CC BY
127
HYDRA ULIC CALCULA TION OF PIPELINE VAL VES.
I. V. Lopa, A.I. Efimova, A.I. Zukaev
Covers the basics of hydraulic valves. Formulas for determining required for a given flow line pressure and differential pressure on the valve. It is shown that the pressure drop associated with the law of change of cross-sectional area of the shutter time. The obtained expressions allow you to control the pressure difference at closing of the shutter within the specified limits.
Key words: hydraulic calculation, fittings, pipe valve, pressure differential.
Lopa Igor Vasilevich, doctor of technical science, professor, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Efimova Anna Igorevna, candidate of technical science, docent, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zukaev Artem Ivanovich, postgraduete, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.86
О ПРИМЕНЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИНАХ
Н.П. Сибилёв, А.А. Шубин, А.А. Косенко
Показана актуальность снижения массы грузоподъёмных машин за счет применения трубчатых стержней круглого сечения в их ферменных конструкциях. Предложено изготавливать трубы для трубчатых стержней этих конструкций из волокнистых композиционных материалов (ВКМ) с металлической матрицей системы сплав алюминия-стальная проволока. Для решения этой задачи авторами разработан технологический процесс и установка для горячего прессования труб из ВКМ.
Ключевые слова: ферменные конструкции, трубчатые стержни, композиционные материалы, технологический процесс, прессование.
На металлоконструкции грузоподъемных машин (ГПМ) приходится значительная доля массы всей машины. Снижение массы несущих металлоконструкций при сохранении основных параметров ГПМ и их надежности является актуальной задачей, так как это снижает возникающие нагрузки в самой металлоконструкции, снижает давление на ходовые колеса ГПМ, что приводит к уменьшению потребной мощности механизма передвижения, то есть к снижению массы всего привода вместе с электрообо-
рудованием. Суммарное снижение массы ГПМ позволяет облегчить ходовые колеса, противовес, другие её детали и узлы, а также поддерживающие конструкции, на которые она опирается [1].
В металлоконструкциях ГПМ широко применяют ферменные конструкции различных типов, среди которых выгодно выделяются фермы, содержащие трубчатые стержни круглого сечения. Такое конструктивное решение является примером уменьшения массы металлоконструкции при сохранении несущей способности, так как трубчатые стержни круглого сечения обладают рядом преимуществ по сравнению с другими применяемыми профилями. Отмечено, что трубчатые элементы металлоконструкций по сравнению с другими видами элементов имеют меньшее значение отношения массы к 1 т. грузоподъемности крана [2].
Известно, что прямые трубчатые стержни в ферменных конструкциях работают в основном на растяжение или сжатие. В этих условиях трубчатые стержни проявляют себя наиболее эффективно по сравнению с часто применяемыми уголками, так как при равной площади поперечного сечения труба имеет радиус инерции больший, чем у уголка, что позволяет ей воспринимать большие продольные сжимающие нагрузки [3]. Преимуществом труб является возможность применения стержней с малой толщиной стенки. Замкнутые профили, к которым относятся трубы круглого сечения, при одной и той же площади поперечного сечения испытывают меньшую ветровую нагрузку благодаря меньшей площади проекции боковой поверхности. Уменьшение массы металлоконструкции за счет тех или иных мероприятий ведет также к уменьшению динамических нагрузок в ГПМ, что следует из расчетных формул величин динамических нагрузок.
С целью дальнейшего снижения массы ферменных конструкций ГПМ, направленной на улучшение основных параметров машины, предложено изготавливать трубы для трубчатых стержней этих конструкций из композиционных материалов (КМ) с металлической матрицей, обладающих комплексом свойств, отличающих их от традиционных конструкционных материалов.
Композиционными материалами называют материалы, состоящие из двух или более компонентов в виде отдельных волокон или других наполнителей и связующей их матрицы, обладающие специфическими свойствами отличными от свойств составляющих компонентов [4].
Особенности КМ: состав и формы компонентов в нем определены заранее; заданные свойства материала обеспечиваются принимаемыми количествами компонентов; компоненты различаются по свойствам; между ними существует явная граница раздела, по которой имеется прочная связь компонентов между собой [5]. Основными свойствами КМ являются высокие прочность и жесткость при низкой плотности, т.е. высокие удельные прочность и жесткость, высокое сопротивление усталостному разрушению. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объе-
му КМ называют матрицей, компонент, разделенный в объеме КМ, считается усиливающим или армирующим.
Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика, углеродная матрица. В качестве усиливающих или армирующих компонентов применяют высокопрочные волокна, тонкую проволоку, нитевидные кристаллы различной природы.
Композиционные материалы на основе армирующих компонентов в виде стеклянных, борных, углеродных и органических волокон, металлических тонких проволок, а также волокон и нитевидных кристаллов ряда оксидов, карбидов, нитридов и других соединений называют волокнистыми композиционными материалами (ВКМ). Волокна с высокими прочностью и жесткостью воспринимают основные напряжения, возникающие в ВКМ при действии внешних нагрузок и в основном обеспечивают прочность и жесткость всего материала в направлении ориентации волокон. Более пластичная по сравнению с волокнами матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон. Для достижения совместной работы волокон необходимо создать прочную связь между волокном и матрицей, чтобы на границе раздела между ними при нагружении ВКМ возникали касательные напряжения, способные полностью нагрузить волокна. Поэтому необходимо, чтобы у ВКМ высокопрочные высокомодульные волокна были равномерно распределены в относительно пластичной матрице и не соприкасались между собой.
Сочетание особенностей геометрии трубчатых стержней и свойств КМ позволило найти им широкое применение в отечественной и зарубежной авиакосмической технике, судостроении, строительстве, автомобилестроении, некоторых специальных отраслях машиностроения. Однако в изделиях общемашиностроительного назначения, в ГПМ композиционные материалы, особенно с металлической матрицей, находят ограниченное применение. Это связано с высокой стоимостью и малодоступностью некоторых армирующих компонентов, применяемых в большинстве КМ, сложностью технологических процессов получения деталей из них.
Анализ имеющейся научно - технической информации по проблеме создания и применения КМ с учетом обеспечения приемлемой экономичности показал, что для получения труб трубчатых стержней, с целью применения их в ферменных конструкциях ГПМ, например, в стреле башенного крана, наиболее предпочтителен ВКМ с металлической матрицей системы «сплав алюминия - стальная проволока» (А1 - сталь).
Такой вывод обоснован тем, что применение ВКМ с полимерной матрицей не отвечает условиям эксплуатации ферменных конструкций ГПМ. Широко применяемые в конструкциях авиакосмической техники ВКМ с металлической матрицей на основе борных и углеродных волокон также не подходят из-за отмеченной дороговизны этих армирующих ком-
понентов, малодоступности их, и сложности технологических процессов получения изделий из этих ВКМ.
Для решения задачи получения труб из ВКМ системы «^-сталь» разработаны технологический процесс и установка для их горячего прессования. В силу специфики свойств ВКМ, для получения его в компактном состоянии возникает необходимость применения многоэтапной технологии, предусматривающей комбинацию нескольких различных процессов, отличающихся физической сущностью. Весь технологический процесс состоит из нескольких этапов:
- подготовка и намотка тонкой стальной проволоки на цилиндрический барабан;
- плазменное напыление матричного материала на проволоку;
- разрезание полученного плазменно-напыленного полуфабриката (ПНП) волокнистого КМ вдоль образующей цилиндрического барабана;
- разворачивание ПНП в лист;
- сборка заготовки трубы из полученного ПНП и фольги из выбранного матричного материала;
- надевание на собранную заготовку цилиндрических втулок, образующих пластически деформируемую оболочку;
- горячее прессования заготовки;
- формирование на трубе законцовочных элементов;
- механическая обработка законцовочных элементов трубчатого стержня.
В качестве армирующего компонента была выбрана высокопрочная тонкая стальная проволока из коррозионностойкой стали 18Х15Н5АМ3 диаметром 150 мкм, с пределом прочности ов = 3500...3800 МПа, модулем
3
упругости первого рода Е = 200 ГПа, плотностью у = 7,8 т/м , которая является наиболее доступным и технологичным материалом среди упрочни-телей, и выпускается в промышленных масштабах [6].
Стальную проволоку с целью более прочного соединения ее поверхности с матрицей на последующих операциях, подвергают обезжириванию, промывке в горячей и холодной воде, декапированию в растворе соляной кислоты и снова промывке в холодной воде. После последней промывки проволоку подвергают просушке одновременно с перемоткой на технологическую катушку. При изготовлении изделий из ВКМ требуется равномерное с заданным шагом распределение проволоки в матрице. Для обеспечения этого требования проводят намотку стальной проволоки на наружную поверхность цилиндрического барабана, на которой выполнена микрорезьба с шагом, равным необходимому расчетному шагу между витками проволоки. В разработанном технологическом процессе принят шаг равный 190 мкм, что обеспечивает в получаемом ВКМ объемную долю равную 50±5 %. Барабан установлен неподвижно на валу, одним концом
вал закреплен в трехкулачковом патроне токарно-винторезного станка, обеспечивающего продольную подачу равную шагу микрорезьбы на барабане. Второй конец вала опирается на вращающийся центр в задней бабке станка. При вращении барабана и включенной указанной продольной подаче станка проволока сматывается с технологической катушки и укладывается во впадины микрорезьбы. Катушка вращается на оси кронштейна и имеет притормаживающее устройство для обеспечения технологического натяжения проволоки при намотке на барабан, кронштейн закреплен в резцедержателе станка.
Барабан с намотанной проволокой перемещают в камеру промышленной установки УПУ-3М и производят плазменное напыление алюминиевого сплава на наружную поверхность барабана с проволокой [7]. Напыление выполняют при вращении барабана и перемещении плазмотрона установки вдоль образующей барабана. В качестве матричного материала для подачи в плазмотрон используют проволоку из алюминиевого сплава АМг5П, в качестве плазмообразующего газа используют аргон промышленной чистоты.
Оптимальные режимы плазменного напыления предварительно отработали на опытных образцах за счет корректировки их (скорость подачи проволоки из напыляемого материала, расстояние от поверхности барабана до среза сопла плазмотрона, температура подогрева барабана, величина тока плазменной дуги). Напыление опытных образцов проводят за несколько проходов до достижения расчетной толщины плазменно-напыленного слоя матричного материала. Напыленный слой заполняет межпроволочное пространство и покрывает наружную часть самой проволоки.
Процесс плазменного напыления является нестационарным [8], поэтому напыленная матрица характеризуется неравномерной пористостью и наличием структурных микро- и макронеоднородностей, что имеет существенное значение для последующего компактирования сборных заготовок. В связи с этим при изготовлении ПНП, необходимо регламентировать в них степень распределения матрицы ВКМ. С этой целью ввели критерий весового распределения матрицы в плазмено-напыленном полуфабрикате Р/Р, где Р - вес изготавливаемого ПНП, Р - его площадь. Величина Р/Р при изготовлении партии ПНП периодически сравнивается с контрольными значениями, полученными на опытных образцах. При отклонении весового распределения матрицы от заданных пределов производится корректировка режимов плазменного напыления. Обычно бывает достаточным одного прохода для полного напыления и корректировка не требуется.
После плазменного напыления матрицы на проволоку, ПНП разрезают специальным ножом вдоль канавки, имеющей глубину и ширину по 2 мм и выполненную по образующей барабана. Канавка необходима для
того, чтобы не повредить микрорезьбу барабана при разрезке. Напыленная матрица имеет невысокую прочность, но достаточную для выполнения последующей сборочной операции, поэтому после разрезки и разворачивания в лист ПНП требует аккуратного обращения, чтобы сохранить целостность полуфабриката.
Технологический процесс предусматривает сборку заготовки трубы и горячее прессование сборной заготовки в термокомпрессионной установке. Особенности этих этапов процесса получения труб из ВКМ будут рассмотрены в следующей публикации.
Список литературы
1. Александров М.П. Грузоподъёмные машины: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана - Высшая школа, 2000. 552 с.
2. Тайц В.Г., Гуляев В.И. Технология машиностроения и производство подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: ИЦ «Академия», 2007. 368 с.
3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов. 15-е изд., испр. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 590 с.
4. Справочник по конструкционным материалам: справочник / Б.Н. Арзамасов [и др.]; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьёвой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 640 с.
5. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев [и др.]; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
6. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов [и др.]; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. 8-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 648 с.
7. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.
8. Механические свойства матрицы АД1, полученной плазменным напылением / В.В. Кудинов [и др.] // Композиционные материалы. М.: Наука, 1981. С. 133-136.
Сибилев Николай Пантелеевич, канд. тех. наук, доц., sinp39@gmail.com, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана,
Шубин Александр Анатольевич, канд. тех. наук, доц., зав. кафедрой, Shubin55@mail. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана,
Косенко Алексей Алексеевич, студент, alekseylek8@yandex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана
ON THE USE OF COMPOSITE MA TERIALS IN HOISTING MA CHINES N.P. Sibilyov, A.A. Shubin, A.A. Kosenko
The importance of decreasing the weight of hoisting machines by means of application of tubular rods with circular section in their truss constructions has been shown. It is proposed that tubes for tubular rods be made from fiber composite materials (VKM) with a metal matrix of the aluminum alloy - steel wire system. To solve the problem the authors developed a manufacturing method and equipment for hot pressing of tubes from VKM.
Key words: truss constructions, tubular rods, composite materials, a manufacturing method, pressing.
Sibilyov Nickolay Panteleyevich, candidate of technical science, docent, sinp39@gmail. com, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University named after N.Bauman,
Shubin Alexander Anatolyevich, candidate of technical science, docent, Shu-bin55@mail. ru, Russia, Kaluga, Head of Department of the Kaluga Branch of Moscow State Technical University named after N.Bauman,
Kosenko Alexey Alexeyevich, student, alekseylek8@yandex.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Moscow State Technical University named after N.Bauman
УДК 621.646
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗГИБА ВИНТОВ НА ИХ МОМЕНТ ИНЕРЦИИ И ПРОДОЛЬНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ
Н.Е. Проскуряков, И.В. Лопа
Рассмотрено моделирование передачи «винт-гайка» и проведено исследование влиянии изгиба винтов при их нагружении на момент инерции и продольную устойчивость.
Ключевые слова: моделирование, передача «винт-гайка», изгиб, момент инерции и продольная устойчивость винтов.
Винтовая пара «винт-гайка» широко применяется в машиностроении благодаря важным преимуществом этого механизма перемещения, а именно: простотой конструкции, компактностью и малыми габаритами. При определении конструктивных характеристик винтов существует проблема их расчета на продольную устойчивость [ 1 ]. В отличие от гладких стержней на практике винт теряет устойчивость при нагрузках существенно меньших, чем расчетные критические по Эйлеру.
512
