Определение оптимальных режимов обработки металлических изделий пульсирующим дозвуковым потоком Текст научной статьи по специальности «Физика»

Литература

1. Агапов Д.С. Методика определения количества теплоты отводимой в окружающую среду от энергосиловой установки автомобиля и трактора. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей». СПб. - 2008. - С. 187-189.

2. Агапов Д.С. Улучшение топливно-экономических и энергетических показателей дизеля оптимизацией температурного режима Дисс. канд. техн. наук 05.04.02 / Д. С. Агапов; СПб. гос. аграрный. ун-т. -СПб, 2004. - 156 с.

3. Агапов Д.С. Результаты экспериментальных исследований маслянистости гидравлических и трансмиссионных масел (ГиТМ) при их регенерации. / Д. С. Агапов, А.П. Картошкин, В.А. Филимонов // Международная научно-техническая конференция.

«Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей» - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2007. - С. 209-216.

4. Агапов Д.С. Применение и взаимозаменяемость масел при высокотемпературном охлаждении автотракторных двигателей. / Д. С. Агапов // Международная научно-техническая конференция. «Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей» СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2007. - С. 222-228.

5. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В. А. Грановский, Т. Н. Сирая, Л. Энергоатомиздат Ле-нингр. отд-ние - 1990. - 228 с.

6. Маркин Н. С. Основы теории обработки результатов измерений: учеб. пособие / Н. С. Маркин. -М.: Изд-во стандартов. - 1991. - 173 с.

УДК 62-1/-9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПУЛЬСИРУЮЩИМ ДОЗВУКОВЫМ

ПОТОКОМ

Д.А. Иванов1

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации(СПбГА),

196210, ул. Пилотов, 38

В данной статье рассматриваются вопросы определения амплитуды колебаний частиц металлического тела, взаимодействующего с пульсирующим дозвуковым газовым потоком, а также оптимальной продолжительности обработки им изделий с целью получения требуемых механических и эксплуатационных свойств.

Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, детали машин, металлические материалы, кристаллическое строение.

DEFINITION OF THE OPTIMUM MODES OF PROCESSING OF METAL PRODUCTS THE PULSING SUBSONIC STREAM

D.A. Ivanov

Saint-Petersburg state University of civil aviation (SPbSUCA), 196210, street of Pilots, 38

In this article are examined questions of the determination of the amplitude of the fluctuations of the particles of the metallic body, which interacts with the pulsatory subsonic gas flow, and also optimum duration of working by it articles for the purpose of obtaining the required mechanical and performance properties.

Keywords: pulsating gas flow, machine part, metallic materials, crystalline structure.

Возможность изменять свойства металлических материалов за счёт обдува дозвуковым пульсирующим потоком воздуха [1^8] обусловлена особенностями строения металлов и сплавов. Металлические материалы, исполь-

зуемые для изготовления деталей машин, как правило, имеют поликристаллическое строение и состоят из множества мелких кристаллов несовершенной формы (кристаллитов), называемых также зёрнами.

1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры диагностики и нераз-рушающего контроля технических систем СПбГА, тел.: +7(981)7640822, E mail: tm_06@mail.ru

Влияние газоимпульсной обработки на выносливость, длительную прочность.

Как известно, в силу специфики кристаллизации металлического материала, при его переходе из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое, отдельные зёрна, вырастая из зародышей, произвольно ориентированы относительно друг друга (рис. 1).

Их кристаллографические плоскости не совпадают, образуя углы до десятков градусов. Границы между зёрнами принято называть большеугловыми. Граница зёрен представляет собой переходную область шириной до 10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристаллита переходит в решетку другого зерна. Переходный слой имеет сложное строение, в нём нарушена правильность расположения атомов (рис. 2), в частности, имеются скопления дислокаций, а также наблюдается повышенная концентрация примесных атомов.

Каждое зерно, не являясь идеальным кристаллом, состоит из субзёрен, а те, в свою очередь, построены из ещё более мелких кристаллов почти идеальной формы (блоков мозаичной архитектуры).

Если границы субзёрен представляют собой скопления дислокаций и углы взаимной разориентировки между соседними субзёрнами не превышают 5 градусов и называются сред-неугловыми, то границы блоков представляют собой стенки дислокаций и углы между ними не превышают одного градуса, в связи с чем их границы получили название малоугловых (рис. 3). На средне- и мвалоугловых границах также скапливаются примесные атомы. При натекании на жестко закреплённое металлическое тело дозвукового потока воздуха все его части и составляющие приходят в движение. Головная часть, обращённая к газовому потоку, упруго деформируется. При этом упругая деформация волнообразно передаётся всем частицам (зёрнам, субзёрнам, блокам) и практически мгновенно распространяется на весь объём тела, так как скорость распространения продольных упругих волн в металле составляет 5-6 км/с, значительно превышая скорость звука в воздухе.

Если поток воздуха стационарный (его параметры не меняются во времени) то устанавливается статическое равновесие между возмущающей силой Б, с которой поток действует на головную часть тела, и возвращающей силой упругости тела Fу , т. е.

При этом, величина силы F пропорциональна скоростному напору струи воздуха и площади миделя обдуваемого тела (проекции тела на плоскость, перпендикулярную набегающему потоку воздуха). То есть, F = рр2Б,

где р - плотность воздуха кг/м . Её можно условно считать постоянной, так как газ при скоростях меньше половины скорости звука рассматривается как несжимаемый, а скорость воздуха при обдуве, в основном, не превышает 30 м/с (на порядок меньше скорости звука).

Рисунок 1 - Различная ориентация кристаллических решеток в зёрнах

Рисунок 2 -Строение большеугловых границ

Рисунок 3 - Строение средне- и малоугловых границ

Таким образом: р = 1,23, кг/м3 (нормальные условия); V - скорость потока (не превышает 30 м/с); 5 - площадь миделя, м2.

Формула для определения внешней силы, действующей на тело, получена Ньютоном в предположении, что все линии тока струи

Д.А. Иванов

воздуха, достигая головной части тела, обра-щённой к потоку, ударяясь о её поверхность полностью теряют свою скорость.

Формула даёт корректные результаты для плохообтекаемых тел, какими, как правило, и являются детали машин.

Величина возвращающей силы Ру равна произведению жесткости тела на его деформацию Д где I - характерный размер тела вдоль потока. Т. е.

р = ру = СМ и - статическая упругая деформация

тела.

В процессе прохождения упругих волн по твёрдому металлическому телу, все частицы, составляющие его структуру (зёрна, субзёрна, блоки) смещаются в направлении деформации тела.

Обозначив средние размеры зёрен, субзёрен и блоков за и а их смещение за , и можно записать следующее соотношение:

А1 Ат Ап Ар

I т п р

Так как I > т > п > р, то и статические смещения > > > .

Упругая деформация тела Д I при воздействии низкоскоростной струи воздуха невелика и составляет доли микрон, поэтому смещения зёрен, субзёрен и блоков малы. Малы и смещения приграничных атомов. А так как внешняя сила, вызывающая упругую деформацию твёрдого тела, не меняется во времени, то устанавливается статическое равновесие всех частей тела, которое сохраняется неизменным, пока на тело натекает стационарный поток воздуха.

Картина меняется, когда поток воздуха пульсирует и его параметры, в первую очередь скорость, периодически изменяются во времени с циклической частотой с. При этом любой параметр потока, пульсирующего с частотой , можно представить в виде суммы его неизменного значения и пульсационной составляющей, которая меняется во времени по гармоническому закону.

То есть мгновенное значение скорости складывается из её среднего значения и пуль-сационной составляющей ,

где - амплитуда пульсационной составляющей скорости, модуль которой не превышает половины среднего значения скорости [9].

Аналогично, мгновенное значение силы, действующей на тело со стороны пульси-

рующего воздушного потока, складывается из её среднего значения и пульсацион-

ной составляющей

Р ( Ь) = Ро со 5 с Ь, где , т. е. не превышает четверти

среднего значения .

Благодаря пульсационной составляющей силы всё тело и каждая его частица совершают колебания относительно своего положения равновесия, приобретенного за счёт действия постоянного среднего значения силы.

При этом амплитуда смещения колеблющихся частиц относительно положения равновесий определяется не только величиной амплитуды пульсационной составляющей силы, но и циклической (круговой) частоты колебаний.

Очевидно, при отсутствии колебаний или малых значений амплитуда будет равна статическому смещению от силы 0, а полное смещение

Д ст = Д ± Д о , где и

Если частота колебаний с достаточно велика, амплитуда смещения будет расти от , до , по мере приближения частоты внешней силы к частоте собственных колебаний системы с о. Введя коэффициент вибрации К"В, зависящий от можно представить амплитудное значение смещения, как произведение В на , то есть

= Ддинамич.= ^В^О

Найдём выражение для коэффициента вибрации, воспользовавшись основным законом динамики, в соответствии с которым произведение массы тела на его ускорение равно сумме действующих сил:

Ма = Р + Р + Р

11и- 1 внешн. 1 1 возвр. 1 1трен.-

где: М - масса тела, кг; а - ускорение тела, м/с2, а = ^ Х/^2, где х - мгновенное значение смещения (деформации тела) м; Р внешн. - внешняя возмущающая сила, Н; ; Рвозвр. - возвращающая сила упругости, Н, Рвозвр. = - Сх; Ртрен. - сила трения, Н, Ртрен. = , где: ; - коэффициент затухания.

Тогда дифференциальное уравнение для определения будет выглядеть следующим образом:

М ^Х/^ + Я + Сх = Ро с о 5 с Ь.

Поделив все части уравнения на массу, и учитывая, что и полу-

чим следующее неоднородное дифференциаль-

Определение оптимальных режимов обработки металлических изделий .

ное уравнение II порядка для определения смещения х, а следовательно и его амплитуды.

^ С2 + 2 р ^ ь + й2х = % со 8 й,Ь. Решение ищем в виде:

, где - амплитуда

смещения

А - ро/ 1 /

А ~ 'М

-ш2)2+

Полагая, что затухания колебаний нет, то есть , имеем

Ро 1

А =

М (¿1- ш2'

Проведем подстановку с учетом принятых обозначений:

где где

Г / 2

, получим:

<Уо 1 ^ = -7 = Ло:-7^7-7 = Ао-^в-

Р°/С = Л о и

ш0

Т. е. коэффициент вибрации

'1-ф2

ш0

представляет собой безразмерную величину.

Таким образом, амплитуда смещения,

равная

А = ^динамич.= ^О^В зависит от отношения частот и изменяет-

ся от при до бесконечности при

й ° , когда наступает явление резонанса.

В действительности возрастание амплитуды ограничивается внутренним трением, но может достигнуть значительных величин.

Если при <й/ й ° = 0, 9 5 = = 10, то при й/й0 = 0, 9 8 = ^ = 25, при 0,99 = ^ = 50, при 0, 999 =500 и т. д.

Таким образом пульсирующий поток выводит систему из равновесия и заставляет колебаться частицы тела с частотой и амплитудой, зависящей от отношения частоты внешней силы и собственных колебаний частицы.

Не оказывая существенного влияния на форму и размеры структурных составляющих обдуваемого металлического тела, пульсирующий поток возмущает их приграничные области, выводя дислокации, которые содержат границы зёрен, субзёрен и блоков из состояния равновесия, заставляя их двигаться, взаимодействуя друг с другом и стремясь занять положение, соответствующее минимальному значению свободной энергии.

Анализ полученных результатов позволяет сказать, что эффект воздействия пульсирующего потока возрастает при расположении

тела относительно набегающего потока так, чтобы площадь миделя была максимальна (консольное крепление).

Следует также использовать частоту колебаний внешнего потока, приближенную к частоте собственных колебаний системы для увеличения амплитуды колебаний частиц обдуваемого им тела.

Расчёты коэффициента вибрации в зависимости от частоты пульсаций параметров струи воздуха указывают на то, что при частотах, не превышающих половины частоты собственных колебаний системы коэффициент вибрации мало отличается от единицы и амплитуда колебаний может быть принята равной

Лишь при околорезонансных частотах, когда отношение частот равно 0,95 ко-

эффициент вибрации достигает десяти, а при й / й ° = 0,995 он будет равен ста.

Следует также учитывать, что величина является статическим отклонением всего тела от положения равновесия, а для зёрен, субзёрен и блоков величины статических отклонений частиц обдуваемого тела меньше во столько раз, во сколько раз меньше размер частиц по сравнению с характерным размером тела.

Эффект от обработки изделий пульсирующим газовым потоком во многом определяется величиной амплитуды колебаний соседних частиц (зёрен, субзёрен, блоков). Колеблясь, как ранее отмечалось, без изменения своих размеров и конфигурации, эти частицы подводят к приграничным атомам в составе дислокаций дополнительную кинетическую энергию, посредством которой ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и изменения их плотности.

При этом происходит изменение тонкой структуры границ зёрен, субзёрен и блоков, не сопровождающаяся изменением микроструктуры.

Из-за перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. Происходит отрыв дислокаций от мест закрепления и их движение, аннигиляция дислокаций разных знаков, уменьшающая их количество. Осуществляется переползание дисло-кащий, непосредственно связанное с процессом релаксации остаточных напряжений.

Для интенсификации процесса перераспределения атомов, составляющих границы зёрен и сокращения времени обработки пульсирующим газовым потоком необходимо, что-

Д.А. Иванов

бы амплитуда колебаний зёрен превышала определённую величину, зависящую от межатомного расстояния, в качестве которой примем одну десятую этого расстояния.

Оценим значение круговой частоты пульсаций струи воздуха, при которой выполняется данное условие.

Определим оптимальную частоту пульсаций натекающего на изделие воздушного потока на примере обтекания стандартного ударного образца из углеродистой стали, закреплённого консольно и расположенного вдоль потока воздуха, натекающего на свободный торец образца перпендикулярно его плоскости.

Площадь квадратного поперечного сечения образца (площадь миделя) S = 10-4 м2; длина образца I = 0,055 м; масса образца М = 0,043 кг; модуль Юнга для стали Е = 2-1011 H/м2; средняя скорость потока воздуха v = 30 м/с; модуль амплитуды пульсационной составляющей скорости v0 = 15 м/c; плотность воздуха р = 1,2 кг/м3.

Среднее значение силы, действующей на торцевую часть образца со стороны потока воздуха F = pv2 S = 1,2-302-10"4 = 0,108 H.

Модуль амплитуды пульсационной составляющей силы

F0 = pv2 S = 1 ,2 ■ 1 5 2 ■ 1 0 -4 « 0,0 2 7 Н.

Жесткость образца, закреплённого кон-сольно при его продольном растяжении (сжатии)

ES 2-ю11-ю-4 Q Н С = — = -——- « 3,6 ■ 108-.

I 0,055 м

Абсолютная упругая деформация сжатия образца при действии на его торец силы F F 0,108

М =- =

= 3 ■ 10

-ю

м.

С 3,6-108 Модуль статического смещения торца в результате действия силы Р0 относительно положения торца, полученного в результате действия силы

Дп=^ =

0,027

= 0,75 ■ 10

-ю

м.

0 С 3,6-108 При этом модуль статического смещения зерна относительно его положения равновесия

т

До т= уД0-

Приняв средний размер зерна = 10-3м, получим

Ю-3

■0,75 ■ Ю-10 = 13,6 ■ Ю-13

До т~

0,055

= 0,136-10

-11

м.

Предположив, что эффективное воздействие пульсирующего потока имеет место при смещении зерна на величину , где -

межатомное расстояние (для стали оно приближенно составляет 0,3А) имеем

г= 0,1 ■ 0,3 ■ Ю-9 = 3-10

1-11

.

Очевидно, что статического смещения зерна недостаточно для

интенсивного движения приграничных атомов.

Найдём частоту со пт, при которой коэффициент вибрации позволит получить

Дтопт= Дот - = 3 ■ 10 Х1М.

Коэффициент вибрации, необходимый для получения оптимальной амплитуды

1 3 ■ ю-11

Кв =-- = ____———— ~ 22.

1 -■

0,136-10

-11

Отсюда , где - час-

тота собственных колебаний тела.

iOn

\

С

м

м

3,6 ■ ю8

0,043

9,1 ■ 10'

Рад

(с"1)-

10d

Так как , то

9,1 ■ 104

/о = = 1-5 ■ Ю4 Гц = 15 кГц.

6,28

То есть,

= 1 4, 4-1 0 3Гц = 1 4, 4 кГц.

Гармоники на подобных частотах наблюдаются практически при любых дозвуковых скоростях пульсирующего газового потока.

Значение оптимальной частоты пульсаций газового потока, обдувающего изделие близко к частоте собственных колебаний системы, а это подтверждает предположение о том, что обдув образца следует вести на частоте, максимально близкой к частоте собственных свободных колебаний образца.

Следует также заметить, что в этом случае коэффициент затухания минимален, так как , т. е. когда приближается

к с о , то коэффициент затухания стремится к нулю, а значит потери на трение минимальны.

Аналогичные расчёты можно провести для поперечного расположения образца относительно набегающего потока при его закреплении консольно и двумя концами. Изменятся лишь площадь миделя и жесткость образца, а значит и частота собственных колебаний системы .

Как показывают расчёты, для небольших деталей частота собственных колебаний системы достаточно велика (около десяти килогерц), а значит, для резонанса необходима такая же частота пульсаций .

Однако на практике результат достигается и при меньших значениях , кратных . При этом /( = /О/ 2 1, где £ = 0,1,2 и т. д.

Поэтому даже при частоте менее килогерца можно получить желаемый эффект. При

Определение оптимальных режимов обработки металлических изделий..

этом продолжительность обдува несколько возрастает, так как амплитуда колебаний при кратных частотах возрастает не столь интенсивно в сравнении с /0 .

Подтверждением существования ряда рабочих частот, в том числе кратных , при которых происходит рост амплитуды колебаний, служат амплитудно-частотные характеристики пульсирующих газовых потоков.

Необходимая для повышения требуемых механических свойств продолжительность обработки изделий пульсирующим газовым потоком во многом зависит от частоты колебаний его параметров. Время такой обработки минимально при частоте колебаний газовой струи, равной частоте собственных колебаний обдуваемого объекта, когда имеет место резонанс, что подтверждено экспериментально [10].

Рисунок 4 - График зависимости относительного времени газоимпульсной обработки, обеспечивающего требуемые механические свойства от относительной частоты колебаний газового потока

При частотах, отличных от резонансной частоты требуемое время газоимпульсной обработки увеличивается.

На основе обобщения полученных экспериментальных данных установлено, что в первом приближении требуемое время обдува можно определить по эмпирической формуле: т = 2-2 // + 1 //2 , (*)

где т=т/тр, / = ///р, тр = 5^7 минут и обратно пропорциональна скорости потока, натекающего на изделие, /р = /0 = пС/до , Гц.

График зависимости относительного времени обдува от относительной частоты колебаний газового потока, или f = / (/) приведен на рис. 4.

Это кривая третьего порядка с двумя асимптотами: / = 0 ; f = 2 и точой перегиба: / = 1, 5 ; f = 1, 1 2 .

При / > 0, 3 формула (*) обеспечивает хорошие совпадения с экспериментальными результатами. При требуемая продол-

жительность обдува резко возрастает. При / > /р f не превышает 2.

Литература

1. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. - СПб., -2010, №2, с. 20-22.

2. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., - 2012, №3, с. 12-15.

3. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка пульсирующим газовым потоком высокопрочных и пружинных сталей // Двигателестроение. - СПб., 2014, №3, с. 34-36.

4. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Сочетание закалки сталей с обработкой пульсирующими газовыми потоками // Двигателестроение. - СПб., - 2015, №4, с. 34-36.

5. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - M., - 2013, №11, с. 30-33.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование пульсирующего дозвукового газового потока для повышения эксплуатационных свойств металлических изделий // Технология металлов. - M., - 2015, №1, с. 34-38.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей газоимпульсной обработкой // Технология металлов. - M., - 2015, №10, с. 27-31.

8. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка инструментальных сталей пульсирующими газовыми потоками // Технология металлов. - M., 2016, №9, с. 39-43.

9. 182. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович, Т.А. Гиршович, С.Ю. Крашенинников, А.Н. Секундов, И.П. Смирнов. - М.: Наука, 1984. - 716 с.

10. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Направления совершенствования технологии обработки металлических материалов пульсирующими газовыми потоками // Технико-технологические проблемы сервиса. -СПб., - 2015, №4, с. 15-21.