CC BY
28
хлор
нефтепродукты
Нефтепродукты задержанные на фильтре
Загрязнённая вода
Очищеннная вода
шлам (выбуренная порода, песок, глина) нефтепродукты, сорбированные
минеральные соли механические частицы песка и глины нефтепродукты, сорбированные на глине
минеральные соли механические частицы песка и глины нефте продукты, сорбированные на глине уголь
Рис. 6 - Технологическая схема № 3 с использованием комбинированного фильтра
на глине
Существенной проблемой является также присутствие в воде парафинов, образующихся на поверхности при отстаивании. Эффективность очистки сточных вод по всем трём схемам представлена на рисунке 5.
Исследования качества проб воды проводились на каждом этапе очистки (табл. 2).
Таким образом, наиболее эффективным будет применение технологической схемы № 3 с использованием комбинированного фильтра. Данная схема включает в себя предварительное отстаивание, нагревание и фильтрацию через комбинированный фильтр.
При такой очистке на первом этапе удаляется большая часть шлама и нефтепродуктов, на втором этапе удаляется некоторое количество минеральных солей, механических частиц, нефтепродуктов и хлора, на третьем этапе удаляется также часть солей, механических частиц и нефтепродукты (рис. 6). Также при очистке по данной схеме уменьшается щёлочность сточных вод.
Эффективность данного способа очистки на первом этапе отстаивания составляет 60%, от взвешенных частиц после фильтрования — 52%, а от нефтепродуктов — 60%. Достоинством данного способа является возможность многоразового использования фильтров. Однако данный способ не
удаляет в достаточном количестве минеральные соли и высокотоксичные соединения. Также данный способ является энергозатратным и требует дополнительного аппаратного обеспечения для нагрева сточных вод.
Литература
1. Шабанова С.В. Воздействие предприятий нефтегазового комплекса на окружающую среду Оренбургской области / С.В. Шабанова, А.С. Голофаева, Е.А. Сердюкова, Н.П. Мозалова // Молодой учёный. 2016. № 9.1 (113.1). С. 61-62.
2. Систер В.Г., Миташова Н.И., Кольцова Е.С. Очистка сточных вод АЗС от нефтепродуктов // Известия МГТУ «МАМИ». 2013. № 3(17). Т. 2. С. 35-40.
3. Пашаян А.А., Нестеров А.В. Проблемы очистки загрязнённых нефтью вод и пути их решения // ЭКиП: Экология и промышленность России. 2008. № 5. С. 32-35.
4. Шабанова С.В. Загрязнение окружающей среды предприятиями нефтегазового комплекса Оренбургской области / С.В. Шабанова, А.С. Голофаева, Е.А. Сердюкова, Н.П. Мо-залова // Современные тенденции развития науки и технологий. 2015. № 9. С. 27-29.
5. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. 288 с.
6. Рябых В.В., Солопова В.А. Повышение эффективности методов и способов механической очистки воды от органических загрязнений // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. 2014. № 8. Т. 1. С. 91-92.
7. Кузубова Л.И., Морозов С.В. Очистка нефтссодержащих сточных вод: Аналит. обзор / СО РАН. ГПНТБ, НИОХ. Новосибирск, 1992. 72 с.
8. Очистка поверхностных сточных вод методом последовательного объёмного и поверхностного фильтрования / В.А. Жигульский [и др.] // ЭКиП: Экология и промышленность России. 2009. № 10. С. 8-9.
Оценка проектных решений при конструировании пластин звеньев приводных роликовых цепей
М.Ю. Тарова, аспирантка, С.В. Каменев, к.т.н., А.П. Фот, д.т.н, профессор, ФБГОУ ВО Оренбургский ГУ
Цепные передачи находят широкое применение в сельскохозяйственных, подъёмно-транспортных, дорожно-строительных машинах, в приводах конвейеров и т.д. Используются в приводах для
передачи движения между параллельными валами, расположенными друг от друга на значительном расстоянии, большем, чем позволяют зубчатые передачи.
Простота конструкции, высокий коэффициент полезного действия (до 0,98), малые габариты по сравнению с ременными передачами, постоянное
значение среднего передаточного числа, простота монтажа, возможность одновременной передачи энергии одним цепным контуром от ведущего вала нескольким ведомым валам, компенсация погрешностей изготовления и монтажа элементов передачи, эксплуатация на нежёсткой раме — достоинства цепных передач, которые обеспечивают их широкое применение.
Повышение скоростей и нагрузок в цепных передачах и расширение области применения цепного привода в высокопроизводительных машинах и агрегатах требуют дальнейшего повышения качества и надёжности цепей, что может быть достигнуто путём совершенствования конструкции их элементов и методов расчёта элементов.
Одним из направлений совершенствования цепных передач является повышение работоспособности приводных роликовых цепей за счёт конструктивных изменений пластин звеньев цепей, изменения их формы и обеспечения оптимального соотношения размеров. Вопросы конструирования и расчёта цепей рассмотрены в работе профессора Н.В. Воробьёва, посвящённой совершенствованию цепей с точки зрения износостойкости и усталостной прочности [1]. Наиболее подверженными усталостному разрушению в цепях являются пластины внутренних звеньев цепи, у которых в области отверстий под втулки звена наблюдается высокий уровень концентрации напряжений [1].
Повышение усталостной прочности элементов цепей в связи с ростом нагрузок и скоростей в цепных приводах является особо актуальной задачей [2, 3]. При этом экспериментальные исследования с проведением физических экспериментов по определению долговечности сопровождаются значительными материальными и временными затратами. С целью снижения упомянутых затрат необходимо разработать методику сравнительной оценки вариантов цепей на стадии проектирования, что возможно в настоящее время при использовании современных ЭВМ и соответствующего программного обеспечения.
Материал и методы исследования. Длительная работа деталей машин в условиях переменного нагружения сопровождается процессом возникновения и развития усталостных трещин, в конечном итоге приводящим к разрушению деталей. Длительность процесса определяется условиями эксплуатации (уровнем нагрузок и характером их изменения, факторами окружающей среды и др.), свойствами материала детали и её конструктивными особенностями.
В настоящее время существует множество подходов к определению долговечности деталей, но в большинстве случаев основным параметром её оценки является число N циклов нагружения детали до её разрушения. При этом по результатам экспериментальных исследований либо определяют предел выносливости ам по кривым выносливости
А. Вёллера, либо по кинетическим диаграммам усталостного разрушения определяют скорость Утр роста трещин по закону П. Париса [4].
Для кривых А. Вёллера выдерживается условие (1):
{*Ф)т-Щ = (окТ-Нк, (1)
где <5ф и ам - разрушающее напряжение, МПа, при заданном Nф числе циклов нагружения и предел выносливости при базовом ^ числе циклов нагружения соответственно (для сталей в большинстве случаев принимают ^ = 107 циклов);
т - показатель степени, константа, значение которой зависит от свойств материала и конструкции испытываемой детали.
Скорость ¥тр роста трещин по закону П. Париса определяется зависимостью (2):
= —= С-(Дку,
тр ^
(2)
где I - длина трещины, м;
АК - размах коэффициента К интенсивности напряжений (КИН) в вершине трещины, МПа ■ м05;
С и п - константы, значения которых зависят от свойств материала детали.
Значения констант т, С и п зависят от большого числа факторов и имеют весьма широкие интервалы варьирования.
Например, в исследованиях цепных передач установлены значения т: 4,19; 6,53; 7,15; 7,21; 8,12 (для приводных роликовых цепей различных заводов-изготовителей) [1]; 3,97 (для приводных цепей зерноуборочных комбайнов) [5]. Обобщающий интервал: т = (3,97—8,12).
Определению значений КИН посвящено большое количество специальных работ [6]. В нашем случае для расчёта значений КИН для формулы (2), как и при оценке напряжённо-деформированного состояния пластин, применены подходы с использованием универсальной САЕ-системы «ANSYS» [7]. Для назначения констант С и п были приняты данные известных исследований (для стальных образцов): С = (1,6-3,2) ■ 10-14 и п = 2-10 [4]; С =(2,35)-10-8 и п = 3 [8]; С = (0,78-1,18) ■ 10-10 и п = 4,41-4,42 [9]; С = (9,04) ■ 10-16...(2,05) ■ 10-10; п = 3,69-12,18 [10]. Обобщающие интервалы: С = (9,04) ■ 10-16...(2,35) ■ 10-8; п = 2,00-12,18.
Результаты исследования. Материал статьи отражает варианты сравнительной оценки пластин роликовых цепей с шагом 25,4 мм, выполненных по требованиям ГОСТа 13568-97 в форме восьмёрка (тип 0), и двух типов I и II модифицированных пластин с плоскими участками (уплощениями) на боковых гранях [2]. Во всех сравниваемых исполнениях пластин остаются постоянными геометрические размеры: ширина пластины наибольшая Ь = 23 мм; ширина пластины наименьшая (поясок восьмёрки) Ь1 = 18 мм; толщина пластины 5 = 3,2 мм; диаметр отверстий в пластине под втулку
й =11,67 мм. Значения разрушающих напряжений аг при статическом нагружении разрывной силой Г, равной 32,5 кН, равны 896,403 МПа. Массы пластин типов 0, I и II различны и составляют 17,971; 19,352 и 20,379 г соответственно. Расчётные значения коэффициентов концентрации напряжений апк в сечениях пластин 0, I и II (в области отверстий) равны 2,838; 2,709 и 2,603 соответственно [2].
По первому варианту оценки, преобразуя зависимость (1), получим:
до>
(3)
где Ы1 и Ыц — числа циклов нагружения при уровнях напряжений а1 и ои пластин типов I и II соответственно;
стж — предел выносливости стандартной пластины при базовом числе циклов нагружения (^0 примем равным 107).
Предел выносливости стД0 стандартной цепи равен (1/7—1/5) аг [1]. С учётом уменьшения значений коэффициентов концентрации напряжений аак1Д в сечениях пластин I и II по сравнению с коэффициентом концентрации апк0 в стандартной пластине значения а1 и ои будут определяться (4):
(1/7..Л/5)-аг
Ок1
оД0 =(1/7...1/5)-а,
(адао /а,«) (ао«о/ОС№я)
и (4)
После подстановки (4) в (3) при NR0 = 107 и т = 6 (среднее для цепей отечественного производства [1]) и указанных ранее значениях коэффициентов концентрации получим:
М,=
[О 1^2,709 J
•107 = 1,32 1 07;
/ 2^838 Л 6 2,603
•107 = 1,68 107.
Таким образом, расчётное увеличение долговечности пластин типов I и II составляет около 32 и 68% соответственно. Реальный эффект от замены стандартных пластин модифицированными типов I и II несколько снижается в связи увеличением массы последних (на 7,68 и 13,40% соответственно), но остаётся существенным.
Во втором варианте оценки с учётом результатов работы [10] произведено сравнение пластин с использованием кинетических диаграмм усталостного разрушения на основе определения размаха КИН с применением универсальной САЕ-системы «ANSYS» и построения кривых усталости в двойных логарифмических координатах — (с учётом зависимости КИН от FN — разрушающей нагрузки при заданном числе циклов нагружения). Было принято, что значение КИН не должно
превышать критических значений, ведущих к катастрофическому разрушению испытываемых пластин. Из двух предусмотренных в «ANSYS» альтернативных методов вычисления коэффициентов интенсивности напряжений (метода экстраполяции перемещений и метода интеграла взаимодействия) эффективнее представляется использование второго метода, более простого с точки зрения технической реализации, менее требовательного к качеству расчётной сетки и обеспечивающего более высокую точность вычислений. Длина I трещины в пластине, соответствующая моменту начала разрушения пластины, принималась равной 10% высоты разрушаемого сечения (для испытываемых пластин — около 0,6 мм). Принято также, что процесс развития трещины (на стадии устойчивого роста трещины), описываемый зависимостью (2), происходит в области многоцикловой усталости (при значениях N в интервале значений от 105 до 108 циклов нагружения пластины). Результаты расчёта представлены на рисунке графиками 0, I и II для пластин соответствующих типов (данные по скорости роста трещин получены при значениях констант в модели (2): С =8-10-16; п = 4).
Как следует из графиков, увеличение долговечности (расстояние по горизонтали между прямыми 0 и I и между прямыми 0 и II) составляет для пластин типов I и II около 29 и 75% соответственно (отличие от результатов расчёта по модели (1) составляет примерно 10%).
Сравнительный анализ преимуществ использования моделей (1) и (2) показывает, что подготовка данных для расчётов по модели (1) менее трудоёмка и проще, поскольку не требуется воспроизведение геометрии трещины и формирование специальной расчётной сетки, в результате чего общее время процесса расчёта примерно на 10% меньше, чем для модели (2). Вместе с тем модель (2) позволяет оценивать долговечность пластин с учётом допу-
Нагрузка,
Г, кН 32 4
Гип 0
Тип I
Гип I
105 3,16105 106 3,1610' 107 3,16107
Число циклов нагружения, N
Рис. - Графики 0, I и II для пластин соответствующих типов
16
8
4
скаемого значения размера трещины, ведущей к разрушению пластины.
Вывод. Оценка проектных решений при конструировании пластин звеньев роликовой цепи с использованием универсальной САЕ-сис-темы «ANSYS» может производиться двумя способами.
Первый способ включает нахождение: 1) прогнозных значений коэффициентов концентрации напряжений в опасных сечениях пластины; 2) прогнозных значений долговечности пластин с использованием кривой выносливости А. Вёллера.
Второй способ включает нахождение: 1) раз-махов коэффициента интенсивности напряжений; 2) прогнозных значений долговечности пластин по кривой выносливости на основе кинетической диаграммы усталостного разрушения пластин.
С целью исключения выбора завышенного значения долговечности рекомендуется определять её двумя способами и принять к оценке меньшее из полученных значений.
Литература
1. Воробьев Н.В. Цепные передачи: монография. М.: Машиностроение, 1968. 262 с.
2. Каменев С.В., Лапынина М.Ю., Фот А.П. Модификация пластин звеньев приводных роликовых цепей // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 9. С. 193-199.
3. Каменев С.В., Лапынина М.Ю., Фот А.П. Определение рациональных соотношений размеров пластин звеньев приводных роликовых цепей // Вестник машиностроения. 2015. № 6. С. 43-48.
4. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твёрдых тел: курс лекций. СПб.: Профессия, 2002. 320 с.
5. Щеглов Е.В. Совершенствование технологии обслуживания втулочно-роликовых цепей зерноуборочных комбайнов: автореф. дисс. ... канд. техн. наук; спец. 05.20.03. М.: ВНИИТРЭМТП, 2008. 17 с.
6. Ито Ю., Мураками Ю., Хасебэ Н. и [др.]. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах; Пер. с англ./ Под ред. Ю.Мураками. М.: Мир, 1990.
7. Каменев С.В. Напряжённо-деформированное состояние пластин звеньев приводных роликовых цепей // С.В. Каменев, М.Ю. Лапынина, А.П. Фот, В.И. Чепасов // Вестник Оренбургского государственного университета. 2014. № 1. С. 196-202.
8. Батов Г.П. Определение параметров уравнения Пэриса методом обратного моделирования роста трещины в образце / Г.П. Батов, А.С. Куркин, А.С. Бирюков, А.В. Гриневич // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 12. Т. 73. С. 41-43.
9. Тихомиров В.М. Рост трещины при знакопеременном цикле нагружения // Прикладная механика и техническая физика. 2008. № 5. Т. 49. С. 190-198.
10. Прокопенко А.В. Связь между диаграммой усталостного разрушения и кривой усталости / А.В. Прокопенко, А.М. Ху-тыз, В.М. Степков, А.Г. Крысин, В.В. Пеленко // Проблемы прочности. 1991. № 11. C. 38-44.
