Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема обеспечения кавитационной стойкости ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов при их производстве 11
1.1. Анализ конструкторско-технологических особенностей производства ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов 11
1.2. Особенности кавитационного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов 17
1.3. Средства технического оснащения при конструкторско-технологической отработке изделий на кавитационную стойкость 24
ГЛАВА 2. Моделирование процессов кавитационного изнашивания ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов с учетом их конструкторско-технологических особенностей 31
2.1. Исследование закономерностей кавитационного износа деталей... 31
2.2. Математическая модель оценки кавитацонного износа деталей 36
2.3. Моделирование кавитационного износа рабочего колеса насоса НМ 1250-260 и определение стойкости применяемых материалов 68
ГЛАВА 3. Разработка расчетно-экспериментальной методики ускоренных испытаний на кавитацион-ную стойкость материалов деталей гидромашин и гидроагрегатов 97
3.1. Формирование режимов проведения ускоренных испытаний 97
3.2. Экспериментальное исследование кавитационной стойкости материалов деталей 101
ГЛАВА 4. Разработка инженерной обобщенной методки выбора рациональных кавитационно-стойких материалов деталей и технологии их изготовления 137
4.1. Формирование единой базы данных кавитационностойких материалов и технологии изготовления деталей гидромашин и гидроагрегатов 137
4.2. Результаты производственных испытаний и апробации методики. 147
Выводы 148
Список литературы .
- Особенности кавитационного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов
- Средства технического оснащения при конструкторско-технологической отработке изделий на кавитационную стойкость
- Моделирование кавитационного износа рабочего колеса насоса НМ 1250-260 и определение стойкости применяемых материалов
- Формирование единой базы данных кавитационностойких материалов и технологии изготовления деталей гидромашин и гидроагрегатов
Введение к работе
Актуальность работы
Проблема обеспечения заданных показателей надежности является ключевой при конструкторско-технологическом проектировании и производстве новых, а также совершенствовании существующих образцов изделий современного машиностроения.
В полной мере это относится к изделиям, работающим в условиях гидродинамического нагружения, к которым относятся, например, насосные агрегаты, движительно-рулевые колонки судов и др. Общим в развитии указанных изделий является направление, связанное с повышением мощности и производительности при одновременном увеличении их ресурса. Как следствие, ответственные детали изделий (рабочие колеса насосов, гребные винты судов и т.д.) эксплуатируются во все более жестких условиях гидродинамического нагруже-ния рабочих поверхностей, определяя тем самым все необходимые предпосылки к повышению интенсивности их износа и, следовательно, снижению показателей надежности изделия в целом.
Один из ключевых факторов, определяющих характер износа рабочих поверхностей деталей, связан с интенсивностью протекания кавитационных процессов (кавитационный износ).
Как следствие, при конструкторско-технологическом проектировании и подготовке производства изделий данного класса, значительная роль отводится мероприятиям, направленным на обеспечение кавитационной стойкости ответственных деталей на всех режимах их эксплуатации. Комплексно и взаимосвязанно они включают в себя работы по нахождению рациональных конструкторских решений, поиск кавитационностойких (применительно к заданным условиям эксплуатации) конструкционных материалов, разработку технологического процесса, обеспечивающего формирование рабочих поверхностей деталей, устойчивых к этому виду внешнего воздействия.
Необходимо отметить, что вышеперечисленные работы характеризуются высокой трудоемкостью, а также недостаточной достоверностью получаемых результатов, что не позволяет осуществлять ускоренную разработку и запуск в производство приоритетных изделий с высокими техническими показателями. Во многом это связано с расширением номенклатуры конструкционных материалов отрасли, технологическими возможностями в создании материалов с новыми физико-механическими свойствами и различных видов функциональных покрытий, по которым еще не накоплен опыт промышленной эксплуатации.
В этой связи представляется актуальной, имеющей важное научное и практическое значение работа, направленная на обеспечение кавитационной стойкости ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов за счет разработки программно-методического обеспечения принятия конструкторско-технологических решений.
Целью диссертационной работы является разработка программно-методического обеспечения выбора рациональных конструкторско-технологических решений при производстве ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов с целью повышения их кавитационной стойкости.
Основные задачи исследования:
-
Разработать алгоритм и математическую модель, позволяющую прогнозировать кавитационный износ рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов в зависимости от условий эксплуатации и конструкторско-технологических особенностей их изготовления, на основании анализа физических процессов, протекающих на поверхности деталей при их кавитационном изнашивании. Провести моделирование работы типового изделия, эксплуатирующегося при заданном режиме в гидродинамической среде.
-
Обосновать целесообразность и разработать методику ускоренных испытаний материалов деталей гидромашин и гидроагрегатов на этапе их конструк-торско-технологического проектирования, которая позволит оценить стойкость материалов к кавитационному воздействию с учетом технологии изготовления деталей. Разработать техническую систему для ее реализации.
-
Определить кавитационную стойкость типовых материалов деталей гидромашин и гидроагрегатов на основании математического моделирования кавита-ционного износа рабочих поверхностей деталей и ускоренных испытаний. Исследовать влияние различных технологий изготовления ответственных деталей на кавитационную стойкость материалов.
-
Разработать инженерную методику выбора рациональных кавитационно-стойких материалов с учетом технологии изготовления ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось посредством теоретических и экспериментальных исследований. При решении теоретических задач использованы основные положения теории механики сплошной среды (разделы: гидродинамика, теория напряженного и деформированного состояния, теория пластичности) и численных методов с использованием специализированных средств трехмерного твердотельного моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием следующего оборудования: установка для гидрорезки материалов и подачи образцов, система измерения силы воздействия высокоскоростной струи на образцы, электронный микроскоп и др.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель кавитационного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов, в которой изменения значений выходных параметров во времени (скорость уноса массы материала, глубина разрушения материала детали) связаны с характеристиками гидродинамического нагружения детали, интенсивностью кавитационного воздействия и напряженно-деформированным состоянием поверхности детали. Модель позволяет предварительно оценивать кавитационную стойкость материалов деталей в зависимости от условий их эксплуатации и конструкторско-технологических особенностей их изготовления.
-
Разработана расчетно-экспериментальная методика ускоренных испытаний, реализуемая на основе физического моделирования соударения высокоскоростной гидроструи с поверхностью мишени и расчетной модели выбора режима гидронагружения. Методика позволяет выбирать рациональную технологию изготовления деталей гидромашин и гидроагрегатов по критерию обеспечения
заданной кавитационной стойкости материалов деталей. Установлено, что замена абразивной обработки рабочих поверхностей на лезвийную на заключительном этапе технологического процесса обеспечивает повышение кавитационной стойкости детали до 30%.
3.Формализован подход к созданию базы данных по кавитационной стойкости типовых конструкционных материалов с учетом технологии изготовления деталей гидромашин и гидроагрегатов при различных режимах их эксплуатации.
Практическая значимость работы состоит в инженерной обобщенной методике выбора рациональных кавитационностойких материалов и технологий изготовления ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов на этапе конструкторско-технологического проектирования. Методика включает в себя два этапа:
предварительная оценка кавитационной стойкости и последующее ранжирование материалов на основе математического моделирования кавита-ционного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов с использованием разработанного программного обеспечения;
выбор рационального материала и технологии изготовления детали на основе обработки результатов ускоренных испытаний на кавитационную стойкость и последующем сопоставлении полученного приведенного параметра интенсивности кавитационного износа с учетом масштабного коэффициента с заданным ресурсом до капитального ремонта изделия.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, представленных в диссертационной работе автором, подтверждена удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, а также практическим использованием полученных результатов в производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обобщенная математическая модель кавитационного изнашивания деталей, позволяющая предварительно оценивать кавитационную стойкость материалов широкой номенклатуры для заданного режима эксплуатации изделия.
-
Результаты оценки кавитационной стойкости характерных материалов применительно конкретному изделию (рабочее колесо насоса НМ 1250-260), обосновывающие возможности предварительной оценки кавитационной стойкости материалов и их ранжирования посредством разработанной математической модели кавитационного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обоснование целесообразности применения расчетно-экспери-ментальной методики ускоренных кавитационных испытаний и подтверждение влияния режимов эксплуатации изделия и технологии изготовления деталей на кавитационную стойкость применяемых для них материалов.
-
Разработанная инженерная методика, позволяющая сравнительно оценивать кавитационную стойкость материалов деталей гидромашин и гидроагрегатов, проводить их ранжирование и выбирать из них рациональные материалы с учетом технологии изготовления ответственных деталей посредством ускоренных кавитационных испытаний и математической модели кавитационного износа.
Личный вклад автора. Автором проведен анализ конструкторско-технологических особенностей производства гидромашин и гидроагрегатов, на основании которого показана необходимость обеспечения кавитационной стойкости рабочих поверхностей ответственных деталей. Обоснована актуальность разработки программно-методического обеспечения выбора рациональных конструкторско-технологических решений при производстве ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов. Выполнен анализ физических процессов, протекающих на рабочих поверхностях деталей при их кавитационном изнашивании, на основании которого разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать кавитационный износ рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов в зависимости от условий эксплуатации и конструк-торско-технологических особенностей их изготовления. Разработана расчетно-экспериментальная методика ускоренных испытаний материалов, которая позволяет оценивать стойкость материалов к кавитационному воздействию с учетом технологии изготовления деталей. Разработана техническая система для ее реализации. Определена кавитационная стойкость типовых материалов отрасли. Исследовано влияние различных технологий изготовления ответственных деталей на кавитационную стойкость материалов. Разработана инженерная методика выбора рациональных кавитационностойких материалов с учетом технологии изготовления ответственных деталей.
Апробация результатов работы. Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры технологии приборостроения ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010-2013 гг.; на 23-й Международной инновационно-ориентированной научно-технической конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС – 2011), ИМАШ РАН, Москва, 2011; на конференции «Современные научные достижения», Чехия, Прага, 2012; на 36-х Академических чтениях по космонавтике, Москва, 2012.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были реализованы в рамках НИР и ОКР, проводимых в НИИ «Конструкционные материалы и технологические процессы», «Энергомашиностроение» ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, и внедрение осуществлялось в ФГБУ ВНИИПО МЧС России, что подтверждено соответствующими актами.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 научных работах, из них 4 в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка используемой литературы и приложения. Содержит 157 страниц, в том числе 61 иллюстрация и 15 таблиц.
Особенности кавитационного износа рабочих поверхностей деталей гидромашин и гидроагрегатов
Моноштампованные колеса по схеме «диск вместе с лопастями» с готовыми после формоизменения (методами виброгалтовки, виброшлифовки) функциональными поверхностями высокого качества обладают минимальной толщиной лопаток (0,8 – 1,2 мм), что позволяет значительно снизить в насосе потери мощности на трение. Эти колеса изготавливаются из различных сплавов на основе: – стали (конструкционные и нержавеющие типа Ст20, 12Х18Н10Т, 20Х13 и др.); – титана (ВТ1-0, ВТ3-1, ВТ6, ВТ8 и др.); – бронзы и латуни (БрАЖ9-4, Л62, Л63 и др.); – алюминия (АВ, АМц, АМг6, АК4-1, АК6, В95 и др.).
Повышение мощности, производительности, КПД гидромашин обеспечивается, прежде всего, посредством новых конструктивных решений, в частности, увеличивают количество ступеней насоса и частоту вращения колёс. При этом возрастает контактное гидродинамическое нагружение на рабочую поверхность лопастей колеса, что приводит к увеличению их износа, и, как следствие, снижается ресурс изделия в целом.
Таким образом, при конструкторско-технологическом проектировании гидромашин и гидроагрегатов одной из ключевых задач является снижение подобного изнашивания ответственных деталей. В связи с этим, необходи мым является изучение процессов изнашивания, с целью выбора рациональных стойких материалов и технологий изготовления деталей.
Одной из основных причин формирования постепенного отказа рассматриваемых изделий является кавитационный износ рабочих поверхностей ответственных деталей (Рис. 1.3), приводящий к снижению их прочностных параметров и ухудшению рабочих характеристик изделий в целом.
В настоящее время можно выделить пять сосуществующих гипотез ка-витационного износа деталей: коррозионная, механическая, гидроэлектрическая, обобщенная и теория кумулятивных струй.
Гипотеза о коррозионной природе кавитационного разрушения. Вначале, когда природа кавитации была мало изучена, считали, что наблюдаемое специфическое разрушение металлов всецело происходит из-за химического влияния воды, т. е. имеет коррозионное происхождение. Эта теория впервые наиболее полно была изложена в трудах Вагенбаха (1906 г.), Рамзая (1930 г.), Феттингера и их последователей. В дальнейшем, при изучении этого процесса было обнаружено разрушение коррозионностойких материалов (нержавеющие стали, золото, бетон и др.) и тем самым коррозия сама по себе не является главным и единственным фактором, участвующим в кавитационном изнашивании. Примером этому служат факты, отмеченные в работах [4, 5, 6, и др.], об особенностях разрушения коррозионностойких лаковых покрытий на втулках цилиндров дизелей, чугуна и др. моменты, противоречащие теории химической и электрической коррозии. Несмотря на большое количество работ, опровергающих чисто коррозионную природу кавитационного износа, некоторые исследователи пытаются доказать ее состоятельность. Определенный интерес представляют работы по применению катодной защиты [8-17] в целях подавления кавитационного изнашивания.
Можно отметить, что чисто коррозионная теория не объясняет природы кавитационного износа, но это не является основанием для отрицания участия коррозионного фактора в данном процессе, т.к. в настоящее время известно, что сама кавитация интенсифицирует химические процессы окисления металла вследствие выделения активных химических веществ [18].
Гипотеза о механической природе кавитационного разрушения. Одновременно с коррозионной теорией кавитационных разрушений возникла и механическая гипотеза. Впервые ее выдвинули и отстаивали немецкий инженер Рюбель (1906 г.), английские исследователи О. Зильберрад (1912 г.), Ц. Парсонс и С. Кук (1919 г.), Я. Аккерет (1932 г.) и другие. Так О. Зильбер-рад для обоснования данной гипотезы впервые проводил испытания образцов материалов на струеударной установки. В работе [8] была раздельно изучена глубина проникновения разрушения на различных металлических сплавах при кавитационном и коррозионном процессах в синтетической морской воде. Автором обнаружено, что скорость кавитационного разрушения превосходит скорость коррозии рассмотренных им материалов в 50000-100000 раз. На основании этого он делает вывод, что коррозия в кавитационной эрозии не может иметь сколько-нибудь существенной роли. При всей оригинальности цитируемых работ, нельзя согласиться с их выводами, т. к. сами по себе коррозионное и кавитационное разрушения – несопоставимые явления, поэтому раздельное изучение их не позволяет делать заключение о роли коррозионного фактора в кавитационном изнашивании. К этому следует добавить и то важное обстоятельство, что в морской воде сама по себе кавитация возникает легче, чем в пресной.
Разработанная в 60-е годы 20-го столетия теория кавитационной износа, основанная на воздействии кумулятивных струй, возникающих при коллапсе кавитационного пузырька, является, по мнению многих исследователей [19, 20, 21, 22, 23, 24], более достоверной, чем все предыдущие. М. Робинсон и Ф. Хэммит [21] высказывают убеждение в том, что кавита-ционные повреждения происходят главным образом под действием высокоскоростных микроструй жидкости (явления кумулятивного течения), создаваемых при тороидальном смыкании кавитационных пузырьков, обнаруженном ими экспериментально (Рис. 1.4). В доказательство своей правоты они приводят расчеты Р. Айвени, согласно которым давления, развиваемые при обычном смыкании пузырьков, недостаточны для того, чтобы вызвать повреждения металлических тел. По их подсчетам, скорость кумулятивных струй в момент удара составляет 1200 м/с. Кроме того, при конденсации пара, находящегося в кавитационном пузырьке, образуется капля, которая при сильном соударении с преградой также вызывает эффекты, подобные кумулятивной струе [20]. С. П. Козырев [19] приводит большое количество кинокадров, полученных скоростной съемкой, на которых отчетливо видна картина втекания струй в кавитационную полость [19].
Средства технического оснащения при конструкторско-технологической отработке изделий на кавитационную стойкость
Особенности сопротивления среды описываются понятиями физического и механического поведений [52].
Физическое поведение деформируемых сред определяется их способностью сопротивляться изменению объема частиц и характеризуется взаимосвязью шаровых тензоров напряжений и деформаций T0а =f1(Tе0).Среднее напряжение равно давлению р в данной точке (аср =-p), тогда уравнение описания физического поведения может быть представлено как p = p(Р,T} (2.61) и называется уравнением состояния среды.
Механическое поведение определяется способностью деформируемых сред реагировать на формоизменение, что характеризуется взаимосвязью де-виаторов напряжений и деформаций Da = f2 {Dе). Каждому девиатору деформаций соответствует скалярная величина, интегрально представляющая формоизменение частицы среды - интенсивность деформаций єi. Аналогично, каждому девиатору напряжений соответствует величина, обобщенно характеризующая касательные напряжения в индивидуальной частице - интенсивность напряжений аi.
Механическое поведение среды может быть представлено в виде стi = ji (еi). В общем случае стi зависит от интенсивности деформаций, интенсивности скорости деформаций, среднего давления, температуры, фазовых превращений и т.п.: Соотношение (2.62) называется определяющим уравнением.
Процесс деформирования детали зависит от ряда факторов таких, как свойства материалов детали (мишени) и микрогидроструи (ударника), геометрия ударника и мишени, условия их взаимодействия (угол взаимодействия). Одним из главных является фактор скорости соударения, оказывающий наибольшее влияние на физические явления процесса взаимодействия, механизм разрушения детали.
В литературе приведены данные, что скорость микрогидроструи может лежать в диапазоне от 100 до 700 (1000) м/с. При таких скоростях первостепенное значение приобретает поведение материала детали в небольшой зоне вблизи места соударения. На поведение материалов соударяющихся тел при этом влияют скорость деформаций, локальное пластическое течение, ударник и мишень разрушаются частично. Характерные значения времени нагруже-ния и действия сил реакции имеют порядок микросекунд. Инерционные силы сравнимы с силами собственного (статического) сопротивления мишени прониканию ударника. Материал мишени схематизируется как упруговязко-пластический. Этот диапазон скоростей один из наиболее сложных - в нем проявляется большое разнообразие форм деформирования и типов разрушения деталей.
Таким образом, кавитационное воздействие на деталь сопровождается ударом микрогидроструи о поверхность мишени со скоростью 100-1000 м/с, при котором проявляется динамический характер нагружения с изменением скорости деформации свыше 102 с-1.
При динамическом нагружении твердого тела изменение скорости деформации приводит к существенным изменениям его физико-механических свойств. Установлено, что [52, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61]: динамический модуль упругости твердых тел кристаллической структуры мало отличается от статического; с повышением скорости деформации предел текучести аТ возрастает и увеличение значительно в материалах с выраженной площадкой текучести; с повышением скорости деформации предел прочности аВ тоже возрастает; упрочнение материала с повышением скорости деформации уменьшается.
Истинная диаграмма напряжение-деформация (аг-єг) материала при динамическом нагружении существенно изменяется. Упругий участок диаграммы практически неизменяем, а пластический сильно изменяется по сравнению со статической диаграммой. На Рис. 2.9 приведены типовые динамическая и статическая диаграммы а} - є} для стали при сжатии, в зависимости от скорости деформации є.
Рис. 2.9. Диаграмма а, -є, в зависимости от скорости деформации Поведение материала мишени при динамическом нагружении описывается разными моделями при различных условиях нагружения.
Для оценки напряженно-деформированного состояния материала при однократном воздействии на него микрогидроструи используется динамическая упругопластическая модель Купера-Саймондса с кинематическим упрочнением:
В случае кинематического упрочнения поверхность текучести смещается, не меняя размеров. Данная модель учитывает эффект Баушингера, который имеет место в металлах при смене знака нагружения. Учет эффекта Баушингера важен при расчетах циклических нагрузок, сопровождающихся пластическими деформациями, как в случае моделирования малоцикловой усталости при относительно низких напряжениях и деформациях, так и при непропорциональном нагружении.
Наступление пластических деформаций в материале определяется условием (критерием) пластичности Мизеса (Губера-Мизеса-Генки) (критерий удельной потенциальной энергии изменения формы). Согласно этому критерию материал переходит в пластическое состояние тогда, когда октаэдриче-ское касательное напряжение достигает некоторого предельного постоянного значения. При возникновении пластических деформаций предельного значения достигает та часть удельной потенциальной энергии, которая обусловлена изменением формы.
Моделирование кавитационного износа рабочего колеса насоса НМ 1250-260 и определение стойкости применяемых материалов
На полученных графиках давления и эквивалентного напряжения по Мизесу видны характерные пики в момент контакта микрогидроструи с поверхностью мишени для всех материалов и затем резкое уменьшение, после чего взаимодействие носит стационарный характер («полка» давления и напряжения явно выражена при ударе под 30 градусов) с последующем спадом в 0 при ударе под углом в 30 градусов и до значений остаточных напряжений при ударе под 90 градусов.
В результате моделирования получено, что при скорости микрогидроструи / = 356 м/с и угле атаки в 90 градусов во всех рассматриваемых материалах значения эквивалентных напряжений по Мизесу (Таблица 5) превышают или сопоставимы пределам текучести (динамическим) и появляется область пластического деформирования (наличие остаточных напряжений), в результате чего представляется возможным практически мгновенное локальное разрушение материала в месте контакта с образованием эрозионной лунки на поверхности детали за один акт взаимодействия с микрогидроструей.
При скорости микрогидроструи U = 356 м/с и угле атаки в 30 градусов для всех рассматриваемых материалов область пластического деформирования не прослеживается (пики эквивалентных напряжений по Мизесу не превышают пределов текучести (динамических)). В результате этого, поверхность материала детали разрушается под действием циклического воздействия микрогидроструи, что свидетельствует об усталостном механизме разрушения рассматриваемых материалов. При этом длительность одного удара составила порядка 20 мкс.
Необходимо также отметить, что при исследовании фотографий эволюции кавитационной полости, полученных СП. Козыревым с помощью высокоскоростной съёмки, можно сделать вывод, что образующаяся микрогид-роструя воздействует на поверхность детали под различными углами, которые не превышают 90 градусов.
В связи с этим, является целесообразным оценивать кавитационную стойкость материалов на основании моделирования циклического нагруже 90 ния (с параметрами нагружения, при которых отсутствует пластическое деформирование).
FEInput – модуль, позволяющий загружать результаты моделирования, полученные методом конечных элементов. В данном случае это файл типа d3plot, полученный в результате моделирования взаимодействия микрогид-роструи с мишенью в среде ANSYS LS-DYNA 3D v.971 R6. Данный модуль извлекает информацию о данных нагружения для дальнейшей трансляции в модуль анализатора.
ExcelInput – модуль, позволяющий загружать данные в файлах типа xls для дальнейшей их обработки. В данном случае этот модуль использовался для получения данных зависимости нагружения от времени из таблицы, предварительно созданной в программе Microsoft Excel. Данные из этого модуля передаются в модуль MultiColumnToTimeSeries.
MultiColumnToTimeSeries – модуль, осуществляющий преобразование табличных данных в зависимость степени нагружения от времени и передачу сформированных данных в анализатор. Модуль MultiColumnToTimeSeries позволяет установить частоту дискретизации табличных данных по временной шкале. К выходу данного модуля возможно подключение модуля ХYDisplay, позволяющего визуализировать профиль нагружения.
SNAnalysis – модуль анализатора, осуществляющий моделирование многоцикловой усталости. В данный модуль загружаются результаты моделирования методом конечных элементов – профиль нагрузки (зависимость нагрузки от времени). В параметрах данного модуля устанавливались единицы измерения результатов моделирования, тип усреднения значений напряжения (по Герберу), параметры нагрузки (с заданным профилем нагрузки), параметры исследуемого материала (их физико-механические свойства) (Рис. 2.30) и кривые нагружения (Рис. 2.28 эквивалентные напряжения по Мизесу для рассматриваемых материалов).
Таким образом, в результате моделирования численными методами определяются значения количества циклов до разрушения N мишени за инкубационный период материала детали tинк.
В заключение была оценена кавитационная стойкость рассматриваемых материалов по предложенному параметру интенсивности кавитационно-го износа по соотношению (2.76), предварительно определив скорость уноса массы материала по формуле (2.74).
Критическая глубина разрушения лопатки насоса была задана 2 мм. Среда воздействия является нейтральной (чистая вода, рН=7) и коэффициент, учитывающий коррозионное воздействие кавитирующей среды, к = \. Площадь поверхности материала детали, подверженная кавитационному воздействию, S принимается равной площади сечения микрогидроструи с радиусом 0,26 мм. Радиус контактной площадки а также равен 0,26 мм. Плотность ма 94 териалов р и количество циклов нагружения за инкубационный период материала Nкр были взяты из Таблиц 4 и 6. Частота воздействия кавитирующей среды а равна 80 удар/с (ускоренный режим воздействия). Коэффициент к не учитывался, вследствие того, что Nэксп будет определяться в результате
По полученным данным было проведено ранжирование материалов и выделено 3 группы материалов по кавитационной стойкости. В 1-ую группу наиболее кавитационностойких материалов вошли титановый сплав ВТ1-0 и нержавеющая хромистая сталь мартенситного класса 20Х13. Во 2-ую группу вошли углеродистая сталь 20, нержавеющая титаносодержащая сталь аусте-нитного класса 12Х18Н10Т и безоловянный сплав бронзы с алюминием БрАЖ9-4. В 3-ью группу вошел алюминиевый деформируемый сплав АМг6 (Рис. 2.32).
Формирование единой базы данных кавитационностойких материалов и технологии изготовления деталей гидромашин и гидроагрегатов
Неравномерное пластическое деформирование материала вызывает появление в поверхностных слоях, как правило, сжимающих напряжений, которые переходят на некоторой глубине в растягивающие. Кроме того, влияние нагрева заключается в неоднородном изменении объема под действием тепла в период нагрева и последующего охлаждения, что приводит к появлению на поверхности напряжений растяжения, а в приповерхностных слоях – сжатия. Превалирующее действие одного из факторов определяет величину и знак остаточных напряжений.
Как следует из данных, приведенных в Таблице 13, как степень наклепа, так и уровень остаточных напряжений выше при абразивной обработке, чем это имеет место при обработке аналогичного образца материала фрезами. Этот результат представляется достаточно важным, так как увеличение уровня растягивающих напряжений определяет снижение усталостной прочности детали, а следовательно, и кавитационной стойкости. Данный вывод согласуется с результатами, полученными в работах Шашурина В.Д., Шалаева В.А. и др. [81].
В результате, рекомендуется заменять абразивную обработку рабочих поверхностей детали лезвийной на заключительном этапе технологического процесса, что способствует сохранению необходимой усталостной прочности конструкционных материалов деталей, подверженных кавитационному воздействию.
Образец материала нержавеющей стали 12Х18Н10Т отполированный до шероховатости поверхности Ra 0,2 мкм оказался с наибольшей кавитаци-онной стойкостью среди всех исследуемых образцов.
Тем самым, необходимо отметить, что кавитационный износ рабочего колеса насоса в значительной степени зависит от шероховатости рабочих его поверхностей.
Кавитационная стойкость материалов 12Х18Н10Т и сталь 20, полученные прокаткой, выше, чем полученные эти же материалы литейным способом.
Это объясняется более низкими прочностными свойствами одних и тех же материалов, полученных при литье, по сравнению с прокаткой, тем самым и более низкая кавитационная стойкость.
Полученный результат подтверждает необходимость разработки новых технологических способов изготовления ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов, направленных на обеспечение необходимой кавитацион 128 ной стойкости и заменяющих традиционные в этой отрасли литейные способы формообразования.
Таким образом, анализ экспериментальных данных этапа 3 подтверждает влияние заготовительных (прокатка, литье) и финишных технологических операций на кавитационную стойкость материалов детали. Тем самым обеспечение кавитационной стойкости ответственных деталей гидромашин и гидроагрегатов в наибольшей степени связано с технологией машиностроения.
Как показали проведенные экспериментальные исследования (этап 1-3) кавитационная стойкость различных материалов зависит от комплекса физико-механических свойств материала, в том числе и от технологии формообразования поверхности образца, а также режимов нагружения.
Для полноты понимания физических процессов кавитационного изнашивания деталей и зависимости кавитационной стойкости от технологии изготовления изделий целесообразно провести эксперименты по определения изменения микротвердости материалов деталей с течением времени под воздействием кавитации.
Проведение вышеописанных экспериментов на струеударном стенде осуществлялось в производственных условиях, что затрудняло исследование динамики изменения микротвердости образцов. В связи с этим, кавитацион-ные испытания необходимо было провести в лабораторных условиях с помощью ультразвукового вибратора.
Исследование проводилось на вибрационном устройстве типа УЗДН-2Т с магнитострикционным излучателем ультразвуковых волн (Рис. 3.14), основные характеристики которого приведены в Таблице 14.
Образец материала размещается на небольшом расстоянии от торца волновода (см. Рис. 3.14) и за счёт высокочастотного колебания последнего между ними образуется пульсирующее облако кавитационных пузырьков, оказывающее изнашивающее воздействие на поверхность образца. зазор между торцом волновода и поверхностью образца - 0,5 мм. При таких параметрах скорость уноса массы образцов наибольшая. Но данный режим не соответствует реальному режиму эксплуатации изделия (насоса) и на данный момент не существует теории, позволяющей связать гидродинамическую и ультразвуковую кавитацию.
В качестве рабочей среды использовался глицерин, т.к. кавитационные процессы в нём более интенсифицируются по сравнению с дистиллированной водой.
Емкость с образцом охлаждалась, и температура поддерживалась на уровне не более 55 градусов по Цельсию выше нуля.
Образцы изначально получены прокаткой и отполированы. Эксперимент по длительности для каждого образца составил 10 ч., а полностью для всех образцов - не менее 60 ч. По этому фактору применение ультразвуковых установок также имеет существенный недостаток по сравнению с ускоренными испытаниями под воздействием высокоскоростной струи.
