CC BY
0
ОБ ОЦЕНКЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ ДРОБЬЮ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Муминов Мансурбек Рахимжонович
канд. техн. наук, ст. науч. сотр., АО "Пахтасаноат илмий маркази", Республика Узбекистан, г. Ташкент
Искандарова Нигора Курванбековна
PhD,
Ташкентский институт текстильной и легкой промышленности,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: nigora1211 @mail. ru
Шин Илларион Георгиевич
д-р техн. наук, профессор, Ташкентский институт текстильной и легкой промышленности,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: igshin54@gmail. ru
Юсупов Аъло Анварович
науч. сотр.,
АО "Пахтасаноат илмий маркази", Республика Узбекистан, г. Ташкент
ON ASSESSING THE ENERGY LOSS COEFFICIENT WITH DYNAMIC HARDENING
OF MACHINES
Mansurbek Muminov
PhD, senior researcher, JSC, "Pakhtasanoat ilmiy markazi", Uzbekistan, Tashkent
Nigora Iskandarova
PhD,
Tashkent institut of textile and light industry, Uzbekistan, Tashkent
Illorion Shin
Doctor of Technical Sciences, Professor, Tashkent Institute of Textile and Light Industry, Uzbekistan, Tashkent
Alo Yusupov
Researcher,
JSC, "Pakhtasanoat ilmiy markazi", Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В статье приведены данные по определению коэффициента потерь энергии при ударе, являющегося одним из основных параметров контактного взаимодействия движущейся твердой частицы с плоской поверхностью преграды. Данный коэффициент, определяемый через коэффициент восстановления при ударе, представляет важный информативный параметр, позволяющий решать ряд технологических задач при расчете и проектировании ответственных деталей машин.
ABSTRACT
The article provides data on determining the energy loss coefficient upon impact, which is one of the main parameters of the contact interaction of a moving solid particle with a flat surface of an obstacle. This coefficient, determined through the coefficient of recovery upon impact, is an important informative parameter that allows solving a number of technological problems in the calculation and design of critical machine parts.
Библиографическое описание: ОБ ОЦЕНКЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ ДРОБЬЮ ДЕТАЛЕЙ МАШИН // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Муминов М.Р. [и др.]. 2024. 4(121). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17272
Ключевые слова: коэффициент потерь энергии, кинетическая энергия, поглощенная энергия, дробеударная обработка, коэффициент восстановления, модуль упругости, скорость.
Keywords: energy loss coefficient, kinetic energy, absorbed energy, shot-impact processing, recovery coefficient, elastic modulus, speed.
В энергетической теории абразивной эрозии [1-3] коэффициент потерь энергии при ударе является одним из основных параметров контактного взаимодействия движущейся твердой частицы с поверхностью преграды (материала). Данный коэффициент, являясь ценным информативным параметром, позволяет решать ряд технологических задач, имеющих практическую значимость при расчете и проектировании ответственных деталей машин. Так, например, можно осуществить прогнозную оценку разрушения твердых тел по энергетической теории Г. Фляйшера [4] и В.С. Ивановой [5], если располагать данными удельной энергии, сконцентрированной в контактном поверхностном слое деталей.
Через коэффициент потерь энергии и первый закон (начало) термодинамики представляется возможным определить удельную скрытую энергию деформации, представляющую собой по существу энергию линейных несовершенств кристаллической решетки металлов - дислокаций [6, 7]. Таким образом, учитывая высокую эффективность упрочняющих технологий деталей машин методом поверхностного пластического деформирования, в частности, дробе-ударную обработку микрошариками, определение коэффициента потерь энергии позволяет обоснованно решать вопросы диссипации начальной кинетической энергии "0 дроби и регулировать энергетические потоки, направляемые в контактные зоны при взаимодействии твердых тел.
Для расчета потери энергии при ударе целесообразно использовать теорию упругого контакта Герца [8], в соответствии с которой приняты следующие допущения: поверхности тел гладкие; деформации малы; тела рассматривается как упругое полупространство; трение отсутствует.
При анализе ударных процессов, например, при гидроабразивном изнашивании различных агрегатов под действием водной среды с повышенным содержанием абразивных частиц последние рассматриваются как тело сферической формы, подвергающиеся формоизменению и движущиеся с постоянной скоростью до соударения о плоскую поверхность материала, вызывая упругую деформацию.
Значение коэффициента относительных энергии при ударе у определяется соотношением:
¥ =
AW W - W
W
W = 1 - / \2 1 V 1
1 1
W V V V J
(1)
где Ж\ - кинетическая энергия абразивной частицы после соударения;
А Ж - разность кинетической энергии абразивной частицы;
У0, У\ - соответственно начальная и конечная (после соударения) скорости частицы.
Таким образом, вопрос определения у для случая прямого удара (угол атаки а=900) сводится к расчету величины работы упругого восстановления А\ зоны контакта, которая практически равняется кинетической энергии после удара W\: А\=Ж\. Частица после удара получает энергию за счет аккумулированных в материале упругих напряжений, равную работе упругого восстановления и приобретает скорость У\.
В последнем выражении зависимости (1) отношение скорости (модуля скорости) частицы в конце удара У\ к модулю его скорости вначале ударе У0 при прямом ударе о неподвижную поверхность определяют как коэффициент восстановления при ударе:
(2)
*=й
Поэтому коэффициент потерь энергии у с учетом коэффициента восстановления при ударе к представится в виде
¥ = (1 - *2)
(3)
Располагая числовыми данными коэффициента восстановления при ударе к, можно рассчитать долю энергии удара Ауд, поглощаемую соударяющимися телами при контактном взаимодействии, например, при ударе дроби по металлической преграде. Суммарная поглощенная энергия определится по формуле
W=AW=mV-
mV mVn
2
2
(1 - к2) = Wg (1 - к2).
(4)
Из допущения о недеформируемости дроби можно предположить, что вся поглощенная энергия Ап концентрируется в контактной зоне обработки и направляется на процесс деформирования поверхностного слоя. В соответствии с первым началом термодинамики справедливо соотношение:
AW = A = Q + AU,
(5)
где А - механическая (внешняя) работа (положительна, если совершается над телом);
Q - теплота, сопутствующая процессу деформирования;
АП - изменение внутренней энергии АП тела.
Через изменение внутренней энергии АП (5) тела можно решать задачи по теоретическому определению параметров качества поверхностного слоя с учетом термодинамических соотношений и теории дислокаций.
2
На рис. дана параболическая зависимость коэффициента потерь энергии от коэффициента восстановления при ударе, показывающая интенсивность уменьшения коэффициента у при увеличении значения к: при возрастании к от 0,2 до 0,8 (в 4 раза) коэффициент потерь энергии при ударе уменьшается в 2,67 раз.
Рисунок 1. Параболическая зависимость коэффициента потерь энергии у от коэффициента восстановления при ударе k (0<к<1)
В соответствии с положениями теоретической механики в ударе шара о неподвижную поверхность различают две фазы. В течение первой фазы удара шар деформируется до тех пор, пока скорость его не станет равной нулю. Во время этой фазы начальная кинетическая энергия шара трансформируется в потенциальную энергию сил упругости деформированного тела и частично расходуется на нагревание тела.
В течение второй фазы удара под действием сил упругости шар частично восстанавливает свою первоначальную форму также в течение ничтожно малого промежутка времени. Вследствие остаточных деформаций и нагревании шара первоначальная кинетическая энергия шара полностью не восстанавливается и поэтому шар отделяется от поверхности со скоростью У1 модуль которой меньше модуля его скорости до удара Уо. При абсолютно упругом ударе У1= У0, происходит полное восстановление формы шара.
В случае неупругого удара явление удара завершается одной первой фазой и в этом случае У1=0, к=0. Для несовершенно упругих тел 0<У}<Уо и к<1. Поэтому в общем случае в зависимости от материала соударяющихся тел коэффициент восстановления имеет значение в пределах 0<к<1.
Величина коэффициента восстановления при ударе зависит от скорости удара У0, материала соударяющихся тел, а также от их формы и массы. Значения коэффициента восстановления для различных материалов определяют экспериментальным путем.
Трудоемкость экспериментального нахождения данного коэффициента и невозможность интерпретации результатов опыта на другие частные случаи и условия эксперимента предопределяют приоритетное направления его аналитического определения [9]. Данное решение основывается на упруго-пластическом внедрении жесткого сферического индентора в плоскую металлическую поверхность. При этом предполагается, что закон Мейера можно распространить на процесс соударения и пластического внедрения твердой частицы (шара) в плоскость. Тогда зависимость между вдавливающей силой Р и диаметром площадки контакта ё (за пределом упругости) при статическом внедрении представляется известным соотношением
Р=М'
(6)
где N - постоянная, характеризующая материал, и зависящая от диаметра шарика;
п - постоянная, характеризующая материал, и не зависящая от диаметра шарика, но изменяющаяся вместе с наклепом для одного и того же материала; обычно п заключается между 2 (отожженные) и 2,5 (закаленные материалы).
Аналитический метод определения коэффициента восстановления при ударе [9] основан на упруго-пластическом внедрении жесткого сферического индентора в плоскую металлическую поверхность преграды (упругое полупространство). Полученная формула коэффициента восстановления при ударе выражает зависимость от кинетической энергии и размера частиц, твердости НВ материала преграды, приведенного модуля упругости к коэффициента Пуассона соударяемых тел:
к = 1,79 д/ Я075 ИВ125
/(К'2 Еп
(7)
где Я1 - радиус дроби, м;
^0=шУ02/2 - начальная кинетическая энергия дроби, Дж;
Епр - приведенный модуль упругости материалов дроби и преграды, Н/мм2, определяемый с формуле
1 _ (1 ) , (1 )
Е,
пр
Е
Е
(8)
где Е1, Д1 и Е00, ^0 - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материалов дроби и преграды.
Преобразуем выражение (7) и приведем его более удобному для практического применения. Для этого массу ш дроби, входящую в кинетическую энергию ^о, представим через плотность р и объем У:
т/ 4
т = рУ = р—жкх =р-, кг
3 6
С учетом зависимости (9) формула (7) преобразуется к виду
к = 1,63/HB1'25 /(р
0,25V 0,5 E
)
(10)
Выполним расчет коэффициента восстановления при ударе по формуле (10) при следующих данных. Материал дроби- сталь литая; модуль упругости £\=2,1-Ш5 Н/мм2; коэффициент Пуассона ц\=0,3; плотность р=7,8 г/см3=0,000078 Н/мм3.
Обрабатываемый (упрочняемый) материал- серый чугун; модуль упругости £2=(1,15-1,60)-Ш6 кг/см2~ (1,15-1,60)105 Н/мм2, принимаем Е=1,375405 Н/мм2; коэффициент Пуассона ц2=0,23-0,27, принимаем д=0,25 [10]. Твердость ферритных и ферритно-перлитовых серых чугунов (СЧ15) составляет ЯШ43-229; принимаем НВ229.
Предварительно рассчитаем приведенный модуль упругость (8):
1
Е
+ Ç-O^. = 1 .105
2,1 -105
1,375-105
Н/мм2
Скорость полета (удара) дроби выбран из диапазона У0=20-50 м/с, соответствующего режиму
дробеударного упрочнения. При принятом значении скорости У=20 м/с коэффициент восстановления при ударе составил к=0,224, что соответствует значению коэффициенту потерь энергии у=0,95.
Полученное расчетным путем значение коэффициента восстановления при ударе к соответствует контактному взаимодействию металлических тел пары "сталь-чугун". Несколько пониженное значение данного коэффициента по отношению пары "сталь-сталь" [11] вероятнее всего можно объяснить выраженными демпфирующими свойствами серого чугуна с пластинчатой формой графита и податливостью металлической основы структуры чугуна вследствие повышенного содержания графита.
Таким образом, для решения важных технологических задач упрочняющих технологий методом поверхностно-пластического деформирования аналитическим способом определен коэффициент восстановления при ударе, позволяющий оценить коэффициент потерь кинетической энергии. С помощью данного коэффициента представляется возможным рассчитать уровень удельной поглощенной энергии, расходуемой на процесс локальной пластической деформации металла и с помощью первого начала термодинамика определить тепловую энергию и изменение внутренней энергии контактного поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Список литературы:
1. Гаркунов Д.Н., Корник П.И., Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей машин. - М.: Изд-во МСХА, 2003. - 344 с.
2. Мышкин Н.К., Петроковиц М.И. Трение, смазка, износ. - М.: Физматлит, 2007. - 368 с.
3. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение , 2001. -664 с.
4. Fleisher G. Energetische Methode der Bestimmung des Verschleises. - Schmierung stechnik, 1973. Bd. 4, № 9. S. 269-273.
5. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. -455 с.
6. Фетисов Г.П., Гарифуллин Ф.А. Материаловедение и технология металлов. - М.: Изд-во Оникс, 2007. 624 с.
7. Шин И.Г., Муминов М.Р., Шодмонкулов З.А., Максудов Р.Х., Дислокационная модель формирования технологических остаточных напряжений в деталях машин и оценка их интенсивности // Вестник машиностроения, 2014. - №9. - С. 30-34.
8. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Гольдштейна. - М.: Мир, 1989. - 510 с.
9. Шин И.Г. Джураев А.Д. О коэффициенте восстановления скорости при ударе твердой сферической частицы о плоскую металлическую преграду // Изв. ВУЗов. Вестник ТГТУ, 1995. - № 1-4. С. 121-129.
10. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 608 с.
11. Виноградов В.Н., Бирюков В.И., Назаров С.И., Червяков Н.Б. Экспериментальное исследование кинематических параметров удара шара о плоскую поверхность материала // Трение и износ, 1981. Т. 2. -№ 4. - С. 584-588.
