CC BY
1
Першин Владимир Федорович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Евсеев Алексей Владимирович, д-р. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юраскова Ирина Андреевна, аспирант, ассистент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODIFICATION OF GREASES WITH GRAPHITE NANOPLATELES S.S. Aldawood, W.F. Pershin, S.A. Vasin, A.V. Evseev, I.A. Yuraskova
The use of a rotor in the form of a truncated cone made it possible to adjust the gap throughout the entire exfoliation zone between the rotating rotor and the housing. By increasing the area of the adjustable gap in the number of processing cycles of the mixture of grease and graphite nanoplates, the productivity of the rotary homogenizer-dispersant is increased by 1.5 times. In addition, the maximum deviations of the friction coefficient values from the average values were reduced from 15% to 8%., which confirms the increased uniformity of the distribution of graphite nanoplates throughout the entire volume of the grease.
Key words: grease; graphite nanoplates; mixing; friction coefficient.
Aldawood Saif Suhail Yusuf postgraduate, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical
University,
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, Honored Worker of Science of the Russian Federation, Russia, Tula, Tula State University,
Evseev Alexey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Yuraskova Irina Andreevna, postgraduate, assistant, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК. 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-577-578
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НИХ ПРИ УПРУГОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛА
Г.В. Селиверстов, А.А. Кардаманова, А.А. Лебедева
Рассмотрена взаимосвязь изменения напряжено-деформированного состояния образцов с фиксированным концентратором напряжений при статическом деформировании и температурных полей вызванных диссипацией. Проанализирована возможность применения данного подхода для практического определения напряжений в элементах металлоконструкций.
Ключевые слова: напряжение, деформация, металлоконструкция, нагрузка, температура, диссипация.
Прикладные задачи, связанные с оценкой параметров напряженно-деформированного состояния являются основой многих инженерных вопросов. Существующие конструкции различных машин, а также разрабатываемые вновь в ряде случаев требуют точного знания действующих напряжений и возникающих деформаций [1]. Особо ответственные конструкции (например: авиа, космические, крановые) должны выдерживать эксплуатационные нагрузки во всем диапазоне температур на протяжении всего жизненного цикла [2].
С учетом того, что большая часть процессов нагружения конструкций является стохастическими, то есть случайными, и возможны флуктуации амплитуд, значительно отличающиеся от расчетных, в них обязательно закладывается коэффициент запаса. Но при этом, с другой стороны, могут быть наложены жесткие ограничения по материалоёмкости и весу конструкции. Следовательно, возникает вопрос о необходимости точного знания действующих нагрузок, что позволяло бы применять расчетные методы определения остаточного или выработанного ресурса.
Обеспечение статической и циклической прочности, а также обеспечение устойчивости невозможно без знания характеристик материала, условий нагружения и видов приложенной нагрузки. В настоящее время наибольшее распространение получил метод конечных элементов, который позволяет при должном навыке специалиста путем разбития твердотельной модели исследуемой конструкции на элементы определить напряжения, деформации и перемещение в исследуемых областях [3].
Технология машиностроения
С учетом того, что изменения геометрии или наличие отверстий и вырезов влияет на концентрацию напряжений, необходимо особое внимание уделять построению градиентной сетки именно в этих местах (рис. 1). Таким образом, мы снова возвращаемся к субъективной оценке, так как очень сильно зависит достоверность результатов от квалификации специалиста, выполнившего построение конечно-элементной модели.
С другой стороны, информация о напряженно-деформированном состоянии может быть получена не только расчетным методом, но и экспериментальным [4]. Обычно для этого используют тензометрирование с рези-стивными накладными датчиками, которые закрепляются в исследуемых областях металлоконструкции. Изменение сопротивления резистивного датчика ставится в зависимости от деформации и по полученным ранее моделям определяются действующие напряжения.
Рис. 1. Фото образца с концентратором и его конечно-элементная модель
При кажущейся простоте метода он является весьма трудоемким, так как подготовка места, закрепление датчиков, их калибровка, нагружение конструкции и анализ полученных результатов, требуют не малых временных затрат. Кроме этого, также необходима высокая квалификация эксперта, проводящего исследование, а само оборудование является достаточно дорогостоящим.
В то же время, рассматривая процесс упругой и пластической деформации материала, можно отметить, что часть энергии расходуется на преодоление внутреннего трения структуры материала и сопровождается экзотермическими реакциями [5-8]. Следовательно, сопоставив количество выделенного тепла и деформации, можно получить функциональную зависимость между изменением температурных полей и напряженно-деформированным состоянием исследуемой области.
Подобная взаимосвязь достаточно широко исследована [9] при постоянных значениях скоростей приложения нагрузки (рис. 2).
Однако скорость изменения действующих напряжений будет также оказывать влияние на количество теплоты, выделенное в результате диссипации. Очевидно, что можно выделить два типа нагружений и соответственно два типа конструкций.
К первому типу можно отнести конструкции, у которых скорость приложения нагрузки и соответственно скорость деформации будут постоянными при выполнении рабочих операций. Например, к таким конструкциям можно отнести главные балки мостового крана, работающего в тяжелом или весьма тяжелом режимах (А7, А8). При выполнении рабочих операций с номинальными значениями весов и фиксированными скоростями подъема, можно считать коэффициент динамичности постоянной величиной. Соответственно, постоянство этого параметра позволяет нам говорить о повторяемости характеристик нагрузок при выполнении рабочих циклов машины.
Рис. 2. Зависимость изменения температуры от действующих нагрузок для гладкого образца
и для образца с концентратором
Ко второму типу конструкции можно отнести машины, у которых рабочий цикл и его характеристики являются не стационарными, а носят случайный характер. Например: крыло самолета, буксовый узел железнодорожного вагона, арматура трубопроводов и так далее.
Таким образом, оценка напряжений и деформации по изменению температурных полей с технической точки зрения решается достаточно просто. Достаточно провести нагружение металлоконструкции расчетной силой и зафиксировать изменения температуры в исследуемой области с помощью тепловизионного оборудования.
Объективность оценки будет достаточно высока, а временные затраты по сравнению с резистивной тензометрией малы. Но подготовительная работа, связанная с получением функциональных зависимостей, является не простым процессом, требующим применения математического аппарата для получения многофакторных моделей.
Рассмотрим факторы, которые оказывают влияние на величины диссипации при приложении нагрузки. Очевидно, что за функцию мы должны принять величину действующих напряжений, в исследуемой области металлоконструкции. А факторы, которые необходимо учитывать, это: изменение температуры на поверхности материала, теплоемкость и теплопроводность материала, скорость приложения нагрузки и внешние температурные условия.
С учетом лабораторной апробации данного метода [10] было доказано, что для низколегированных и малоуглеродистых сталей при идентичной скорости приложения нагрузки характер изменения температурных полей будет различным.
Например, для стали СТ3 в зоне упругой деформации нельзя выделить четко направления температурного тренда. Наблюдается зависимость «рост напряжений - рост температуры» только в зоне пластического течения материала. Для низколегированной стали 09Г2С уже на стадии упругой деформации наблюдается восходящий тренд, однако колебания температуры, связанные с теплопередачей нивелируют ее прирост из-за диссипации.
При пластическом деформировании также наблюдается ярко-выраженное изменение температуры, что позволяет использовать такой метод для оценки напряжений.
С достаточной точностью можно предложить ограничения функциональной зависимости двумя переменными величинами: напряжение и скорость приложения нагрузки, чтобы использовать предложенный метод на практике. Таким образом, мы получаем функцию следующего вида:
a=f(AT,vF);
где: а - действующее напряжение (МПа); ДТ - изменение температуры (°С); vF - скорость приложения нагрузки
(Н/с).
С учетом разно плановости физической сути исследуемых параметров и необходимости связать их в одной функциональной зависимости, возникает необходимость построения многофакторной регрессионной зависимости или ряда номограмм, для различных скоростей нагружения.
Задавшись фиксированным шагом скоростей приложения нагрузки, будет получено семейство графиков с аппроксимирующими зависимостями, по которым можно будет определять величины действующих нагрузок в зависимости от величин диссипаций материала.
Список литературы
1. Диагностирование грузоподъемных машин / В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин и др.: Под ред. В.И. Сероштана, Ю.С. Огаря. М.: Машиностроение, 1992. 192 с.
2. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 623 с.
3. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мя-ченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ.ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520с.
4. Шнейдерович Р.М. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. 340 с.
5. Вершинский А.В. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций. М.: Машиностроение, 1984. 167 с.
6. Владимиров В.В. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
7. Вояченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1986. 152 с.
8. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
9. Селиверстов Г.В., Кардаманова А.А., Лебедева А.А. Определение напряженно-деформированного состояния по величинам диссипаций в условиях упругих деформаций при малоцикловом нагружении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 7. С. 444-447.
10. Селиверстов Г.В., Кардаманова А.А., Лебедева А.А. Оценка диссипации малоуглеродистых сталей в условиях малоциклового нагружения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 455-459.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кардаманова Анна Андреевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лебедева Анна Андреевна, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
TEMPERATURE FIELDS AND FACTORS AFFECTING THEM DURING ELASTIC AND PLASTIC DEFORMATION OF
THE MATERIAL
G.V. Seliverstov, A.A. Seregina, A.A. Lebedeva
The relationship between changes in the stress-strain state of samples with a fixed stress concentrator during static deformation and temperature fields caused by dissipation is considered. The possibility of using this approach for the practical determination of stresses in the elements of metal structures is analyzed.
Key words: stress, deformation, metal structure, load, temperature, dissipation.
Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Kardamanova Anna Andreevna, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Lebedeva Anna Andreevna, master's, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
