CC BY
9
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 669.018.25 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-101-107
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЫ МИШЕНИ ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНО-ДУГОВОМ ДИСПЕРГИРОВАНИИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
К.М. Колмаков, А.Е. Зверовщиков, А.Г. Схиртладзе, А.В. Соколов
Рассмотрены баллистические параметры траектории частиц сплавов с высокой плотностью при перемещении в газовой среде, сопровождающимся фазовым переходом материала частиц. Разработана методика определения параметров мишени в зависимости от физико-механических характеристик материалов улавливаемых частиц и слоев мишени. Определена возможность сохранения сфероидальной формы частиц при электродуговом диспергировании сплавов с высокой плотностью.
Ключевые слова: Диспергирование, твердые сплавы, кристаллизация, баллистика, внедрение.
Получение порошковых материалов твердого сплава с заданной формой, структурой и размерами частиц является одной из технологических задач, определяющих возможность производства качественного инструментального материала. Одним из перспективных методов получения порошков с требуемыми характеристиками частиц является электродуговое диспергирование материалов. Известна технология [1], в которой электродуговое плавление сочетается распылением расплава центробежными силами. Для ее совершенствования необходима разработка теоретических предпосылок динамики движения капли расплава после отрыва от электрода. Формирование структуры частицы в процессе фазового перехода является функцией динамических параметров свободного полета капли, термодинамических свойств среды. Аппаратная реализация технологии не может быть успешно выполнена без расчета основных параметров фазы полета частицы, поскольку необходимо обеспечить необходимые скорости кристаллизации и встречи частицы расплава с мишенью.
При центробежном эрозионнодуговом синтезе, рассматривая известную кинематику процесса и задав некоторые размеры реальной аппаратной части, начальную скорость капли можно принять в диапазоне 140 - 250 м/с. [1].
Рассматривая фазу свободного полёта капли, примем следующие допущения: плотность газовой среды рв вдоль траектории постоянна, влияние силы тяжести пренебрежимо мало, площадь миделя частицы на полете постоянна, коэффициент лобового сопротивления Сх зависит от скорости частицы.
Основной характеристикой формы частицы, перемещающейся по баллистической траектории в газовой среде, будем считать безразмерный параметр формы
Ф [2]:
Ф-
Б
2/ к/3
(1)
где Б - средний мидель частицы (математическое ожидание площади проекции тела на плоскость, нормальную к направлению полета); V — объем частицы (для сферы, вне зависимости от размера, Ф = 1,21.)
Уравнение движения частицы в этом случае приобретает вид:
2
= БСХ (2)
& 2 Х'
где V — текущая скорость частицы.
Используя понятие баллистического коэффициента с размерностью м-1, это уравнение можно представить в виде:
^ = -АК2 (3)
Интегрируя уравнение (3) при начальной скорости Vo и в системе координат, ноль которой находится в точке отрыва капли, х(0) = 0, получим:
V 1
V =-0— х = — 1п(1 + лк0г)
1 + ЛК01 Л У
Наибольший интерес для проектирования аппаратной реализации процесса представляет зависимость снижения скорости частицы от пройденного расстояния х. Используя замену = (&хШ) = интегрируя полученное выражение
с начальным условием V(0) = Ко для скорости получим:
V = К0в~ЛБх , (4)
Это выражение определяет закон затухания скорости тела в баллистическом
полете.
Выражение для баллистического коэффициента можно представить в виде:
1в
РвСхФ
2рсф 23 ш Ш
(5)
где рсф — плотность материала частицы.
Приняв плотности воздуха и карбида вольфрама 1,29 и 15600 кг/м3, соответственно получим зависимость Сх от скорости движения (2):
Сх =
0,5 1
V < 150.М / с
-550 > V >150. / с
М9 + 0,51.*т(86°°-350° V>550./с
(6)
0,8651 1 +
50 V
Рис. 1. Влияние начальной скорости частицы на коэффициент лобового
сопротивления Сх
102
3
В интервале скоростей 180-250 м/с (рис. 1) можно с небольшой погрешностью, принять в дальнейших расчётах Сх = 0,55.
Конечная скорость частицы зависит от начальной скорости схода капли, размера сфероидальной частицы (ёш) и расстояния от точки отрыва до преграды (х) (рис. 2).
Рис. 2. Снижение скорости сферических частиц различного размера при начальной скорости: а - Уо = 250 м/с, б - Уо = 140 м/с
Значения скоростей шарика при различных условиях представлены в табл. 2.
Таблица 1
Скорость частиц при удалении от диска, м/с_
Уо, м/с ё, мкм Удаление от точки отрыва (х), м
0,1 0,5 1,0
250 10 140 13,6 0,74
1 0,74 0 0
140 10 78 7,6 0,41
1 0,41 0 0
Скорость встречи сфероидальной частицы с мишенью, наряду с рядом других критически действующих факторов определяет степень деформации или разрушения частицы. Параметрами процесса встречи являются соответственно глубина Ь да внедрения в полубесконечную преграду, либо толщина Ипр предельно пробиваемой конечной преграды.
Эти величины связаны соотношением:
Ипр = УЬ^ (у > 1), (7)
где у — коэффициент, учитывающий вспомогательное действие тыльных эффектов при пробитии (коэффициент конечности преграды).
В зависимости от скорости удара и соотношения свойств ударника и преграды, частица при внедрении может сохранять свою форму, либо претерпевать разнообразные деформации [2]. Так, известны «аэродинамический», «переходный», «кратерный» механизмы внедрения.
Вид механизма определяется скоростью частицы и параметром соударяемой пары (Р)
а -а
у п
Р• (8)
Рп
где ру, рп — соответственно плотности ударника и преграды; оу, Оп — пределы текучести ударника и преграды.
Расчётные значения параметров соударяемой пары для ряда материалов преграды [3,5,6,7] представлены в табл. 2, что говорит об аэродинамическом механизме внедрения.
Параметры соударяемой пары
Таблица 2
Вещество ШС-ШС2 Л1 Полиэтилен СВМПЭ Вода
р, кг/м3 15600 2700 910 - 970 1000
асж, МПа 420 100 1,82 (лёд)
а„, МПа 3330 (5 мкм) 50 - 120 30 10-6
П, Пах 1,25-105 43,8* 0,001
Р 15,5 - 15,2 44,7 42,4
показатели были рассчитаны исходя из структуры полимера [8].
При проникновении частицы в сплошную среду её движение описывается законом Ньютона:
ш— = - ¥ Ш
(9)
где ш - масса ударника; V - скорость ударника; I - время; ¥ - сила сопротивления среды. Предполагается, что ¥ можно представить в виде суммы трех сил [3]:
¥х = г + ¥2 + (10)
где ¥1 - сила динамического (инерционного) сопротивления.
(11)
р V2 ¥ БСх
где рп плотность преграды; Б — мидель; ¥2 - сила вязкого сопротивления,
¥2 = Сх-Ц-&■V (12)
где ¡л- коэффициент вязкости среды; & - диаметр тела.
Для сферы ¥2 = 3•жц•dV, ¥3 - сила статического сопротивления, характеризуемая прочностью среды.
¥3 = Сс■Б ■ассж (13)
где Стс.сж - предел прочности среды на сжатие.
Представим уравнение (9) в следующем виде:
ш-
Ж
РгУ2 2
БСх - - СхБа,
х п .сжж
Рп БСх В = С = СхБ°п.сж
Введём постоянные: А =
2ш ш ш
подставим в уравнение (15) и произведем замену &У/& = VdV/dx , тогда:
™ = -ЛV2 - BV - С Разделив переменные и проинтегрировав в пределах при х = 0, V = Vв;
X -¿пр,
V = 0 - скорость встречи шарика с преградой), меняя пределы интегрирования, получаем
(14)
(15)
(16)
2Ватс(§
[ 2ЛV+В Л
^ ^ + в) + С]--
а/4ЛС -
В2
^пр ='
У4ЛС -
в
2 Л 104
V ■ 0
Подставляя значения скорости встречи V в интервале от УВ до 0, получим конечное уравнение для расчёта глубины преграды.
\ г \
в
2ВаШ§
1П Ув (АУВ + В) + с ]-
2 АУВ + В
V4АС -
В2
2ВаШ§
^пр = '
>/4АС -
1П(С )--
л/4 АС -
В2
В2
V4АС -
(18)
В2
2А 2А
С учетом сфероидальной формы частицы и характеристик материала - ЖС-ЖС2 (ркв = 15600 кг/м3) постоянные уравнения проникания в материал мишени (15) приобретают вид:
А = 3РпСх в = с = ^Сх^п.сж (19)
4РкА Рке^ 4Рш Л
Результаты расчётов по уравнению (18) для скорости встречи сферической частицы с преградой (УВ) в интервале ее скоростей 10-140 м/с и диаметров Лш = 1 - 15 мкм для СВМПЭ и фторопласта Ф4 представлены на рис. 3.
Рис. 3. Предельная глубина проникновения частицы в СВМПЭ
Таким образом, расчет для высокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) при Ув = 140 м/с и Л = 10 мкм дает глубину внедрения в преграду Ьщ = 0,617 мкм. Расчёты для воды дают глубину предельного Ьпр = 27 мм. (рис. 4).
Рис. 4. Предельная глубина проникания шарика частицы в воду
Таким образом, в качестве мишени (ловушки) при диспергировании тяжелых и твердых сплавов, исходя из условия отсутствия деформации частицы твердосплавного материала, может быть использована широкая гамма твердых и жидких сред с характеристиками, обеспечивающими требуемую скорость кристаллизации частиц. Приведенная методика позволяет определить конструктивные параметры мишени промышлен-
ных и экспериментальных установок, обеспечивающие сохранение требуемой формы частиц. Физико-механические характеристики материалов мишени также могут быть подобраны с использованием приведенной методики. Требуемые толщины слоев мишени, как показали проведенные расчеты, технологически и конструктивно надежно обеспечиваются на сегодняшнем уровне развития машиностроительного производства.
Список литературы
1. Зверовщиков А.Е., Дадушкин И.Е., Беспятов В.Н. Оценка кинематики технологического способа электродуговой сфероидизации металлических порошков // Техника и технология современных производств. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2019. 124 с.
2. Физика взрыва. Изд. 3е, испр. - В 2 т. Т.2 - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 656 с.
3. Кикоина И.К. Таблицы физических величин. Справочник. М.: Атомиздат, 1976, 1009 с.
4. Фторопласт-4/PTFE и известные композиции фторопласта-4. Свойства. Описание. Г0СТ10007-80. М.: Стандартинформ. 2008.
5. ТУ 6-05-18-96-80 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен СВМПЭ. М., 1980.
6. ЛиЛян, Шхинек К.Н. Воздействие льда на откосные сооружения Инженерно-строительный журнал, №1, 2014 «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».
7. Акапашев Р.А,. Павлов В.В. Предел прочности и модуль сдвига воды при малых скоростях течения // Известия Уральского государственного горного университета. Екатеринбург: ФГБОУВО «УГГУ», 2007. С. 15 - 18.
8. Якубовский Е.Г. Определение вязкости твердого тела и жидкости. [Электронный ресурс] URL: http://www.russika.ru/userfiles/390_1440699044.pdf (дата обращения: 10.02.2021).
Колмаков Константин Михайлович, д-р хим. наук, профессор, azweramail. ru, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Зверовщиков Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, azwera mail.ru, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Схиртладзе Александр Георгиевич, д-р пед. наук, профессор, a. skhirtladzeastankin. ru, Россия, Москва, МГТУ «Станкин»,
Соколов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, начальник сектора наукометрии, a.sokolov-86@mail.ru, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
DETERMINA TION OF THE PARAMETERS OF THE TARGET HETEROGENEOUS MEDIUM DURING CENTRIFUGAL-ARC DISPERSION OF HARD ALLOYS
K.M. Kolmakov, A.E. Zverovshchikov, A.G. Skhirtladze, A.V. Sokolov
The ballistic parameters of the trajectory of particles of high-density alloys when moving in a gas medium, accompanied by a phase transition of the material of the particles, are considered. A technique has been developed for determining the parameters of the target depending on the physical and mechanical characteristics of the materials of the captured particles and target layers. The possibility of maintaining the spheroidal shape of particles during the electric arc dispersion of high-density alloys has been determined.
Key words: dispersion, hard alloys, crystallization, ballistics, penetration.
106
Kolmakov Konstantin Mikhailovich, doctor of chemical sciences, professor, azwer@mail.ru, Russia, Penza, Penza State University,
Zverovshchikov Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, head. Department, azwer@mail.ru, Russia, Penza, Penza State University,
Skhirtladze Alexander Georgievich, doctor of pedagogical sciences, professor, a.skhirtladze@stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University «Stankin»,
Sokolov Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of the scien-tometrics sector, a.sokolov-86@mail.ru, Russia, Penza, Penza State University
УДК 536.531 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-107-111
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ РЕЗИСТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «СОПРОТИВЛЕНИЕ-НАПРЯЖЕНИЕ» ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ШЕВИНГОВАНИЯ-ПРИКАТЫВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
А.А. Маликов, А.В. Сидоркин, А.О. Чечуга
Рассмотрены узловые моменты выбора оптимальной конструкции и расчета резистивного делителя преобразователя «сопротивление - напряжение», используемого в составе устройства непрерывного измерения и регистрации температуры. Уделено существенное внимание вопросам подбора типов и номиналов элементов, обеспечивающих высокую разрешающую способность делителя.
Ключевые слова: измерение, преобразователь, расчет, температура, сопротивление, разрешающая способность, подстроечный резистор.
Для осуществления процесса измерения температуры вращающегося объекта технологической системы инструмента - шевера-прикатника, подробно рассмотренного в статьях [1 - 3], в составе измерительного комплекса присутствует преобразователь «сопротивление - напряжение», функциональная схема которого приведена на рис. 1. Процедурам выбора схемы построения делителя R2-R3, подбора типов резисторов, входящих в нее и расчета их номинальных сопротивлений, имеющим ряд особенностей, была посвящена статья [4].
