CC BY
67
И.А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99. Бюл. № 13.
4. Патент РФ № 2271243 МКИ ВО1Б 3/18. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, А.В. Евсеев, Т.А. Овчинникова, К.В. Власов, О.В. Карпухина. Опубл. 10.03.06. Бюл. № 7.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., ews1972@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE FUNCTIONAL CLASSIFICATION OF NONMIXTURE PRODUCTS
AND DEVICES.
A.V. Yevseev
The authors suggest using a structure constructed on the mutual dependence of fractions and states of the components being mixed and the mixing technologies and mixing equipment being used respectively as one of the classifications of mixture products.
Key words: the classification of mixture products, mixing technologies, mixing equipment.
Yevseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ews1972@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.922: 621.921.34
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕСИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИНТЕЗА
А.В. Евсеев, А.В. Лобанов
Специфика технологии изготовления алмазного абразивного инструмента методом порошковой металлургии накладывает существенные ограничения на использование традиционного подхода оценки качества смеси по ключевому компоненту. Авторы предлагают новый критерий оценки качества смеси, базирующийся на информационной энтропии системы и позволяющий учесть распределение всех компонентов смесевого продукта.
Ключевые слова: абразивный инструмент, порошковая металлургия, критерий оценки качества смеси, ключевой компонент.
Для приготовления алмазосодержащих и безалмазных смесей, применяемых при изготовлении алмазного абразивного инструмента методом порошковой металлургии, используются те же методы смешивания, общие для всех смесей порошкообразных материалов. Однако специфика метода
SS
порошковой металлургии, заключающаяся в наличии смеси расплавляемых при спекании компонентов, приводит к тому, что «классический» подход к оценке качества смешивания по распределению ключевого компонента не всегда приемлем по следующим причинам [2, 3].
1. Современные металлические связки алмазного абразивного инструмента, изготовляемого методом порошковой металлургии, являются многокомпонентными. Применяемые порошки различаются по величине и форме зерна, удельной плотности. Каждый из компонентов по-своему важен. Выделить один ключевой компонент невозможно.
2. Компоненты этих связок по их количественному присутствию в смеси можно разделить на три группы: основной (не расплавляемый при спекании) компонент, расплавляемые компоненты (для пропайки основного компонента при спекании) и присадки (преимущественно расплавляемые). Объемное количественное соотношение вышеуказанных групп компонентов в смеси в зависимости от марки связки изменяется в следующих пределах: основной компонент - 80...90 %; расплавляемый компонент -10...20 %; присадки - до 2 %. Таким образом, в рассматриваемом случае на роль ключевого компонента претендуют компоненты второй или третьей групп, расположение которых существенно изменяется при спекании. С этой точки зрения качество смеси необходимо оценивать по распределению нерасплавимого основного компонента, т.е. принцип ключевого компонента исключается.
3. При наличии в смеси алмазных зерен становится практически невозможно приготовление шлифов. Расположение самих алмазных зерен возможно лишь в спеченных образцах или готовом инструменте [3].
Проиллюстрировать вышеприведенное можно на следующем эксперименте. В исследуемый смеситель типа «пьяная бочка» загружалось в каждый из двух барабанов по 1,5 кг исходной массы связки МО1. Соотношение компонентов по массе: медь - 86,28 %, олово - 11,76 %, никель-марганец - 1,96 %. Коэффициент заполнения емкости - 0,4. Угол наклона оси барабана к горизонту 45°. Частота вращения 80 мин-1. Время смешивания 6 часов (рекомендуемое время смешивания по существующей технологии по разным источникам составляло 1,5 и 6 часов) [1].
В течение всего времени смешивания через каждые 30 мин из одной емкости смесителя отбирались пробы смеси. За один раз отбирались 5 проб из разных мест барабана, каждая массой около 2 г. Для предупреждения нарушения достигнутого в смесителе распределения компонентов, проба зачерпывалась с помощью мерной емкости и пропитывалась вазелиновым маслом. Пропитанная проба пересыпалась в опрессовочное приспособление. Опрессовка осуществлялась под давлением 250 МПа, обеспечившим практически полное уплотнение брикета и удаление пор.
Из полученных образцов были приготовлены шлифы, на основе которых исследовалось содержание каждого компонента в пределах микро-
площади размером 1,6*1,6 мм. Для выявления зерен олова образцы протравливали 5 %-ным водным раствором соляной кислоты. В пределах каждой микроплощади подсчитывалось количество зерен олова и никель-марганца. Для каждого времени отбора проб было исследовано по 100 микроплощадей. Работа проводилась с применением микроскопа модели «Кео1Ы 21» при 160-кратном увеличении [4].
Критерием оценки качества смеси был выбран наиболее широко распространенный коэффициент вариации [1], позволяющий исключить зависимость рассматриваемого отклонения от заданной величины
1 п 2
1 К - с),
п - 1І=1
где сI - концентрация ключевого компонента в г-й пробе; с - среднее значение концентраций компонента в пробах; п - число проб.
В качестве ключевого компонента для сравнения были взяты следующие компоненты: олово (расплавляемый компонент) и никель-
марганец. Расчеты произведены для обоих вариантов. Для сравнения коэффициент вариации был рассчитан и на основе ключевого компонента. Результаты представлены в табл. 1 и проиллюстрированы на рис. 1.
Зависимость качества смеси (коэффициент вариации) от времени смешивания
Время смешивания, ч 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Коэффициент вариации Кс, % Ключевой компонент — олово
52, 3 60, 7 69, 8 83, 6 87, 2 74, 1 71, 0 73,3 69, 2 72, 8 8 , 107, 5
Ключевой компонент — никель-марганец
76, 3 63, 6 84, 9 84, 1 93, 2 81, 4 81, 1 104, 8 98, 9 61, 7 88, 6 72,5
Как видно из графика зависимости коэффициента вариации от времени смешивания, кривые для различных ключевых компонентов имеют различную форму и не имеют общих тенденций возрастания, убывания и пиков. Каждый из ключевых компонентов дает свое оптимальное время смешивания. Кривая коэффициента вариации, рассчитанного на основе ключевого компонента меди, малоинформативна.
Альтернативными критериями оценки качества смесевых продуктов, применяемых при изготовлении алмазного абразивного инструмента методом порошковой металлургии, должны быть критерии, позволяющие описывать как характер распределения отдельных составляющих компо-
нентов смеси, так и состав смеси в целом.
В этом качестве могут использоваться критерии, основанные на информационной энтропии
т
Н = £ Р11°ар-»
I=1
где т - число состояний объектов; р г - вероятность принятия случайным объектом г-го состояния.
Рис. 1. Зависимость степени идеальности смеси от времени смешивания
Энтропия системы, состоящей из нескольких составных частей представляет собой алгебраическую сумму энтропий частей системы. Оценка энтропии реальной смеси по результатам анализа г проб, содержащих у компонентов, производится по следующей формуле:
1 1
т
(Н V =- ££
тк;=1у=1
где к - количество проб в выборке; т - число возможных состояний объекта; с у - концентрация ^го компонента в г-й пробе.
Использование для оценки качества смеси энтропии системы в чистом виде нецелесообразно, т.к. она зависит не только от распределения компонентов в смеси, но и от количества компонентов, их долевого соотношения, а так же выбора основания логарифма. Необходимо сравнение энтропии реальной системы с некоторым идеальным ее значением для заданного числа и соотношения компонентов [3]. В качестве такого критерия оценки качества многокомпонентных смесей предлагается следующий критерий, названный степенью идеальности смеси
П = 1-
|но —н )
У
1
m
где Н0 = — ^ cilog ci - энтропия идеальной в статистическом смысле сис-mi=1
темы, приходящаяся на один компонент.
Физический смысл данного критерия заключается в следующем. Степень идеальности смеси представляет ту долю смеси, для которой соблюдается статистическое распределение компонентов.
Результаты описанного ранее эксперимента [5], описываемые при помощи предложенного критерия, представлены в табл. 2 и проиллюстрированы на рис. 2.
Таблица 2
Зависимость качества смеси (степени идеальности смеси)
Время смешивания, ч 1 k Величина — £ c j logc j для компонентов k j=1J J Энтропия системы, Н0 Степень идеальности смеси П, %
олово никель-марганец медь
0,5 0,0871 0,0335 0,0452 0,0552 62,3
1,0 0,0725 0,0292 0,035 0,0455 75,6
1,5 0,0982 0,0356 0,0557 0,0631 86,4
2,0 0,0361 0,0163 0,0157 0,0224 30,7
2,5 0,0293 0,00892 0,0107 0,0163 22,3
3,0 0,0529 0,0285 0,0255 0,0356 48,7
3,5 0,0649 0,0259 0,0307 0,0405 54,7
4,0 0,0575 0,0324 0,0296 0,0398 54,4
4,5 0,0161 0,0345 0,0458 0,0471 64,4
5,0 0,0711 0,0444 0,0462 0,0529 72,3
5,5 0,0377 0,0163 0,0162 0,0234 32,0
6,0 0,0918 0,0541 0,0622 0,0693 94,8
Рис. 2. Зависимость степени идеальности смеси от времени смешивания
Как видно из табл. 2, наибольший вклад в формирование общей энтропии системы оказывают компоненты смеси, отнесенные ко второй группе. В данном случае это оловянный порошок, а потенциально к этой группе следует относить и алмазные порошки. На втором месте по вкладу в общую энтропию системы находится основной компонент связки. Таким образом, введенный критерий позволяет учесть все наиболее важные компоненты смеси.
Список литературы
1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 211 с.
2. Лукаш А.Н. Эволюция смесительной техники: сб. кратких докладов межд. семинара «АПИР-6». Тула: ТулГУ, 2002. С. 45-47.
3. Патент РФ № 2129911 МКИ ВО1Б 3/18. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, И.А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99. Бюл. № 13.
4. Новая технология формирования рабочего слоя алмазных кругов: сб. кратких докладов межд. семинара АПИР-6. Тула: ТулГУ, 2002.
5. Исследование работоспособности алмазного инструмента из алмазосодержащей смеси, полученной методом детерминированного формирования смесевых продуктов. Технологическая системотехника: сборник трудов Первой международной электронной научно-технической конференции. Тула: Гриф и К0, 2002.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., ews1972@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лобанов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доц., ABLOBANOV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
ESTIMATE OF THE QUALITY OF THE MIXTURE OF POWDER MATERIALS FOR MAKING DIAMOND TOOLS ON THE BASIS OF THE PHYSICAL MODEL OF SYNTHESIS
A.V. Yevseev, A.V. Lobanov
A specific character of the technology of making diamond abrasive tools by the method of powder metallurgy sets considerable restrictions on the use of the traditional approach to the estimate of the quality of the mixture according to the key component. The authors suggest a new criterion of estimate of the quality of the mixture based on the information entropy of the system and allowing to take into account the distribution of all components of the mixture product.
Key words: abrasive instrument, powder metallurgy, the criterion of estimation of the quality of mixture, key component.
Yevseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ews1972@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
93
Lobanov Alexandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ABLOBANOV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.375.5:69.058.8
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ В ЗАДАЧАХ РАЗРУШЕНИЯ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВЗРЫВОМ
Г.Т. Володин, А.С. Новиков
Дано приближенное решение задачи о гарантированном разрушении открытой пологой цилиндрической оболочки взрывом неконтактного заряда конденсированного ВВ в воздухе. Построенная математическая модель учитывает существенные прогибы оболочки, которые могут быть сравнимы с ее толщиной (геометрическая нелинейность). Решение начально-краевой задачи выполнено методом наименьших квадратов, обобщенным на случай систем нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Учтены статистические характеристики прочности материала оболочки и динамический характер внешней взрывной нагрузки, применён, обобщенный на динамическое нагружение, критерий разрушения материала оболочки - динамический критерий энергии формоизменения.
Ключевые слова: заряд конденсированного ВВ, взрывная нагрузка, упругое деформирование, гарантированное разрушение, метод Б.Г. Галеркина, критерий разрушения, геометрическая нелинейность, большие прогибы.
Нахождение условий гарантированного разрушения оболочечных элементов конструкций является актуальной научно-технической проблемой при проектировании взрывозащитных инженерных сооружений, несущих элементов конструкций взрывоопасных производств, определении технических условий специальных складов боеприпасов, утилизации крупногабаритных элементов конструкций, в военном деле и т.д.
Указанные задачи сводятся к необходимости определения связи между геометрическими, механическими характеристиками оболочки, условиями ее закрепления в составе некоторой конструкции с энергетическими и геометрическими характеристиками заряда ВВ, его расположением в пространстве ближней зоны относительно рассматриваемой конструкции, приводящей при взрыве к её гарантированному разрушению [1].
В работах Т.М. Саламахина [2, 3] рассмотрена проблема воздействия импульсной нагрузки, созданной взрывом неконтактных зарядов конденсированных ВВ различных форм в ближней области взрыва, для балочных элементов конструкций. Получены соотношения для удельного им-
