Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса в области ударно-абразивной обработки искусственных полимерных материалов. научные проблемы ударного разрушения стеклообразных полимеров и пути их решения 16
1.1. Сущность ударно-абразивной обработки. Виды обрабатываемых материалов и поверхностей 16
1.2. Качество и эксплуатационные свойства поверхности, формируемые в результате ударно-абразивной обработки 20
1.3. Факторы, влияющие на механизм разрушения полимерного материала при ударно-абразивной обработке 24
1.4. Технологии и оборудование для ударно-абразивной обработки искусственных полимеров 34
1.4.1. Процессы без использования низких температур 34
1.4.2. Процессы с применением низких температур 38
1.5. Краткий обзор теорий соударения и ударного разрушения твердых тел. Терминология и основные понятия 41
1.5.1. Классическая теория удара (модель Ньютона) ~>^
1.5.2. Теория соударения с нелинейной характеристикой"сипа - внедрение " (модель Герца) 60
1.5.3. Полуэмпирическая теорияудара (модель Батуева) "2
1.5.4. Влияние импульсов мгновенных сил на состояние ударной системы "
1.5.5. Волновая теория ударного разрушения (модель Сен-Венана) "^
1.5.6. Теория хрупкого разрушения Гриффитса '*
1.5.7. Феноменологическая теория разрушения Журкова '"
1.5.8. Модель ударно-абразивного разрушения Крагельского *
Выводы 88
2. Исследование механизма ударного разрушения обувных полимеров в стеклообразном состоянии в рамках волновой теории удара 91
2.1. Качественные особенности и характерные черты процесса разрушения стеклообразных полимеров 91
2.2. Механизм взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью полимерного материала при ударно-абразивной обработке .. 96
2.3. Характер и механизм разрушения стеклообразных полимеров в результате действия волн напряжений 105
Выводы 112
3. Исследование воздушно-абразивной струи с твердыми частицами крупного размера как рабочего инструмента процесса ударно-абразивной обработки 115
3.1. Теоретическая модель струи 115
3.2. Экспериментальное исследование характеристик струи 130
Выводы 143
4. Методология прогнозирования результатов ударно-абразивной обработки искусственных обувных материалов при низких температурах 146
4.1. Уравнение состояния стеклообразных полимеров в условиях ударного нагружения и низких температур 148
4.2. Оценка вероятности хрупкого разрушения стеклообразных полимеров. 156
4.3. Прогнозирование наиболее значимых факторов процесса ударно-абразивной обработки обувных полимеров в условиях низких температур 176
4.3.1. Скорость соударения абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью 176
4.3.2. Глубина охлаждения обрабатываемых деталей 180
4.3.3. Температура охлаждения обрабатываемой поверхности 182
4.4. Прогнозирование качества обработки поверхности 187
4.5. Прогнозирование максимальной производительности обработки 190
Выводы 195
5. Экспериментальное исследование режимов ударно-абразивной обработки искусственных обувных материалов при низких температурах
5.1.Методика и результаты исследования ударно-абразивной обработки обувных деталей как многофакторного процесса 199
5.1.1. Экспериментальный стенд 200
5.1.2. Эжекторный струйно-абразивный пистолет 203
5.1.3. Охладители обрабатываемых деталей 204
5.1.4. Анализ априорной информации 207
5.1.5. Определение оптимальных режимов ударно-абразивной обработки деталей обуви перед склеиванием 209
5.2. Методика и результаты исследования температуры стеклования обувных искусственных матерлов 216
5.2.1. Определение температуры структурного стеклования 216
5.2.2. Определение температуры механического стеклования 220
5.3. Методика и результаты исследования влияния режимов термомехнической обработки на интенсивность и механизм изнашивания деталей обуви при ударно-абразивной обработке 223
5.4. Оценка механизма разрушения поверхности деталей обуви при
оптимальных режимах ударно-абразивной обработки 226
Выводы 227
6. Принципы проектирования оборудования для ударно-абразивной обработки обувных искусственных материалов 230
6Л. Анализ технических решений, используемых при создании оборудования для ударно-абразивной обработки 23 5
6.1.1. Типы устройств для СЛО и принцип их действия 235
6.1.2. Форма обрабатываемых поверхностей 237
6.1.3. Способы подачи абразива к струйному аппарату 238
6.1.4. Схемы подачи абразивной струи обрабатываемую поверхность 241
6.1.5. Способы контроля иуправленш процессом САО 242
6.1.6. Способы удаления обработанной абразивной смеси из рабочей зоны оборудования 244
6.1.7. Конструкция устройств, формирующих струю абразивных частиц , 245
6.2. Разработка принципиальных технических решений оборудования для ударно-абразивной обработки деталей обуви 252
6.2.1. Проектирование эжекторных струйно-абразивных пистолетов 252
6.2.2. Разработка конструкций оборудования 256
6.3 Принципы расчета основных параметров оборудования для ударно-абразивной обработки деталей обуви 271
6.3.1. Анализ структуры функциональных схем оборудования 271
6.3.2. Работоспособность установок с адаптивным приводом перемещения струйного пистолета 274
6.3.3. Методика оценки степени совершенства конструкции устройств, формирующих струю абразивных частиц 276
6.3.4. Методика определениия основных параметров оборудования с адаптивным приводом перемещения струйного пистолета 280
Выводы 285
Общие вьіводьї по диссертации 286
Библиографический список
- Качество и эксплуатационные свойства поверхности, формируемые в результате ударно-абразивной обработки
- Механизм взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью полимерного материала при ударно-абразивной обработке
- Экспериментальное исследование характеристик струи
- Прогнозирование наиболее значимых факторов процесса ударно-абразивной обработки обувных полимеров в условиях низких температур
Введение к работе
Анализ основных направлений развития обувной промышленности в России и за рубежом показывает, что в настоящее время наиболее распространенным методом крепления (сборки) деталей верха и низа обуви является клеевой. Около 80% объема производимой в мире обуви составляет обувь клеевого метода крепления. Подавляющая часть обуви (свыше 75%) этого метода крепления изготавливается с использованием для низа (подошв, каблуков) различных искусственных (синтетических) материалов: резин, полиуретана, поливинилхлорида, термоэластопластов и др. [1].
Для достижения высокой адгезии соединяемые поверхности верха и низа обуви перед нанесением клея механически обрабатываются. В результате обработки различными рабочими органами (шарошками, фрезами, абразивными кругами, лентами, шкурками, брусками и др.) на поверхности деталей формируется определенный микрорельеф - шероховатость, обеспечивающая при выполнении дальнейших технологических операций (нанесение клеевой плёнки, прессование и др.) требуемые значения прочности клеевого соединения и эксплуатационных характеристик готового изделия - обуви. Величина шероховатости Нср и ее постоянство на любом участке обработанной поверхности являются основными критериями качества механической обработки деталей обуви перед склеиванием.
Необходимость механической обработки особенно важна для деталей низа, изготовленных методами литья и формования. Это объясняется тем, что любая из современных технологий производства деталей низа, основанная на указанных методах, предусматривает предварительный нагрев (активацию) полимерной композиции до пластичного состояния и последующее её охлаждение [1]. В результате выполнения основных технологических операций готовые изделия (подошвы, каблуки) имеют характерную гладкую "литую" поверхность с низким показателем шероховатости как на лицевой стороне, так и на подоснове (неходовой части). Поэтому для обеспечения высокой адгезии клеевого соединения шероховатость поверхности неходовой части формованных деталей низа увеличивают путем последующей механической обработки.
Для достижения максимальной прочности клеевого соединения, как показано в работах В/Г. Прохорова [2, 3], необходимо в результате механической обработки получить поверхность с равномерной (постоянной) шероховатостью, то есть #cp=const. Причем максимум прочности склеивания обеспечивается при вполне определенных значениях Яср, в большинстве случаев далёких от максимальных [2].
Однако, как показывают исследования [4], добиться постоянства величины шероховатости Яср поверхности деталей низа обуви при использовании существующих методов механической обработки очень сложно. Это связано со спецификой физико-механических свойств синтетических обувных материалов, с особенностями геометрических характеристик обрабатывающего инструмента, характером их изменения в процессе обработки и др. Но главной причиной, препятствующей достижению равномерной шероховатости обрабатываемых поверхностей после механической обработки деталей низа существующими способами, является сложность формы самих деталей. Например, традиционными инструментами крайне трудно произвести качественную обработку поверхностей под затяжную кромку и практически невозможно — внутренних поверхностей буртиков. Кроме того, при обработке деталей не обеспечивается постоянство режимов процесса (точнее, постоянство отношения скорости подачи детали к скорости резания инструмента), поскольку контакт детали с инструментом поддерживается, как правило, вручную рабочим и, следовательно, качество обработки в этом случае целиком зависит от его квалификации [4, 5]. В результате равномерность прочности клеевого соединения не обеспечивается (например, исследования [6] показывают, что 40 % обуви, не выдержавшей гарантийного срока носки, возвращается покупателями на предприятия розничной торговли по дефекту "отклейка подошвы", а 80 % обуви, поступающей в ремонт, сдаётся потребителями по такому же дефекту). Поэтому на практике для достижения необходимого качества обработки применяют многократное прохождение инструментом склеиваемых поверхностей. Это снижает производительность процесса и не позволяет создать высокоэффективное технологическое оборудование.
Для обеспечения высокой адгезии клеевого соединения на обувных предприятиях вместо механической нередко применяется химическая обработка деталей низа различными жидкими реактивами [7]. После промазки такими веществами поверхностный слой склеиваемых участков в результате химических реакций переходит в вязкое состояние, увеличивая при этом адгезионные свойства обрабатываемой поверхности. Однако и в этом случае равномерная прочность клеевого соединения не обеспечивается, поскольку операции химической подготовки деталей перед склеиванием осуществляются, как правило, вручную и качество их выполнения также полностью зависит от квалификации исполнителя.
Иная картина наблюдается при использовании на операциях механической обработки метода ударно-абразивной обработки, в котором инструмент, как твердое тело, отсутствует и не имеет механической связи со станком, а в качестве рабочего органа используется направленный поток незакрепленных абразивных частиц - высокоскоростная струя, формируемая, как правило, соплом струйного аппарата (по этой причине ударно-абразивная обработка имеет и другое название - струйно-абразивная обработка — САО).
Струйно-абразивная обработка позволяет за один проход рабочим органом получить требуемое качество обработки (постоянство шероховатости) по всей поверхности детали [8]. Поэтому оборудование для САО обеспечивает, при прочих равных условиях, повышение производительности процесса обработки. Кроме того, отсутствие в процессе САО рабочего инструмента, как массивного сплошного тела, позволяет значительно снизить требования к жесткости системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь), что создаёт предпосылки для механизации и автоматизации процесса обработки.
Экспериментальным и теоретическим вопросам изучения взаимосвязи технологических параметров процесса САО, формирования микрорельефа поверхности, повышения качества поверхностного слоя при обработке металлов и других материалов (в частности, натуральных кож и различных видов ре 8 зин) посвящены работы Ш.М. Билика [9], И.Р. Клейса [10], Г.А. Пичко [11], А.Е. Проволоцкого [12], Л.А. Эйзнера [13], Н.С. Пенкина [14], В.В. Бескоро-вайного [4] и др.
Анализ законченных исследований в области САО показывает, что в отечественной и зарубежной практике ведётся активный поиск путей интенсификации технологий, основанных на ударно-абразивном методе обработки. В частности, всё более широкое распространение при обработке деталей из полимерных материалов получают технологические процессы САО с применением искусственного холода, позволяющие за счет перевода обрабатываемого материала в хрупкое состояние интенсифицировать процесс обработки и значительно улучшить качество обрабатываемых изделий.
Вместе с тем до настоящего времени, за исключением работ [4, 15], практически отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору оптимальных режимов САО перед склеиванием деталей обуви, недостаточно изучены технологические возможности этого метода применительно к обувной отрасли, не исследована возможность использования искусственного холода при обработке деталей обуви. Причем авторами [15] рассмотрен процесс САО только для деталей верха обуви из натуральных кож, хотя известно [16], что структура и основные физико-механические свойства натуральных и синтетических полимерных материалов неодинаковы. Поэтому поведение в условиях САО искусственных и натуральных полимеров, вероятно, также будет различным. Кроме того, большинство работ, посвященных исследованию процесса САО, носит, как правило, прикладной характер. К настоящему времени исследователями накоплен обширный, но, в основном, эмпирический материал. При этом сложнейшие и до сих пор не имеющие чёткого и ясного решения теоретические вопросы разрушения поверхности при высокоскоростном соударении, которое имеет место при САО, авторами исследований, к сожалению, практически не затрагиваются.
Между тем очевидно, что знание физической природы механизма разрушения материала в условиях ударно-абразивной обработки, определение факторов процесса САО, в наибольшей степени влияющих на его интенсификацию, разработка на основе выявленного механизма разрушения методологии прогнозирования результатов САО позволят эффективно управлять процессом ударно-абразивной обработки любых материалов, назначать научно обоснованные оптимальные технологические режимы для достижения требуемого качества обработки поверхностей и формулировать исходные требования на проектирование высокоэффективного оборудования для САО.
Таким образом, повышение качества механической обработки деталей низа обуви перед склеиванием путём использования результатов всестороннего исследования процесса ударно-абразивной обработки в условиях низких температур искусственных обувных материалов, применяемых в производстве деталей низа, является весьма актуальной проблемой, имеющей важное научное и практическое значение.
Качество и эксплуатационные свойства поверхности, формируемые в результате ударно-абразивной обработки
Исследователи, занимающиеся вопросами ударно-абразивной обработки обувных материалов, отмечают, что формирование рисунка обрабатываемой поверхности с характерной для каждого режима САО шероховатостью происходит весьма непродолжительное время - до 10 с, затем полученный профиль поверхности копируется, оставаясь неизменным сколь угодно долго [15].
Процесс разрушения поверхности полимерного материала в результате САО носит в общем случае сложный характер, однако, как уже отмечалось, его можно рассматривать как сумму двух видов разрушения: деформационного и посредством резания.
В зависимости от того, каким движением обладает абразивная частица в момент касания обрабатываемой поверхности (вращательным, поступательным или комбинированным), могут проявляться различные виды микрорезания -строгание, фрезерование и сверление. Причины и характер стружкообразования в результате микрорезания полимерного материала при САО такие же, как и при обработке его на металлорежущих станках традиционными режущими инструментами (резцами, фрезами, сверлами, абразивными кругами и др.): разрушение материала подчиняется так называемой теории клина. Однако по сравнению с существующими методами механической обработки процесс микрорезания полимеров при САО в условиях низких температур является "одноактным" (то есть разрушение происходит не в результате непрерывного или многоциклового воздействия режущей части инструмента на материал, а за один удар частицы) и непродолжительным — в пределах периода времени от первого касания частицы обрабатываемой поверхности до отскока от неё (как показывают исследования [9], этот период составляет порядка 10 3 с). Отскочившая частица при повторном ударе о поверхность материала разрушение уже не производит, поскольку её остаточная кинетическая энергия ничтожно мала по сравнению с первоначальной, кроме того после отскока частица удаляется (сдувается) с поверхности обрабатываемой детали несущей воздушной фазой струи.
Эксперименты с различными материалами низа обуви показывают, что САО охлажденных до хрупкого (стеклообразного) состояния полимеров вызывает разрушение в виде выкрашивания (откола) поверхностного слоя обрабатываемых участков деталей обуви [23]. При этом рисунок этих участков после САО в общем случае очень напоминает текстуру поверхности абразивной шкурки, ленты или круга, сформированной зёрнами абразива с такими же геометрическими характеристиками, как и у обрабатывающих абразивных частиц.
Необходимо отметить, что вид (текстура) рисунка обрабатываемой поверхности при САО зависит, при прочих равных условиях, от угла атаки абразивной струи с поверхностью. Так, описанная выше текстура формируется при углах атаки в пределах 45-60 , характеризуется равномерной шероховатостью на всех обработанных участках и является оптимальной для обеспечения максимальной и равномерной адгезии клеевого соединения деталей низа и верха обуви. Однако при углах атаки струи, не превышающих 30, картина разрушения (эрозионного износа) материала и процесс формирования рисунка поверхности иные. Поскольку горизонтальная (касательная) составляющая скорости частиц при малых углах атаки значительно больше вертикальной (нормальной), то при контакте с обрабатываемой поверхностью продольное перемещение частиц превышает глубину их внедрения в материал. В результате на обрабатываемой поверхности появляются параллельные риски (канавки, царапины, углубления и др.), характерные для обработки твердых полимеров традиционными абразивными инструментами (лентами, кругами, брусками и др.). Исследование профилограмм поверхностей, обработанных при малых углах атаки абразивной струи, показывает, что равномерность шероховатости в этом случае не обеспечивается [23]. Объясняется это тем, что в силу упруго-эластических свойств твердых полимеров материал в зоне резания упруго деформируется (сжимается), а сразу за режущей кромкой частицы появившаяся упругая деформация исчезает. Сжатие материала сменяется растяжением слоя обработанной поверхности и является причиной образования напряжений в поверхностном слое. Если эти напряжения превысят предел прочности материала, на поверхности обрабатываемой детали образуются зародыши микротрещин, которые с последующими ударами частиц разрастаются в макротрещины, вызывающие в итоге бессистемное разрушение (выкрашивание) обрабатываемой поверхности в местах образования рисок.
С увеличением угла атаки абразивной струи (с возрастанием нормальной составляющей скорости частиц) доля процесса микрорезания в общем объеме процесса разрушения поверхностного слоя при САО уменьшается, и, начиная с 45, превалирует деформационный механизм разрушения, при котором эрозионный износ поверхности материала происходит в результате двух, отличающихся по своей природе, процессов деформирования. В момент удара частицы с поверхностью происходит сжатие материала, и когда, по мере внедрения в него частицы, контактные напряжения превысят предел прочности деформируемого материала, произойдет его разрушение [23].
Механизм взаимодействия абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью полимерного материала при ударно-абразивной обработке
Рассмотрим вначале процесс соударения на качественном уровне. До удара все сечения абразивной частицы поперек ее большой оси перемещаются с одинаковой скоростью. При столкновении абразивная частица - ударник, преодолевая в зоне контактной площадки инерцию частиц неподвижного материала (его для наших целей можно представить частью всего тела - стержнем, так как согласно [92], формирование параметров удара определяется лишь частью большего из соударяемых тел, которой и следует оперировать вместо большего тела), сообщает им ускорение, а элементы самого ударника соответственно замедляют движение - начинается формирование волны (см. рис. 2.1). Возникшая в нагруженном конце неподвижного стержня (части деформируемого материала) сжимающая сила должна быть равной силе инерции ударяющего тела. Вследствие этого, на тех участках ударника и материала, до которых успело распространиться действие силы, неизбежны деформации.
Поскольку сила действия равна силе противодействия, а жесткость соударяющихся тел не одинакова, то стержни будут деформироваться также не одинаково, с разными скоростями ct\ и аг (здесь а\ — скорость распространения звука в ударнике).
На сколько нагруженные концевые сечения неподвижного стержня (материал) переместятся в направлении удара, на столько же (пропорционально а21а\) меньший путь пройдут сечения стержня-ударника (по сравнению с тем, который они проходили за то же время до удара), то есть скорость всех сечений этого участка по сравнению с начальной скоростью удара уменьшится вдвое: V = VJ2 [92].
Если происходит деформация стержней, то, следовательно, часть кинетической энергии ударника переходит в потенциальную энергию деформации сжатия, оставшаяся же часть сохранится в кинетической форме (см. табл. 1.1).
Процесс частичного превращения кинетической энергии в потенциальную распространяется последовательно на прилегающие слои стержней, от одного сечения к другому. Каждый следующий неподвижный объем (К=0) деформируется и приобретает скорость вследствие взаимодействия с предыдущим, энергетический баланс которого при этом остается неизменным. Это происходит из-за уменьшения кинетической энергии пока еще ненапряженного объема стержня-ударника, ударяющегося с начальной скоростью V$ и наталкивающегося на уже деформированную (возмущенную) его часть. Граница между сжатым и ненапряженным участками стержня перемещается в обе стороны (и в материал, и в частицу) от контактной площадки со скоростью звука в данном материале. Этот процесс удобнее проследить в направлении, обратном распространению волны. Передний сжатый и двигающийся со скоростью К /2 участок стержня граничит сверху с таким же сжатым участком ударника (то есть с этой стороны имеется полное равновесие сил и напряжений), а снизу — с ненапряженным и неподвижным (о=0, V=0) участком. Поэтому, естественно, что он стремится расшириться вниз за счет деформации пока еще ненапряженной части длинного стержня материала. Однако на сколько он смещается вниз, на столько же его поджимает сбоку (слева или справа) аналогичный ему напряженный участок стержня, который, в свою очередь, будет поджат предшествующим ему участком. И так будет продолжаться до последнего напряженного участка, граничащего сверху с пока еще ненапряженной частью ударника. Таким образом, каждый напряженный участок стержня ведет себя как абсолютно твердое тело, которое, перемещаясь, не меняет своих размеров и напряжения (конечно, только в случае абсолютной упругости, при которой соблюдается пропорциональность между силой и деформацией), а передает лишь энергию в форме упругой деформации и кинетической энергии движения частиц, не высвобождая и не поглощая ее.
Ненапряженная часть ударника, движущаяся со скоростью К0, наталкивается на сжатый участок, перемещающийся в том же направлении со скоростью VQ/2, поджимает его, теряя половину своей скорости, и деформируется до того же напряжения, что и участки снизу.
Процесс передачи энергии от ударника через контактную площадку к свободной поверхности ударяемого стержня происходит до тех пор, пока не будет напряжен весь стержень-ударник. На этом заканчивается формирование волны сжатия. Очевидно, что именно на этом этапе значения давления достигают экстремальных величин и до этого момента от первого касания, видимо длится начальная стадия удара абразивной частицей по поверхности материала. Одновременно со свободного конца ударника (абразивной частицы) начинается разгрузка - отражение волны (импульса) напряжения.
Если на предыдущих участках набегающая с начальной скоростью V0 еще ненапряженная часть ударника поджимала деформированный, движущийся вниз участок ударника, то теперь из свободного торца сжатый объем ничего не поджимает, и он мог бы расшириться вверх, но скорость смещения вверх гасится равной ей и противоположно направленной скоростью VJ2. Благодаря этому, верхний крайний участок ударника полностью разгружается, а его свободный конец остается неподвижным, хотя ниже этого участка стержень все еще сжат, и частицы продолжают двигаться вниз со скоростью VQI2. Таким образом, по стержню вслед за волной сжатия с той же скоростью (а{ = EJpt ) сверху вниз идет волна разгрузки, которая снимает напряжения и останавливает движущиеся частицы стержня.
Экспериментальное исследование характеристик струи
Поскольку эффективность технологий, основанных на использовании в качестве рабочего инструмента двухфазной турбулентной струи с твердыми частицами, в значительной степени зависит от характеристик струи, определяющих характер и интенсивность разрушения (износа) обрабатываемой поверхности (таких, например, как скорость частиц Va, их концентрация р, частота нагружения материала v и др. [9]), изучение последних имеет важное прикладное значение.
Экспериментальные исследования двухфазных потоков с твердыми частицами проводились многими исследователями [96-100]. К сожалению, результаты, полученные различными авторами при изучении упомянутых характеристик струи, не могут быть использованы для совершенствования технологий струй но-абразивной обработки. Объясняется это, на наш взгляд, следующими причинами.
Во-первых, как показал анализ работ, посвященных изучению двухфазных потоков, к настоящему времени достаточно подробно и в соответствии с реальным процессом истечения струи описано поведение в потоке частиц лишь малого размера (0,1-1,0 мкм) [96] (см. подр. 3.1). Попытки математического описания характеристик струи с частицами большего размера (свыше 50 мкм, применение которых при САО наиболее распространено) ожидаемого результата, к сожалению, не принесли, поскольку информация, полученная в экспериментах различными исследователями, зачастую противоречива и не адекватна как теоретическим моделям, так и реальному процессу САО [97].
По этой причине прогнозировать результаты САО и организовывать наиболее эффективный технологический процесс САО с помощью известной информации о двухфазных потоках не представляется возможным.
Во-вторых, все известные экспериментальные исследования двухфазных потоков с твердыми частицами проводились с использованием методик, которые не учитывают влияние преграды, установленной на пути следования частиц на характеристики струи, хотя это обстоятельство имеет принципиальное значение в случае использования струи при САО.
Таким образом, разработка новых методов экспериментального исследования двухфазных потоков, позволяющих получить достоверные данные о поведении частиц (причем любых размеров) при встрече их с обрабатываемой поверхностью, является, по нашему мнению, актуальной задачей.
В данной работе рассматривается новая методика исследования и приводятся результаты экспериментов по определению скорости и силы удара частиц (размером от 400 до 1500 мкм), их концентрации и частоты нагружения обрабатываемой поверхности при САО полимерных материалов, используемых при изготовлении деталей обуви [23].
В настоящее время основными методами регистрации частиц и определения их характеристик в двухфазных потоках являются [104-107]: 1) фотографический, при котором параметры частиц определяются с помощью высокоскоростной фотографии, кинематографии, видеографии, спектрографии, голографии и др.; 2) тензометрический, при котором регистрация частиц и измерение их характеристик осуществляются с помощью тензометрических датчиков; 3) пьезометрический, при котором частицы регистрируются с помощью пьезометрических датчиков; 4) метод лазерной анемометрии, использующей эффект Допплера для измерения параметров твердой фазы потока с помощью лазера.
Методы 1 и 4 позволяют определить только скорость и концентрацию частиц в струе. Точность их достаточно высока. Однако определенные ограничения, накладываемые на проведение эксперимента (например, фотографическим методом определить скорость частиц можно лишь у периферийных слоев струи, причем скорость частиц не должна превышать 50 м/с, так как в против ном случае зафиксировать траекторию отдельной частицы не удается [104], а при лазерной анемометрии особые требования предъявляются к оптическим свойствам частиц и их геометрии [106]), и относительная сложность обработки результатов существенно затрудняют исследование процесса истечения двухфазной струи этими методами.
Методы 2 и 3 более универсальны (позволяют, кроме скорости и концентрации частиц определять еще силу их удара и частоту нагружения материала), не требуют продолжительной и сложной обработки результатов, однако имеют ряд существенных недостатков:
1. Невозможность перенесения результатов экспериментов на реальный процесс САО. Это связано с тем, что методы 2 и 3 не учитывают влияния обрабатываемой поверхности на результаты измерений. Как правило, в струю вводится только измерительное устройство, причем стремление минимального вмешательства извне в структуру потока диктует весьма жесткие требования к размерам и геометрии измерительного устройства, шероховатости его внешней поверхности. Очевидно, что аэродинамика потока в окрестностях обрабатываемой поверхности при САО будет заметным образом отличаться от поведения потока при встрече его с измерительным устройством. Вследствие этого достоверность полученных результатов не обеспечивается.
2. Использование для замеров только одной консольной подвески с датчиками. В этом случае для изучения процессов, протекающих в струе, приходится проводить большое количество опытов, последовательно перемещая консольную подвеску в ту или иную (единственную) точку потока. Следовательно, оценить (зафиксировать) процесс в какой-то момент времени хотя бы в единственном сечении струи не представляется возможным.
3. Отсутствие надежной защиты консольной подвески с закрепленными датчиками от так называемых "паразитных" колебаний, вызываемых действием несущей фазы струи (воздуха, жидкости). При наложении импульсов "паразитных" колебаний на сигналы, вызываемые ударами частиц, общая картина процесса, регистрируемая на осциллографе, искажается, поскольку "паразитный "
Прогнозирование наиболее значимых факторов процесса ударно-абразивной обработки обувных полимеров в условиях низких температур
Присущий процедуре анализа природы наблюдаемого при ударных испытаниях материалов низа обуви разброса результатов недостаток заключается в невозможности провести различие между разными статистическими функциями распределения на основе обычно доступного умеренного числа испытаний в воспроизводимых условиях. Например, для установления различия логарифмически нормального и экстремального распределений с разумной степенью надежности, которая оправдывала бы экстраполяцию, нужно было бы располагать несколькими тысячами результатов испытаний.
Иной подход заключается в формулировании имеющих физический смысл вероятностных моделей, которые затем используются для экстраполяции за пределы наблюдений и для предсказаний потому, что эти модели физически подходят для описания явления, а не потому, что распределениями, к которым эти модели приводят, могут быть приближены существующие результаты испытаний (что не является достаточным условием).
Как известно [89], процесс разрушения любого реального материала начинается в очень локализованных его областях, где встречаются врожденные неоднородности (дефекты) микроструктуры или неоднородности, возникающие в ходе необратимой деформации при нагружен и и (в том числе ударном), и приводит к интенсивному локальному возрастанию напряжений (как сжимающих, так и растягивающих), настолько большому, что некоторые из существующих дефектов превращаются в повреждения, в которых химические связи фактически разрушены. Агрегация примесей в микроструктуре, различного рода включения, не санкционированные технологией, центры деформационной несовме стности, поры и выделения посторонних частиц представляют примеры таких дефектов.
Таким образом, разрушение представляет собой процесс, характерный для дефектной структуры. Термин "хрупкое разрушение" обозначает группу тех процессов разрушения, которые не предваряются и не сопровождаются пластической деформацией, или потому, что материал не обладает действенным механизмом скольжения или другими механизмами, с помощью которых может быть диссипирована существенная часть энергии деформирования, либо вследствие блокирования таких механизмов низкой температурой или другими условиями окружающей среды. Кроме того, хрупкая прочность материала в условиях однородного напряженного состояния (что имеет место при ударных нагрузках) связана с концентрацией и степенью опасности дефектов данного образца. Поэтому статистическое рассмотрение приводит к заключению, что на прочность влияет размер образца. Если для того, чтобы вызвать разрушение, требуется определенное критическое число или определенная критическая степень опасности имеющихся повреждений, то произойдет оно или нет, будет зависеть от статистического ожидания возникновения таких критических условий в данном образце, причем это ожидание прямо связано с размером образца: чем он меньше, тем менее вероятны критические условия.
Таким образом, существование эффекта, обусловленного влиянием масштабного фактора, при хрупком разрушении является неотъемлемой частью этого физического процесса, а характер этого эффекта будет, очевидно, различным в зависимости от тех допущений, которые могут быть приняты относительно природы процесса разрушения.
Поскольку масштабный эффект отражает действие случайного процесса, его теория составляет часть общего статистического подхода к хрупкому разрушению, который сводится, по нашему мнению, к двум проблемам: задаче о функции распределения хрупкой прочности номинально идентичных образцов при номинально идентичных условиях испытания и задаче о влиянии на хрупкую прочность размера образца, распределения напряжений и напряженного состояния. Эти задачи взаимосвязаны, и их решение требует построения физико-статистических моделей, адекватных реальному процессу хрупкого разру шения исследуемых полимеров в условиях низкотемпературного охлаждения и ударного нагружения при САО.
На наш взгляд, можно предложить три модели, каждая из которых приводит к своей функции распределения хрупкой прочности: 1) модель равномерного распределения неоднородностей (дефектов) в структуре материала образца; 2) модель наислабейшего звена (элемента) объема разрушаемого образца; 3) модель произвольно расположенного "пучка" в структуре материала образца.
Рассмотрим последовательно каждую из этих моделей.
Ожидаемая функциональная связь между вероятностью существования (физически не уточняемой) неоднородности критической интенсивности в определенном объеме (на площади или на длине) тела (который обозначим через К) и величиной Г легко получается из допущения, что эти неоднородности равномерно распределены по объему (площади или длине) рассматриваемого тела. Пусть P (V) означает вероятность отсутствия критической неоднородности в некотором объеме V, а Я (К, ) - ту же вероятность для объема К,, не имеющего общих частей с объемом V. Тогда вероятность отсутствия такой неоднородности в объеме V+ VX равна р (у+у1) = р\У)Р (у]) (4.28) при предположении, что события с вероятностями Р (У) и Р (У{) независимы. Дифференцирование уравнения (4.29) по У дает jfP (V + Vx)=P fr)jfP (v\ (4.29)
Разделив уравнение (4.29) на уравнение (4.28), находим, что —\nP (V + V.) = In Р (К) = const, (4.30) так как (4.30) должно быть справедливым при произвольном значении Vt, Полагая Р (о)=1, так как для того, чтобы обнаружить неоднородность, необходим конечный объем, и Я (оо) = 0, что самоочевидно, интегрированием уравнения (4.30) находим [118] общее соотношение P (V) = ecV, (4.31) где величина c = V , имеющая размерность (К)"1, обозначает среднюю концентрацию неоднородностей. Чем меньше V -средний объем, приходящийся на неоднородность, то есть чем больше концентрация неоднородностей, тем быстрее убывает P (V) с ростом V.
Если считать, что попадание в объем V единственной неоднородности критической интенсивности приводит к разрушению этого объема, то вероятность разрушения может быть выражена как функция, экспоненциально зависящая от объема (площади или длины)
