Оптимизация подбора макрокинетических параметров методом конечных элементов у пористых электродов источников электрического тока Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

0,1 мм. После термической обработки «непрямолиней-ность» достигала 0,2-0,25 мм. Резьба накатывалась до термической обработки, а после термообработки ее приходилось калибровать с целью устранения повреждений и обеспечения первого класса точности 4Ь. Выравнивание структуры и предварительно полученных напряжений в поверхностных слоях резьбового участка при термообработке, а также отклонения от прямолинейности стержня болта приводят к уменьшению долговечности соединения, снижению циклической прочности и усталостному разрушению болта.

Недостатки были и на сборке двигателей - шайба «наезжала» на радиус Я1 (см. рис. 1) под головкой болта и при эксплуатации образовывался срез подголовка болта, тем самым вызывая концентрацию на -пряжений на данном участке.

На этапе проектирования новой прогрессивной конструкции выбор конструктивного исполнения головки болта выполняли по результатам комплексного численного исследования напряженно-деформированного состояния по критерию статической и цик-лической прочности. При исследованиях выполняли сравнение статической прочности головок болтов при их различном конструктивном исполнении, а также определяли коэффициент концентрации напряжений под головкой болта при их затяжке.

Замена радиуса Я1 под головкой болта на галтель привела к уменьшению коэффициента концентрации напряжений под головкой болта на 25,5%.

Для обеспечения условия равнопрочности стержня болта была увеличена длина резьбы с 42 до 185 мм (см. рис. 1), а подобранное нами оборудование дало возможность проводить накатку резьбы на заготовках в термообработанном состоянии, что позволило:

1) обеспечить параметр «непараллельность» - 0,1 мм; фактически на готовых болтах «непараллельность» составляет 0,06-0,08 мм;

2) создать на резьбовом участке стержня благоприятные, с точки зрения эксплуатационных показателей (циклическая прочность и долговечность), характеристики качества поверхности и поверхностного слоя;

3) отказаться от операции «калибровка резьбы»; в свою очередь, сокращение количества операций при

СПБ

Е *

- 0,16

т-бд

ц

т-6д

Рис. 2. Болты с накаткой резьбы в термообработанном состоянии

изготовлении болта позволяет уменьшить технологические потери.

Для Унитарного Предприятия «Минский моторный завод», выпускающего силовые агрегаты для грузовых автомобилей МАЗ, проведена аналогичная работа по увеличению надежности и долговечности работы дизельных двигателей. Предложена конструкция болта крепления головки цилиндров, обеспечивающая условия равнопрочности и увеличение циклической прочности (рис. 2).

За счет увеличения длины накатанной резьбы после термообработки болта, которое сталэ возможно с приобретением нового резьбонакатного станка фирмы «РКОИКОЬЬ», повышена циклическая прочность и выполнены требования потребителя к болтам (см. рис. 2).

Таким образом, нами в условиях ОАО «БелЗАН» на базе проведенных комплексных исследований разработаны новые конструкции равнопрочного болта для грузовых автомобилей, внедрение технологии производства их позволило получить конкурентоспособный крепеж моторной группы на уровне требований международных стандартов.

УДК 541.136 + 621.311.6 + 621.313 Сергеев Ю.С.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДБОРА МАКРОКИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ У ПОРИСТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Пористые электроды широко применяются в прикладной электрохимии, особенно в таких её отраслях, как химические источники тока и электросинтез. Одним из практически применяемых типов пористых электродов является жидкостный диффузионный пористый электрод. В электродах этого типа все поры заполнены

жидкостью, в которой растворены реагирующие вещества. Подвод этих веществ в реакционные зоны, расположенные на стенках пор, осуществляется путём их диффузии или в результате фильтрационного потока всей жидкости. Электроды этого типа представляют собой электронные проводники (металлы, графит, по-

Оптимизация подбора макрокинетических параметров методом конечных элементов у пористых... Сергеев Ю.С.

лупроводники), контактирующие с ионными проводниками (с растворами электролитов, расплавами солей или твёрдыми ионопроводящими электролитами). При прохождении электрического тока на поверхности электрода протекают электрохимические реакции, например растворения или осаждения металла, выделения водорода или кислорода, восстановления или окисления частиц, имеющихся в растворе.

Задача о стационарном режиме работы жидкостного пористого электрода при конвективном способе подвода реагента была сформулирована вработах [1, 2].

В более общей постановке эта задача сводится к выполнению расчёта изменения концентрации подаваемого в электрод реагента, концентрации образовавшегося продукта, а также изменения величины поляризации в зависимости от времени и координаты

Рис. 1. Схемы конвективной подачи реагента в жидкостный пористый электрод с фронтальной стороны

Рис. 2. Пространственно-временная схема распределения концентраций продукта и реагента, поляризации и тока в жидкостном пористом электроде

,П. в

0,0006

0,0005

0,0004

0,0003

0,0002

0,0001

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 ^ С

Рис. 3. График зависимости поляризации электрода от времени при постоянной координате х=0,12 см

прохождении реагента.

Рассматривается пористый электрод конечной толщины Ь, через который с постоянной удельной объемной скоростью V (см/с) протекает рабочий раствор. При этом подача реагента производится с фронтальной (поляризуемой) стороны электрода (рис. 1).

Считая, что перенос массы и зарядов путем молекулярной диффузии и миграции пренебрежимо мал по сравнению с переносом за счет вынужденного конвективного потока, получаем для описания задачи о распределении электрохимического процесса в рассматриваемых макрокинетических условиях работы электрода следующую систему дифференциальныхуравнений:

дср дср

■ + w-

VPS

5/ дх

г(л; с ; с ),

п^ Р

Ъ , w^ _М/(„.с .с )

Я* + W Я ~ Г/(^; сР ; сп ^

от дх пЬ

д2^ д2^

(1)

дх2

= А«'(Л; ср; сп).

Дополним соответствующими граничными условиями уравнения для данного вида подачи реагента и решим данную систему методом сеток:

к -ип

ип -Пп

к+1 ик

И

уг -у: -уп

V э

р

пЬ

И

— г

пЬ

(2)

0Г1 - 20" +0Г1

0п _20п +0п

к , '-'к+1 ^П ТИ-1____________ ,-п

-1- . -р-АЧ..

И2

В данной системе т - приращение по оси времени, а И - приращение по оси координат (рис. 2).

Подставляя начальные и граничные условия и соответствующие значения тока, можно подсчитать мгновенные значения тока, поляризации, концентраций продукта и реагента. Ток в каждой точке пространственно-временной схемы (см. рис. 2) можно рассчитать по следующей формуле [1]:

ехр

{

с^ с0

Vе 2 у

ехр

(1~«),

аЪ

-ц

к =

Л

1+0-

£

-а©

1+-

£

1+-

4.

(3)

+к

у = -к/ V.

р'

Рис. 4. График зависимости поляризации электрода от координаты при постоянном времени ¿=0,4 с

|п -104 В

2.99 92 6584 698 082

2.99 92 6584 698 082

2.99 92 6584 698 081 2,99926584 698 081

2.99926584698080

2.99926584698080

2.99926584698080

2.99926584698079

2.99926584698079

2.99926584698078

2.99926584698078

0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 w, см/с

Рис. 5. График зависимости поляризации электрода от скорости прокачки электролита при постоянном времени 0=0,4 с) и координате ^=0,12 см)

Здесь іо - начальное значение тока; с\ и ^ - текущие значения концентраций продукта и реагента соответственно; С]0 и с2° - концентраций продукта и реагента при отсутствии тока.

Полученная математическая модель позволяет рассчитывать поляризационные характеристики пористых электродов в зависимости от параметров системы. Наряду с конкретными значениями характеристик полученные с помощью ЭВМ данные позволяют производить качественную оценку этих вычисленных характеристик в зависимости от параметров системы и объяснить их

В качестве примера рассмотрим жидкостный пористый электрод со следующими безразмерными и размерными параметрами:

Ь = 0,3 см; р = 25 Ом-см; П = 2,5 • 10-1; а = 0,5; і = 3210 см2/см3; А = 1,25 • 10-2; Ср = 1°-3 моль/см3; і0 = 2,5 • 10-8 а/см2.

Численные решения задачи позволяют установить зависимости поляризации электрода от времени (рис. 3) и координаты (рис. 4) прожждения электролита.

Изменяя скорость прокачки электролита, можно установить зависимости поляризации электрода от этого параметра (рис. 5).

В результате проведенной работы полученная математическая модель процесса массообмена в пористом электроде позволяет проанализировать влияние таких факторов, как скорость прокачки электролита и параметры пористой системы на протекание данного процесса. А это в итоге позволит оптимизировать подбор макрокинетических параметров для повышения эффективности электрохимических реакций, протекающих в пористых электродах.

Список литературы

1. Гуревич И.Г., Вольфкович Ю.М., Багоцкий В.С. Жидкостные пористые электроды. Минск: Наука итехника, 1974.

2. Тепло- и массообмен при фазовых и химических превращениях / И.Г. Гуревич, B.C. Багоцкий, А.А. Единович, И.А. Кедри некий. Минск, 1968.

List of literature

1. Gurevich I.G., Volfkovich U.M., Bagodskiy V.S. Liquid porous electrodes. Minsk: Science and technics, 1974.

2. Heat and mass exchange at phase and chemical transformations /

I.G. Gurevich, V.S. Bagodskiy, AA. Edinovich, I.A. Kedrenskiy. Minsk, 1968.