CC BY
223
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
П.Н. Белкин ЭЛЕКТРОХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И ТИТАНА
Выполнен обзор научных исследований коллектива кафедры общей физики за последние 15 лет, посвященных явлению анодного нагрева в водных электролитах и его применению для скоростной обработки металлов и сплавов.
Большая часть исследований связана с изучением механизма явления анодного нагрева в водных растворах электролитов. Нагревание электрода с малой поверхностью, в частности, анода обусловлено формированием сплошной и устойчивой парогазовой оболочки (ПГО), окружающей анод. Эмиссия анионов электролита в оболочку обеспечивает прохождение через нее электрического тока, который приводит к разогреву парогазовой среды и окруженного ею анода до температур 4001000 °С в зависимости от величины приложенного напряжения. На базе эмиссионного механизма проводимости ПГО [1] предложен ряд моделей, описывающих основные закономерности анодного нагрева. Скоростной нагрев изделия-анода позволяет выполнять некоторые виды термической или химико-термической обработки металлов и сплавов, которые будут рассмотрены ниже.
Теплофизические особенности анодного нагрева
Нагрев анода реализуется в трёхфазной системе, которая содержит ПГО, отделяющую металлический анод от водного раствора электролита (рис. 1). В этой оболочке выделяется тепло, обусловленное прохождением электрического тока. Здесь обозначены q¡ - плотность теплового потока, направленного из оболочки в раствор
НЕЙ
электролит оболочка анод
Рис. 1. Схема тепловых потоков в анодной парогазовой оболочке
электролита, qs - плотность теплового потока, расходуемого на испарение электролита, и qa -плотность теплового потока, направленного из оболочки в анод. Распределение температуры в оболочке, а также вольт-амперные (ВАХ) и вольт-температурные (ВТХ) характеристики анодного нагрева находятся решением уравнения теплопроводности в оболочке с надлежащими граничными условиями.
Объёмная мощность источников тепла в оболочке, обладающей определённой электропроводностью, может быть записана тремя способами. В простейшем случае предполагается, что прохождение тока подчиняется закону Ома. Постоянную удельную электропроводность парогазовой фазы можно оценить по экспериментальным измерениям температуры анода, используя решение уравнения теплопроводности для ПГО. Например, при нагреве стального цилиндрического образца диаметром 8 мм, погружённого в 15%-ый водный раствор хлорида аммония на глубину 90 мм удельная электропроводность оболочки оказывается равной (4 ± 1)-10-3 Ом-1-см-1 [2].
Второй вариант предусматривает учёт роли пространственных зарядов в анодной оболочке, которыми являются анионы электролита, эмитированные из него под действием электрического поля [3]. Здесь предполагается, что плотность тока (и скорость дрейфа анионов) пропорциональны напряжённости электрического поля в оболочке. Третий вариант связан с учётом влияния пространственного заряда в более сильных электрических полях, когда плотность тока анионов
] = *р.4ё[4].
Стационарная плотность теплового потока из оболочки в раствор может быть аппроксимирована следующей эмпирической зависимостью
ql=qo+(Р+ гу) и (1)
где q0 = 0,9 МВт/м2, ¡ = 3 кА/м2, у= 1,26-105 Кл/м3, у1 - скорость продольного обтекания образцов электролитом, и - напряжение. Выражение получено для нагрева цилиндрического образца диаметром 8 мм, погруженного в 15%-ный раствор хлорида аммония на 90 мм, при напряжениях от 140 до 270 В и скоростях продольного обтекания анода от 0,34 до 1,42 см/с [5]. Значения плотностей тепловых потоков изменяются от 1,3 до 2,4 МВт/м2 при средней погрешности измерений 0,2 МВт/м2, что несколько превышает величину второго критического теплового потока для кризиса кипения воды с температурой 20 °С, равную 1,16 МВт/м2.
Плотность теплового потока, направленного из оболочки в анод q , является малой величиной по сравнению с теплом, поступающим в раствор электролита, согласно измерениям теплового баланса в системе [6]. В простейших случаях ею пренебрегают. Тогда стационарная температура анода может быть рассчитана следующим образом. Распределение температуры в ПГО, позволяющее найти температуру анода, находится решением уравнения теплопроводности в слое пара, где действуют объемные источники тепла. На границе оболочки с анодом тепловой поток считается нулевым, температура пара на границе с электролитом будет равна температуре его насыщения. Расчетная зависимость температуры анода от условий нагрева содержит неизвестную толщину оболочки 8, которая исключается добавлением второго уравнения - плотности теплового потока из оболочки в электролит. Полученная ВТХ оказывается возрастающей, а ВАХ -падающей, что качественно отражает факт расширения ПГО по мере увеличения напряжения нагрева. Выполнен анализ моделей и значимости учета температурной зависимости коэффициента теплопроводности пара и роли пространственного заряда [7; 8].
Рассчитан профиль ПГО, основанный на решении двух уравнений: ламинарного движения пара и теплопроводности в ПГО для условий продольного обтекания анода электролитом [9; 10] и при естественной конвекции электролита [11]. Полученные профили соответствуют форме парового слоя при пленочном кипении, порядок толщины оболочки составляет десятки микрометров. Показано также, что зависимость средней толщины оболочки от напряжения адекватно описывает ее расширение при увеличении напряже-
ния. Применение расчетных профилей ПГО в расчетах температуры анода приводит к падающим ВАХ и возрастающим ВТХ.
Рассмотрен также нагрев полубесконечного цилиндрического анода, погружённого в электролит на конечную длину. Выступающая из электролита полубесконечная часть соответствует системе крепления и токоподвода к нагреваемому образцу, где осуществляется конвективный теплообмен с окружающей атмосферой [12; 13]. Уравнение теплопроводности в слое пара решено в цилиндрической системе координат с учётом пространственных зарядов в парогазовой оболочке. Также учтен теплообмен с анодом по закону Ньютона - Рихмана. Численное решение получаемой системы уравнений даёт профиль расширяющейся вверх оболочки, содержащий конечную толщину в нижней части системы без дополнительных условий. Следует отметить отсутствовавший в предыдущих расчётах краевой эффект - значительное расширение оболочки в её верхней части. Этот результат косвенно подтверждается экспериментальными данными, свидетельствующими о более резком снижении температуры анода на границе погружённой и выступающей частей, что объясняется перегревом электролита в верхний слоях.
Установлены новые закономерности теплообмена между анодом и парогазовой оболочкой с помощью модифицированной модели, которая применялась для расчёта профиля оболочки с учётом вертикального градиента температуры [12]. Формальное применение закона Ньютона - Рихмана с коэффициентом теплоотдачи от оболочки к аноду позволяет получить систему уравнений, связывающих теоретическое распределение температуры по поверхности анода с плотностью теплового потока из оболочки в анод. Температура поверхности анода аппроксимировалась полиномом по экспериментальным данным. Результатом расчета являются толщина оболочки и плотность теплового потока в нагреваемый образец-анод как функции вертикальной координаты [14]. В частности, измерялась температура цилиндрических образцов из стали 45 диаметром 10 мм и длиной от 20 до 70 мм, нагреваемых в 10%-ом водном растворе ацетата аммония. Расход электролита при вертикальном обтекании образцов поддерживался на уровне 3 л/мин, температура электролита на выходе из еплообменника составляла 25 °С.
Рис. 2. Плотность теплового потока через боковую поверхность анода длиной 2 см. Напряжение нагрева 280 В
Оказалось, что плотность теплового потока из оболочки в анод линейно убывает в вертикальном направлении, но при некотором значении координаты она меняет знак (рис. 2). Этот результат совпадает с данными расчета температурного поля вертикально нагреваемого цилиндрического анода [15]. На рисунке 3 представлена схема анодной парогазовой оболочки. Рассчитанная поверхность максимальной температуры отстоит от анода не более чем на 5 мкм, что не превосходит 20% максимальной толщины оболочки. Зависимости плотности теплового потока от величины напряжения нагрева в изученном диапазоне не выявлено.
Полученные результаты показывают, что введённая ранее условная теплоотдающая поверхность - поверхность максимальной температуры в парогазовой оболочке [16], может считаться таковой лишь в нижней части системы. Более высокая удельная теплопроводность металлического анода приводит к тому, что его верхняя часть получает тепло от своей же нижней части, а не от контактирующей с ней парогазовой оболочки. Формальный расчёт коэффициента теплоотдачи от верхней части анода к парогазовой оболочке дает значения 300-600 Вт/(м2-К), а от парогазовой оболочки к нижней части анода приводит к величинам порядка 105 Вт/(м2-К). По нашему мнению, это указывает на неприменимость использования коэффициента теплоотдачи для описания теплообмена при анодном нагреве.
В таком случае значимые различия экспериментальных данных можно объяснить, прежде всего, условностью измеряемой величины. При анодном нагреве нет ни явно выраженной теплоотдающей поверхности, ни гомогенной среды, получающей тепло. Формальное усреднение полученных коэффициентов теплоотдачи по всей длине анода дает значения, сопоставимые с ранее опубликованными [6; 16].
Плотность теплового потока qs, затраченного на испарение электролита , определялась измерением убыли объёма раствора за время эксперимента [17]. Эта доля тепла не превышает 8% от полной потребляемой мощности. В интервале напряжений 120-280 В плотность теплового потока, расходуемого на испарение электролита,
Рис. 3. Поверхность максимальной температуры (1) и профиль парогазовой оболочки (2) для анода длиной 2 см при напряжении нагрева 240 В
возрастает от 20 до 150 кВт/м2 при нагреве образца диаметром 8 мм, погружённого на 10 мм в раствор хлорида аммония. Увеличение размеров образца приводит к снижению плотности рассматриваемого теплового потока.
Механизм проводимости ПГО, основанный на эмиссии анионов электролита, дополнен возможными разрядными явлениями в диапазоне напряжений 260-300 В. Предполагается, что процессы возбуждения и ионизации в парогазовой среде могут сопровождаться разбрызгиванием электролита, что увеличит расход энергии в оболочке. Такое явление объясняет убывающий характер ВТХ при напряжениях 260-300 В [18] и наличие минимума на ВАХ нагрева титана [19].
Электрохимические особенности анодного нагрева
Механизм электрохимических реакций в условиях анодного нагрева во многом неясен. Предполагается, что на поверхности анода образуется проницаемая оксидная пленка, через которую уходят ионы железа (анодное растворение), поступает кислород (окисление) и могут диффундировать атомы легких элементов (азота, углерода, бора), если они имеются в ПГО [1]. Анализ изменения состава электролита (водного раствора хлорида аммония) позволил обнаружить некоторые закономерности и записать возможную схему реакции растворения железного анода [20]: Fe + 3Н20^ Fe(OH)3 +3Н+ +3е-, (2)
где Fe(OH)3 - идеализированная запись множественных форм Fe2O3(H2O)x и FeOOH(H2O)x.
Обнаружено также, что ионы железа находятся в электролите преимущественно в форме суспензии гидроксосоединений железа (II) и (III). Доля растворимых соединений железа составляет менее 5% от общего содержания в растворе. Показано, что ион хлора обеспечивает перенос заряда из ПГО к аноду, участвуя в цикле реакций, которые возвращают его в прианодную область электролита. Часть хлора удаляется из раствора в результате рекомбинации с ионами аммония в ПГО с последующей эвакуацией хлорида аммония из зоны нагрева. Наличие глицерина в составе электролита способствует увеличению доли растворимых форм железа (III), предположительно, за счет образования комплексов глицерином.
Обнаружен достаточно высокий ресурс хло-ридно-глицеринового электролита для цементации при нагреве в условиях естественной конвек-
ции. Уменьшение содержания глицерина не превышает 13% в течение 40 мин эксплуатации [21]. Результат подтвержден измерениями в условиях продольного обтекания деталей электролитом [22]. Там же показана возможность диагностики работоспособности электролита измерением коэффициента его прозрачности для света с длиной волны 0,65 мкм.
Электрохимико-термическая модификация поверхностей материалов
Высокотемпературное окисление поверхности анода приводит к образованию оксидной пленки, имеющей поры различной конфигурации толщиной примерно 100 нм (рис. 4). Через эти поры могут ускоренно диффундировать насыщающие компоненты (азот, углерод, или бор), адсорбированные на поверхности анода, что создает условия для реализации химико-термической модификации материалов.
Оценки углеродного потенциала насыщающих атмосфер для проведения электрохимической цементации показали, что существенный разброс данных различных исследователей связан с невысокой точностью измерений [23; 24]. Величины коэффициента диффузии углерода в малоуглеродистых сталях составляют от 0,85-10-7 см2/с до 17,0-10-7 см2/с при наиболее распространенной температуре 950 °С. Во многих методиках опубликованных исследований не предусматривалась стабилизация составов электролитов, сильно изменяющаяся в процессе эксплуатации. Не всегда корректно измерялась температура обработки, что недопустимо в условиях значительных температурных градиентов. Иногда цементация образцов проводилась без возможности измерения их температуры, например, тонких проволок [25].
Очевидно также, что металлографические оценки содержания углерода дают заниженные значения из-за усреднения результата по большому объему. Полученные значения не превышают 0,9% на поверхности образца. Более точные данные можно получить методом спектрометрии обратного ядерного рассеяния (ЯОР) протонов согласно которым поверхностная концентрация углерода может достигать 2% (масс.) [26; 27].
Возможности скоростной анодной цементации удалось распространить на упрочнение порошковых материалов на основе железа - желе-зографиты. Пористая структура спеченных же-лезографитов приводит к меньшим скоростям
Рис. 4. Микрофотография оксидной пленки на поверхности образца из стали 45 после насыщения углеродом в хлоридно-глицериновом электролита при температуре 960 °С в течение 5 мин с последующим охлаждением на воздухе
нагрева и более интенсивному окислению развитой поверхности [28]. По данным рентгеноструктурного анализа наиболее интенсивное окисление характерно для электролитов, содержащих сахар, промежуточное - для составов с глицерином, минимальное - для растворов с ацетоном. Наоборот, наибольший углеродный потенциал по оценкам металлографического анализа достигается в растворах с ацетоном (0,9%), средний - с глицерином (0,8%) и меньший -в растворах, содержащих сахар (0,7%). Достоинствами анодной цементации железографитов оказались измельчение зерен и сохранение перлитной сердцевины. Традиционная газовая цементация приводит к повышению концентрации углерода по всему объему изделия из-за диффузии структурно-свободного графита, что снижает механические свойства материала. Поэтому анодная цементация материалов ЖГр0,5Д2, ЖГр1Д2 или ЖГр 1Д2Мс3Кф0,5Б0,06 позволяет увеличить их твердость и износостойкость по сравнению с газовой цементацией [29].
Дополнительные возможности дает совместное насыщение сталей азотом и углеродом. Здесь
также обнаружено измельчение зерен по мере увеличения температуры обработки и повышение уровня микродеформаций, которые приводят к остаточным сжимающим напряжениям [30]. Наличие поверхностной карбонитридной зоны вместе с оксидным слоем позволяют существенно увеличить коррозионную стойкость стали 45 [31] и ее поверхностную микротвердость [32]. Цементация или нитроцементация аустенитной стали 12Х18Н10Т приводит к существенному увеличению ее микротвердости до 4,5 ГПа без снижения коррозионных свойств, в том числе без опасности межкристаллитной коррозии [33-35].
Осуществлено анодное борирование стали 45, позволяющее увеличить ее поверхностную микротвердость до 7,5 ГПа. Особенностью электрохи-мико-термического борирования является отсутствие хрупкого борида FeB по данным рентгеноструктурного анализа, что должно повысить механические свойства упрочняемого материала [36].
Неизбежным процессом, сопутствующим анодному нагреву в водных электролитах, является формирование оксидного слоя на поверхности анода. Установлено, что оксидирование
Номер канала
Рис. 5. Спектр ядерного обратного рассеяния протонов с энергией 7,45 МэВ на образцах титана ВТ1-0 после его обработки в хлоридно-аммиачном электролите при различных температурах
стали 45 при температурах 850-1000 °С приводит к значительному улучшению коррозионной стойкости в растворе серной кислоты 0,5 М при 20 °С и стабилизации потенциала в положительной области [37].
Аналогичные результаты получены при элек-трохимико-термической модификации титана, оксидирование которого существенно увеличивает сопротивление коррозии. С помощью метода спектрометрии ЯОР протонов исследован состав поверхностного слоя технического титана, модифицированного внедрением азота и кислорода [38]. На рисунке 5 представлены зависимости доли рассеянных протонов (выхода ЯОР) от номера канала регистратора, то есть от их энергии. За 5 минут обработки поверхностная концентрация азота и кислорода в диффузионной зоне достигает 10 и 13 ат.%, соответственно. Увеличение температуры обработки приводит к интенсификации процесса азотирования, при этом концентрация кислорода в диффузионном слое изменяется мало.
Методы управления анодным нагревом
Явление анодного нагрева реализуется погружением детали в раствор электролита или подачей струи электролита на обрабатываемую поверхность. Второй вариант удобен для локального упрочнения, в частности, для обработки внут-
ренних поверхностей, например, отверстий. Для формирования струи используется спрейер, внутри которого размещен цилиндрический катод. Подача струи осуществляется насосом, температура раствора электролита стабилизируется с помощью теплообменника.
Экспериментально установлено, что повышение напряжения при прочих равных условиях всегда способствует увеличению температуры нагреваемой цилиндрической детали при подаче струи на ее торец [39]. Наивысшие значения температуры, достигаемые при напряжении 300 В, превышают 830 °С, что позволяет вести нитрозакалку среднеуглеродистых сталей.
Увеличение зазора между соплом спрейера и нагреваемой поверхностью приводит к снижению температуры нагрева. Наоборот, температура нагрева возрастает при увеличении скорости струи в диапазоне величин от 0,4 до 1,0 м/с. Рекомендуемая величина зазора составляет 2,5-5,0 мм.
Обработка изделий или образцов их погружением в электролит может быть реализована в условиях естественной конвекции. В таком случае не требуется насос, неизбежные пульсации которого дестабилизируют условия нагрева. В этом случае теплообменник устанавливается внутри рабочей камеры. Условия естественной конвекции позволяют достичь температуры нагрева, достаточные для нитрозакалки среднеуглеродис-
тых сталей при нагреве образцов с площадью обрабатываемой поверхности до 15 см2 [17]. Обнаружено, что увеличение глубины погружения образца способствует интенсификации теплообмена, постепенному выравниванию температуры электролита по всему объему рабочей камеры, и повышению температуры нагрева анода. Дополнительную интенсификацию теплообмена дает барботаж рабочего электролита воздухом, что позволяет нагревать изделия до температур скоростной анодной цементации (950-1000 °С) [40; 41].
Другим вариантом управления температурой нагрева оказалось формирование радиального оттока электролита из прианодной зоны без его перелива через верхний край рабочей камеры. Отбор перегретого электролита способствует локальному утонению ПГО, что приводит к повышению локальной плотности тока и температуры на данном участке. Обнаружено влияние скорости оттока электролита на температуру нагрева образца-анода: максимум ВТХ смещается в сторону больших напряжений [42].
Показана возможность выравнивания твердости вертикально ориентированного закаливаемого цилиндра по его высоте с помощью устройства, формирующего радиальные потоки электролита, подаваемые на деталь [29]. В этом случае местное охлаждение электролита сочетается с динамическим напором струи, дополнительно сжимающей ПГО. Наибольший эффект получен при использовании тороида диаметром 10,5 см с пятью отверстиями, через которые подавался электролит (расход
2 л/мин). Неравномерность твердости на участке длиной 50 мм не превышала 7 единиц НЕС. Максимальная твердость закаленной стали 45 вблизи торца составила 59 НЯС, в области действия радиальных потоков 55-57 НЯС, а минимальная -52 НМ!
Применения
Наибольшее распространение получила элек-трохимико-термическая цементация технологической оснастки в легкой промышленности [43]. На предприятиях России, Украины, Белоруссии, Молдавии и Казахстана использовались установки типа УХТО, выпускаемые Опытным заводом Института прикладной физики Академии наук Молдавии. В первой половине 1990-х годов Костромским НИИ льняной промышленности были разработаны и внедрены установки типа АТО на предприятиях отрасли. В последние годы разра-
ботан технологический процесс скоростной цементации нитепроводников прядильных машин ПМ-88-Л8 с последующей закалкой в том же электролите, позволяющий повысить их твердость в 3,0-3,5 раза и существенно увеличить износостойкость по сравнению с серийными деталями. Положительный результат предлагаемой технологии подтвержден опытно-промышленными испытаниями.
Выводы
1. Разработана теплофизическая модель явления анодного нагрева как аналога пленочного кипения с объемными источниками тепла в парогазовой оболочке, связанных с прохождением электрического тока. Предложены методики расчета профиля парогазового слоя, вольт-амперных и вольт-температурных характеристик, установлены зависимости действующих в системе тепловых потоков от параметров нагрева.
2. Предложена схема реакций, протекающих при анодном электролитном нагреве стальных изделий в водном электролите на основе хлорида аммония. Определена динамика изменения состава хлоридно-глицеринового электролита для цементации в процессе обработки. Показано, что убывающие в начале эксплуатации концентрации ионов хлора и глицерина стабилизируются на достаточно высоком уровне.
3. Методами металлографического и рентгеноструктурного анализов, а также с помощью ядерного обратного рассеяния протонов уточнен фазовый состав поверхностных слоев стальных и титановых сплавов, модифицированных внедрением азота, углерода, кислорода и бора, показана возможность существенного повышения твердости, прочности и коррозионной стойкости ряда конструкционных сталей.
4. Разработаны методы совершенствования анодного нагрева путем управления движением электролита. Выяснены возможности локальной обработки с помощью струйного нагрева, влияния радиального и продольного обтекания на температурное поле обрабатываемого изделия, стабилизации теплообмена в условиях естественной конвекции или барботажа воздухом. Предложены новые технологические процессы повышения ресурса изделий из конструкционных сталей.
Работа выполнена по тематическому плану НИР при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Библиографический список
1. Belkin P.N. Anodic heating in aqueous solutions of electrolytes and its use for treating metal surfaces / P.N. Belkin, V.I. Ganchar, A.D. Davydov, A.I. Dikusar, E.A. Pasinkovskii // Surfaces Engineering and Applied Electrochemistry. - 1997. -№2. - P. 1-15.
2. Дьяков И.Г. Толщина парогазовой оболочки при анодном нагреве вертикально погружённого цилиндра / И.Г. Дьяков, А.К. Товарков, П.Н. Белкин // Электронная обработка материалов. - 2002. - №4. - С. 43-49.
3. Ганчар В.И. Вольт-температурная и вольт-амперная характеристики анодного процесса электролитного нагрева / В.И. Ганчар, Э.Г. Дмитриев // Электронная обработка материалов. -1989. - №2. - С. 23-25.
4. Шадрин С.Ю. Расчет температуры анодного нагрева / С.Ю. Шадрин, П.Н. Белкин // Электронная обработка материалов. - 2002. - №3. -С. 24-29.
5. Белкин П.Н. Тепловые потоки при нагреве анода в водных растворах / П.Н. Белкин, А.К. Товарков // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. -2001. - №3. - С. 8-12.
6. Белкин П.Н. Теплообмен между анодом и парогазовой оболочкой при электролитном нагреве / П.Н. Белкин, В.И. Ганчар, А.К. Товарков // Инженерно-физический журнал. - 1986. -Т. 51. - №1. - С. 154-155. Деп. в ВИНИТИ 20.02.86. № 1177-В86.
7. Белкин П.Н. Стационарная температура анода, нагреваемого в водных электролитах / П.Н. Белкин, А.Б. Белихов // Инженерно-физический журнал. - 2002. - Т. 75. - №6. - С. 19-24.
8. Шадрин С.Ю. Стационарная температура анода, нагреваемого в водных электролитах / С.Ю. Шадрин, П.Н. Белкин // Вестник Воронежского государственного университета. Серия «Энергетика». - 2002. - Вып. 7.2. - С. 97-100.
9. Дьяков И.Г. Толщина парогазовой оболочки при анодном нагреве вертикально погруженного цилиндра // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова; М. : ИЦ «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003. - С. 48.
10. Дьяков И.Г. Профиль парогазового слоя при анодном нагреве вертикальной поверхности / И.Г. Дьяков, П.Н. Белкин // Вестник Воронежско-
го государственного университета. Серия «Энергетика». - 2002. - Вып. 7.2. - С. 35-38.
11. Белкин П.Н. Ламинарное движение плёнки пара вдоль вертикального цилиндрического анода при его нагреве в водном электролите / П.Н. Белкин, Т.Л. Мухачёва // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова. - 2004. - №3. - С. 4-6.
12. Мухачёва Т.Л. Моделирование анодного электролитного нагрева // Инженер. - 2006. -№7. - С. 105-108.
13. Дьяков И.Г. Расчёт толщины парогазового слоя при анодном электролитном нагреве / И.Г. Дьяков, Т.Л. Мухачёва // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов». -Рыбинск: РГАТА, 2005. - С. 130-132.
14. Мухачёва Т.Л. Особенности распределения тепловых потоков в системе анод - парогазовая оболочка при анодном электролитном нагреве // Научные труды Международной молодёжной научной конференции «XXXII Г агаринские чтения». - М.: МАТИ, 2006. - Т. 3. - С. 87-88.
15. Белкин П.Н. О распределении температуры в стальном аноде при его нагреве электролитной плазмой / П.Н. Белкин, Е.А. Пасинковский,
А.А. Факторович // Известия АН МССР, сер. физ.-техн. и мат. наук. - 1977. - №1. - С. 82-84.
16. Ганчар В.И. Параметры теплообмена в процессе анодного электролитного нагрева // Инженерно-физический журнал. - 1991. - Т. 60. -№1. - С. 92-95.
17. Дьяков И.Г. Особенности анодного нагрева при движении электролита в режиме свободной конвекции / И.Г. Дьяков, С.Ю. Шадрин, П.Н. Белкин // Электронная обработка материалов. - 2004. - №4. - С. 9-13.
18. Мухачева Т.Л. Влияние распыления электролита на вольт-температурные характеристики анодного нагрева / Т.Л. Мухачева, И.Г. Дьяков, П.Н. Белкин // Сборник трудов 4-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия». - М.: МАТИ, 2005. - С. 115-120.
19. Жиров А.В. Особенности анодного нагрева титана в водных электролитах / А.В. Жиров, С.Ю. Шадрин, П.Н. Белкин // Труды 6-й Всероссийской с международным участием научнотехнической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия». - М.: МАТИ, 2007. -С. 140-145.
20. Дьяков И.Г. К вопросу об электрохимических реакциях при анодном нагреве в водных электролитах на основе хлорида аммония / И.Г. Дьяков, А.Р. Наумов // Электронная обработка материалов. - 2006. - №°6. - С. 4-9.
21. Дьяков И.Г. Динамика выработки электролита при анодном электролитном нагреве в условиях естественной конвекции / И.Г. Дьяков, С.А. Кусманов, А.Р. Наумов, П.Н. Белкин // Материалы II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова; М.: ИЦ «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007. - С. 196-203.
22. ЖировА.В. Диагностика работоспособности электролита путем измерения его оптических характеристик в процессе эксплуатации /
A.В. Жиров, С.А. Кусманов, Л.В. Грязнова,
B.А. Новикова // Материалы II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома: КГУ им. Н. А. Некрасова; М.: ИЦ «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007. - С. 218-222.
23. Белкин П.Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Мир, 2005. -336 с.
24. Белкин П.Н. Особенности цементации при электрохимико-термической обработке малоуглеродистых сталей / П.Н. Белкин, В.В. Данилов // Вестник КГУ им. Н. А. Некрасова. - 2004. - №2. -
C. 8-15.
25. Белихов А.Б. Влияние режимов анодной цементации на электросопротивление тонкой проволоки / А.Б. Белихов, П.Н. Белкин // Электронная обработка материалов. - 1995. - №2. -С. 74-76.
26. Романовский Е.А. Применение спектрометрии обратного рассеяния при разработке процессов диффузионного насыщения поверхности сталей / Е.А. Романовский, А.Б. Белихов, П.Н. Белкин, О.В. Беспалова, А.М. Борисов, В.В. Желез-нов, В.О. Кордюкевич, В.С. Куликаускас // Тезисы докладов ХХХ Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - С. 101.
27. Bespalova O.V., Goryaga N.G, Kordyuke-vich V.O. at all. Application of the nuclear backscattering spectrometry for the study of the process of thermochemical treatment of metals and
allows // 7th European Particle Accelerator a Euro-physics Conference. - Austria Center Vienna, 2000.
28. Белихов А.Б. Особенности анодной цементации железографитов / А.Б. Белихов, П.Н. Белкин // Электронная обработка материалов. -1998. - №>5-6. - С. 23-31.
29. Белихов А.Б. Анодная цементация материалов на основе железа с целью повышения их износостойкости: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Кострома, 1999. - 15 с.
30. Шкурпело А.И. Фазовый состав и структура поверхностного слоя армко-железа и аустенит-ной нержавеющей Cr-Ni-стали 12Х18Н10Т после нитроцементации при анодном электролитном нагреве / А.И. Шкурпело, П.Н. Белкин, Е.А. Па-синковский // Физика и химия обработки материалов. - 1993. - №>2. - С. 116-125.
31. Дьяков И.Г. Повышение коррозионной стойкости стали 45 путем анодного насыщения азотом и углеродом / И.Г. Дьяков, Т.Л. Мухаче-ва // Труды 5-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия». - М.: МАТИ, 2006. - С. 360-364.
32. Дьяков И.Г. Анодное насыщение сталей азотом и углеродом / И.Г. Дьяков, Т.Л. Мухаче-ва // Материалы II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова; М.: ИЦ «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007. - С. 215-217.
33. Дьяков И.Г. Повышение физико-химических свойств деталей при анодном электролитном нагреве в электролитах на основе карбамида / И.Г. Дьяков, Т.Л. Мухачева // Труды 6-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия». - М.: МАТИ, 2007. - С. 267-271.
34. Мухачёва Т.Л. Повышение физико-химических свойств стали 12Х18Н10Т при анодной электрохимико-термической обработке // Материалы XXXIV международной молодёжной научной конференции «Г агаринские чтения». - М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2008.
3 5. Дьяков И.Г. Повышение однородности эксплуатационных свойств деталей, упрочненных элек-трохимико-термической обработкой: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Рыбинск, 2006. - 16 с.
36. Алюшенко П.П. Борирование стали 45 при анодном электролитном нагреве / П.П. Алюшен-
ко, А.Б. Белихов, И.Г Дьяков // Материалы II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова; М.: ИЦ «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007. - С. 37-40.
37. Жиров А.В. Влияние режимов анодного электролитного нагрева на свойства оксидного покрытия стали 45 / А.В. Жиров, Е.П. Гришина, О.В. Краева // Труды 5-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия». - М.: МАТИ, 2006. - С. 122-126.
38. Белкин П.Н. Применение спектрометрии ЯОР протонов для исследования анодной химико-термической обработки титана / П.Н. Белкин, А.М. Борисов, В.Г. Востриков, И.Г. Дьяков, Е.А. Романовский, М.В. Серков // Физика и химия обработки материалов. - 2006. - №1. - С. 59-61.
39. Белкин П.Н. Влияние условий подачи электролита на температуру струйного анодного на-
грева / П.Н. Белкин, А.Б. Белихов, М.Ю. Соколов // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. - 2000. - .№3. -
С. 8-11.
40. Шадрин С.Ю. Анодный нагрев в условиях естественной конвекции электролита / С.Ю. Шадрин, П.Н. Белкин // Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия «Энергетика». Вып. 7.4. - 2004. - С. 107-111.
41. Шадрин С.Ю. Разработка скоростной анодной цементации малоуглеродистых сталей путем их нагрева в барботируемом водном электролите: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Рыбинск, 2006. - 16 с.
42. Дьяков И.Г. Влияние радиального обтекания анода электролитом на характеристики нагрева / И.Г Дьяков, Н.С. Азарян, Т. Л. Мухачева // Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия «Энергетика». Вып. 7.4. - 2004. - С. 151-153.
43. БелиховА.Б., Белкин П.Н. Скоростное анодное упрочнение деталей машин и оснастки // Текстильная промышленность. - 1996. - №4. - С. 31-33.
УДК 531.3 В 751
Б.Т. Воробьев, Ю.Б. Кузьмичев ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ ПРИ ГРУППОВОМ ПРИВОДЕ МНОГОРОТОРНЫХ СИСТЕМ
Реальные роторы всегда имеют дисбаланс, который при их вращении создаёт динамические силы, действующие на остов механической системы. В многороторных системах с тангенциальным ремённым приводом направление векторов дисбалансов отдельных роторов является величиной случайной. В статье исследуются ситуации, которые необходимо учитывать при расчете динамических сил в многороторных системах.
Ключевые слова: ротор, статический дисбаланс, динамическая нагрузка, условия совместного действия нагрузок.
При работе много роторных систем с тангенциальным ременным приводом от одного электродвигателя (рис. 1), динамические силы, вызванные остаточным дисбалансом отдельных роторов и действующие через подшипники роторов на основание механической системы, вызывают вибрации корпусов машин и механизмов, а также строительных конструкций на которых установлены машины.
Такие вибрации могут привести к разрушению опорных элементов конструкции системы, влиять на качество технологических процессов и на здоровье обслуживающего персонала. Поэтому для устранения негативных факторов су-
ществуют типовые методы расчета динамических нагрузок на основание машин с учетом различных параметров системы. Однако типовая методика расчёта не учитывает отдельные ситуации в работе многороторных систем, возможность которых в некоторых случаях нельзя исключить.
Интерес представляет исследование и анализ работы многороторных систем проведённые для определения расчетной зависимости результирующей динамической нагрузки на основании от всех роторов системы с учётом того, что векторы остаточных дисбалансов отдельных роторов могут иметь относительно друг друга направление неизвестное заранее и изменяющееся во вре-
