемешивание с использованием различного рода физико-химических явле-
ний. Одновременно с процессами перемешивания жидкостей могут решаться вопросы активации ее компонентов. Активация компонентов СОТС может происходить через поглощение фотона, ионизацию, вызванную электронным ударом, разрывом химических связей и т.п. [1]. Сложность и неоднозначность протекающих процессов при перемешивании жидкостей требует более тщательного их изучения. Более того, одновременно возникает потребность управления реологическими и технологическими характеристиками жидкостей непосредственно при их приготовлении.
Постановка задачи. С целью повышения технологических возможностей СОТС (в нашем случае - водной эмульсии эмульсола МС) и улучшения ее реологических свойств было разработано специальное устройство [5], в котором процессы перемешивания компонентов эмульсола происходили одновременно с их химической активацией. Процессы перемешивания технологиче-
ских жидкостей в специальном смесителе сопровождаются явлениями кавитации, которые возникают в результате местного понижения давления жидкости при увеличении скорости ее прохождения через специальные конические сопла.
При появлении кавитационных явлений в жидкости возникают колебательные движения, связанные чередованием зон сжатия и растяжения. Происходит довольно интенсивное перемешивание жидкости, так как при захлопывании ка-витационного пузырька возникает ударная волна, развивающая огромные давления.
Поставленные задачи решались путем:
- улучшения реологических и физико-химических свойств технологических жидкостей;
- повышения технологических показателей СОТС за счет механохимической активации ее компонентов.
Механизм активации. Проведенные исследования позволяют говорить о том, что кроме процессов диспергирования компонентов эмульсии в СОТС в специальном смесителе происходят процессы их химической активации, механизм которых описан ниже.
В специальном смесителе конструкция рабочих органов, характер их перемещения в жидкостях и появление свечения позволяют говорить о наличии кавитационных явлений. Явления кавитации сопровождаются образованием газовых пузырьков. Сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании приводит к нагреву жидкости и свечению содержащегося в них газа. Эти явления были отмечены в работах проф. Гуюмджяна П.П. и его сотрудников [5].
Свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрическими разрядами. Появление электрических разрядов в водных растворах жидкостей приводит к образованию перекиси водорода.
Взаимодействие воды, паров воды и кислорода с электронами можно описать следующими уравнениями:
е + Н2О ^ Н2О* + е; Н2О* ^ Н- + ОН- ; ОН- + ОН- ^ Н2О2 ; е + О2 ^ О2* + е. где е — электрон, образованный электрическими разрядами в жидкости; Н2О*, О2* - возбужденные молекулы воды и кислорода.
При наличии в газовых пузырьках газообразного кислорода, находящегося в основном состоянии, может происходить присоединение к нему одного электрона с образованием однозарядного отрицательного иона О2- .
е + О2 ^ О2-
Действие электрона на ион О2- приводит к образованию двухзарядного иона О22-, входящего в состав перекисей.
В растворах технологических жидкостей происходит ее распад с выделением кислорода в активной форме.
Н2О2 ^ Н2О + / О2*.
Образование вышеперечисленных соединений определяет характер протекания химических процессов и явлений активации.
Проведение экспериментов. В результате использования специальной технологии приготовления, с использованием мешалок интенсивного принципа действия, удалось получить жидкие среды, в частности эмульсии высокой дисперсности и устойчивости. Выполненные экспериментальные исследования показали, что технология приготовления СОТС влияет и на такие показатели, как рН жидкостей, вязкость и электропроводность.
При приготовлении СОТС в данном смесителе повышается вязкость, снижается рН, что указывает на протекание процессов окисления углеводородов, входящих в состав СОТС. Продукты окисления углеводородов и гетерооргани-ческих соединений являются хорошими противо-износными и противозадирными присадками в технологических жидкостях [2]. Появление окисленных углеводородов в технологических жидкостях значительно влияет на все характеристики процесса резания.
Получение высокодисперсных и гомогенизированных СОТС в значительной степени влияет на их устойчивость, физико-химические и технологические характеристики. Исследование структуры эмульсии обнаруживает, что способ приготовления компонентов эмульсии оказывает существенное влияние на ее дисперсность. Причем при различных скоростях перемещения рабочих органов смесителя в эмульсиях образуются жидкости с различной степенью дисперсности.
Ниже приведены результаты исследования параметров дисперсности СОТС, приготовленной в специальном смесителе (рис. 1).
Из графиков, представленных на рис.1 видно, что в специально приготовленной эмульсии увеличивается число мелких частиц. Это способствует образованию более устойчивых эмульсий, что в конечном итоге, увеличивает продолжительность их рабочего цикла в качестве технологических жидкостей.
Далее были проведены исследования по определению влияния технологии приготовления СОТС на их эксплуатационные характеристики. В качестве технологической жидкости была взята
5% водная эмульсия эмульсола МС. Экспериментальные исследования проводились при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т резцами с пластинками из твердых сплавов ВК8. Точение проводилось при следующих режимах резания: скорости резания V = 270 м/мин; подаче 5 = 0,1 мм/об.; глубине резания ^ = 0,5 мм.
5 10 т, мкм
Рис. 1. Совокупная кривая распределения частиц эмульсии для оптимальных режимов перемешивания: 1- эмульсии, приготовленной механическим перемешиванием; 2- эмульсии, специальной технологии приготовления; m - размер частиц, мкм; Q- количество дисперсной фазы, % Fig. 1. The total curve of emulsion particle distribution for optimal regimes of mixing: 1- emulsions prepared by usual mechanical mixing; 2 emulsions of special technology of preparation; m - the size of particles, micron,; Q- quantity of a disperse phase, %
В качестве испытуемых объектов были использованы следующие жидкости:
- СОТС, приготовленные обычным механическим перемешиванием;
- СОТС, имеющие специальную технологию приготовления.
Рис. 2. Влияние технологии приготовления СОТС на величину размерного износа hp при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т резцами из твердого сплава ВК8: 1- эмульсия, приготовленная обычным механическим перемешиванием; 2-эмульсия специальной технологии приготовления; l - длина пути резания (м), hp - радиальный размерный износ (мкм) Fig. 2. Influence of preparation technology on the value of dimensional wear hp under cutting snainlees steel 12Х18Н10Т with cutters from hard alloy VK8: 1- emulsions prepared by usual mechanical mixing; 2- emulsions of special technology of preparation; l - cutting way, m,; hp - radial dimensional wear, mm
На рис. 2. представлены зависимости влияния способа приготовления СОТС на величи-
ну размерного износа Лр. Из этих зависимостей видно, что применение СОТС специальной технологии приготовления позволяет до 2 раз снизить величину размерного износа для резцов из твердого сплава ВК8.
Сравнение величин износа режущего инструмента по задней грани Нз показывает, что применение СОТС специального приготовления уменьшает величину износа по задней грани до 3 раз.
Таким образом, способ приготовления СОТС оказывает заметное влияние на изменение ее технологических свойств, в частности, на интенсивность износа режущего инструмента.
Были проведены исследования по определению влияния технологии приготовления СОТС на проекции силы резания Р2. Результаты испытаний, показывают, что применение СОТС эмульсо-ла МС специальной технологии приготовления при точении с глубинами резания (0,25 - 1,0 мм) приводит к уменьшению тангенциальной составляющей силы резания Р2 до 16 %. Уменьшение проекций силы резания Р2 происходит за счет улучшения смазочных свойств СОТС [2] и за счет снижения интенсивности процесса наростообра-зования, так как при резании нержавеющих сталей образуется нарост округлой формы, уменьшающий величину действительного переднего угла и приводящий к увеличению усилия резания. С увеличением глубины резания фактор приготовления СОТС не оказывает влияния на изменение величины Р2. Это связано с тем, что условия проникновения СОТС в зону резания более затруднены и соответственно эффективность воздействия технологической жидкости уменьшается. Это согласуется с представлениями микрокапиллярной теории смазочного действия СОТС, так как создаются более благоприятные условия проникновения мелкодисперсных составляющих СОТС на контактные поверхности режущего инструмента и стружки [3], способствующих образованию экранирующих смазочных слоев.
Одним из важных показателей напряженности процесса резания металлов, по величине которого можно оценить эффективность действия СОТС [3], являются значения температуры на контактных поверхностях режущего инструмента и стружки.
Температура определяет агрегатное состояние СОТС в зоне резания и ее химическую активность по отношению к разогретым металлическим поверхностям. Изменение температуры в зоне резания изменяет характер взаимодействия металлических поверхностей в контактных зонах и условия процесса наростообразования. Наличие высоких температур производит физическую и
химическую активацию процессов в зоне резания. Изменение условий резания изменяет температурный режим контактной зоны, который, изменяясь, в свою очередь, вновь воздействует на процесс резания, осуществляя обратную связь [4].
Как показали выполненные исследования, применение специально приготовленной СОТС оказывает влияние на значения средних контактных температур в зоне резания (рис. 3), причем наблюдается некоторая зависимость ее от скорости резания.
Результаты исследований, представленные на рис. 3, показывают, что при невысоких скоростях резания (до 55 м/мин) СОТС специального приготовления способствует некоторому увеличению значений величин термо-ЭДС, по сравнению с применением СОТС обычного механического перемешивания.
Увеличение значений температуры на низких скоростях резания не сказывается на уменьшении стойкости режущего инструмента и их не принято рассматривать как ограничительные. Более того, есть данные исследований, что повышение средних контактных температур при низких скоростях резания, явление положительное [6].
О
50
100
150
200
ких СОТС наиболее рационально. Так же рационально применение таких СОТС на станках с числовым программным управлением, так как их использование предполагает интенсификацию режимов обработки, выход в рабочие зоны с повышенными скоростями резания и, соответственно, в зоны повышенных температур.
Указанное действие СОТС специального приготовления можно объяснить тем, что происходит уменьшение работы сил трения на передней и задних гранях инструмента. Это подтверждают результаты исследования значений коэффициентов трения при использовании жидкостей разной технологии приготовления [6].
Важным технологическим параметром процесса резания является шероховатость обработанных поверхностей. С целью определения влияния способа перемешивания СОТС на величину шероховатости обработанной поверхности были проведены исследования при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т твердосплавными резцами ВК8. Результаты испытаний представлены на рис. 4.
К м/мин
Рис. 3. Влияние технологии приготовления СОТС на величины термо-э.д.с. при точении стали 12Х18Н10Т резцами из твердого сплава ВК8: 1- эмульсия, приготовленная обычным механическим перемешиванием; 2 - эмульсия специальной технологии приготовления, V - скорость резания, м/мин; ЭДС - величина термо-ЭДС естественной термопары, mV Fig. 3. Dependence of preparation technology of СОТС on values termo-e.d.f., mV, under cutting the 12Х18Н10Т steel by cutter ВК8: 1- emulsion prepared with usual mechanical mixing; 2 -emulsion prepared by special technology; V - speed of cutting, m/min.; thermo e.d.f. of the natural thermocouple, mV
При скоростях резания 55 м/мин и выше СОТС специально приготовленная снижает значения термо-ЭДС и, следовательно, уменьшаются величины средних контактных температур. Таким образом максимальная эффективность жидкостей, приготовленных в специальном смесителе, проявляется при средних и высоких скоростях резания. Эти режимы обработки характерны для получистовой и чистовой видов обработки и соответственно при этих видах обработок применение та-
Рис. 4. Профилограммы обработанных поверхностей, полученных при точении нержавеющей стали 12Х18Н10Т резцами из твердого сплава ВК8: 1 - СОТС, приготовленная механическим перемешиванием; 2 - СОТС, приготовленная в специальном смесителе; Н - высота микронеровностей, мкм;
l - длина контролируемой поверхности, мм Fig. 4. The profilogram of treated surfaces: 1 -СОТС prepared
with usual method, 2 - СОТС prepared in spcial mixer; Н -height of roughness, micron; l - length of controlled surface, mm
Как видно из профилограмм, представленных на рис.4, величина шероховатости Ra уменьшилась в среднем до 35 %, при этом одновременно произошло упорядочение и более равномерное распределение микронеровностей по длине поверхности. Это явление можно объяснить улучшением смазочных свойств обработанной жидкости, и, как следствие, уменьшением величины образующегося на передней поверхности инструмента нароста, стабилизации его размеров в процессе резания.
На основании выполненных исследований можно сделать заключение о том, что эффективность действия СОТС, приготовленной в специ-
альном смесителе проявляется в следующем:
- специальная технология смешивания производит более эффективное эмульгирование водомасляных СОТС с образованием мелкодисперсных и стабильных фаз;
- в смесителе происходит разрыв длинных полимерных цепей в нефтепродуктах и перевод их
в новое структурное состояние. Это позволяет по- 3 высить физическую и химическую активность технологических жидкостей;
- происходит механохимическая активация компонентов СОТС, инициатором которой служит 4. образование и распад перекиси водорода;
- образование перекисных соединений производит дополнительно обеззараживание жидкостей, продляя тем самым рабочий период их эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аблязов К.А., Бондарева Л.Н., Горина И.Н., Косо- 6. будский И.Д. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2004. Т. 47. Вып. 8. С. 114-115;
Ablyazov K.A., Bondareva L.N., Gorina IN., Koso-budckyi I.D. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2004. V. 47. N 8. P. 114-115 (in Russian). Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях. М.: Машиностроение. 1977. C. 137-140;
Aksenov A.F. Friction and wear of metals in hydrocarbonic liquids. M.: Mashinostroenie. 1977. P. 137-140 (in Russian).
Годлевский В.А., Марков В.В. // Эффект безызносно-сти и триботехнологии. 2004. №1. С. 61-65; Godlevskiy V.A., Markov V.V. // Effect Bezyznosnost i tribotekhnika. 2004. N 1. P. 61-65 (in Russian). Заславский Ю.С., Заславский Р.Н. Механизм действия противоизносных присадок к маслам. М.: Химия. 1978. С. 224;
Zaslavskiy Yu.S., Zaslavskiy R.N. The mechanism of action of antiwear additives to oils. M.: Khimiya. 1978. P. 224 (in Russian).
Гуюмджян П.П., Марков В.В., Кожевников С.О. Патент РФ № 2396108 от 10.08.2010 г. Guyumdzhyan P.P., Markov V.V., Kozhevnikov S.O. RF
Patent N 2396108 from 8.10.2010 (in Russian). Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение. 1966. 264 с.; Makarov A.D. Wear and stability of cutting tools. M.: Mashinostroenie. 1966. 264 p. (in Russian).
Кафедра технологии автоматизированного машиностроения
УДК 66.047.7
С.В. Натареев, Е.Н. Венкин, О.С. Натареев
МАССОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ВЛАЖНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ КОНВЕКТИВНОМ ПОДВОДЕ ТЕПЛОТЫ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: natoret@mail.ru
С помощью метода интегральных преобразований Лапласа найдены аналитические решения задач об удалении влаги из материала в камерной сушилке проточного типа для периодов постоянной и падающей скорости сушки. Адекватность модели проверена на примере сушки глины.
Ключевые слова: сушка, камерная сушилка, математическая модель
Конвективная сушка является одним из основных технологических процессов химической технологии, на которую затрачивается большое количество энергии. Для поиска оптимальных режимных параметров работы данных сушилок целесообразно применение метода математического моделирования. Наиболее простая постановка задачи тепломассопереноса в процессе сушки состоит в изучении пространственно-временного изменения содержания влаги и температуры внутри материала. Для упрощения решения вышеуказанной задачи в ряде работ [1 - 3] принимается,
что коэффициент влагопроводности не зависит от влажности материала, термовлагопроводностью при этом пренебрегают. В этом случае многообразие видов переноса внутренней влаги аппроксимируется уравнением диффузии с эффективным коэффициентом диффузии. Для описания процесса переноса теплоты внутри тела может быть использовано дифференциальное уравнение теплопроводности. Модели такого рода являются неплохим приближением для описания существенных черт процессов тепломассопереноса при сушке влажных материалов. В реальных условиях в
