Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Моделирование и расчет оболочечных конструкций смешивающих устройств строительно-дорожных машин 10
1.1 .Классификация и работа аппаратов оболочечной конструкции смешивающих устройств строительно дорожных машин 10
1.2. Проблемы, связанные с прочностью оболочек смешивающих устройств в различных технологических процессах 13
1.3. Методы расчета напряженно-деформированного состояния рабочих оболочек смешивающих устройств строительно дорожных машин 28
1.4. Расчет оболочечных конструкций смешивающих устройств строительно-дорожных машин при температурном воздействии 35
1.5. Постановка и задачи диссертационной работы 36
ГЛАВА 2. Моделирование процесса износа рабочей поверхности смешивающих устройств строительно-дорожных машин при наличии механохимической коррозии и абразивного воздействия 38
2.1. Основные закономерности износа рабочих оболочек во времени, по высоте от абразивного и химического воздействия при наличии температурного поля 38
2.2. Соотношение между объемом разрушенного слоя оболочки и скоростью абразивного воздействия при механохимической коррозии 45
2.3. Модель разрушения рабочей оболочки при наличии механохимической коррозии и абразивного воздействия 47
2.4. Обсуждение результатов и выводы 51
ГЛАВА 3. Математическая модель осесимметричного деформирования двухслойных оболочек смешивающих устройств с учетом воздействия температуры 53
3.1. Усилия и моменты в слоях рабочей оболочки смешивающих устройств 54
3.2. Система дифференциальных уравнений осесимметричного деформирования двухслойных рабочих оболочек при воздействии внешней нагрузки и температуры 61
3.3. Краевые условия на торцах цилиндрической рабочей оболочки 66
3.4. Оценка достоверности полученных результатов по математической модели осесимметричного деформирования 69
3.5. Результаты и их обсуждение 74
ГЛАВА 4. Расчеты конструкций смешивающих устройств строительно-дорожных машин; рекомендации, связанные с их эксплуатацией 75
4.1. Нагрузки и фактическое состояние оболочечных конструкций смешивающих устройств строительно- дорожных машин 75
4.2. Износ слоя рабочей оболочки вдоль образующей в зависимости от давления рабочей смеси 91
4.3. Прогнозирование абразивного износа и скорости механохимической коррозии рабочих оболочек смешивающих устройств строительно-дорожных машин 97
4.4. Напряженно-деформированное состояние исследуемых оболочек при воздействии силовых факторов (воздействие температурного поля исключается) 104
4.5. Выделение наиболее опасных зон возможных разрушений по слоям рабочей оболочки при работе конструкции и температурном воздействии 112
Рекомендации по обеспечению прочности конструкции смешивающих устройств строительно-дорожных машин 119
Основные результаты и выводы по работе 121
Литература 122
- Проблемы, связанные с прочностью оболочек смешивающих устройств в различных технологических процессах
- Соотношение между объемом разрушенного слоя оболочки и скоростью абразивного воздействия при механохимической коррозии
- Система дифференциальных уравнений осесимметричного деформирования двухслойных рабочих оболочек при воздействии внешней нагрузки и температуры
- Износ слоя рабочей оболочки вдоль образующей в зависимости от давления рабочей смеси
Введение к работе
Строительная индустрия тюменского региона, который является составляющей энергетической базы России, продолжает свое развитие. Объемы, выполняемые строительно-монтажными организациями, направлены на поддержание производственных мощностей по добыче нефти и газа, дальнейшее жилищное строительство, развитие дорожно-транспортной инфраструктуры.
Возросшие требования к выполнению строительно-монтажных работ, при появлении конкуренции на строительном рынке, невозможно выполнить без применения материалов нового поколения, а также новых технологий. Выпуск различных видов пенобетона, пластических и керамических изделий, штукатурных растворов на эпоксидных основах и т. д., основан на приготовлении многокомпонентной смеси и её транспортировании. Для ведения такого вида технологических процессов требуется не только поддержание определенных технологических параметров (температура, давление, интенсивное перемешивание и т. д.), но и необходимой прочности самой конструкции, в которой они происходят. Так как на первоначальном этапе в состав многокомпонентной смеси (PC) могут входить ядовитые и опасные для жизни человека вещества, то к технологическому оборудованию предъявляются повышенные требования. Сами конструкции, применяемые в производстве, представляют несколько связанных между собой рабочих оболочек (РО) и относятся к классу смешивающих устройств (СУ).
Выполненная работа направлена на изучение закономерностей износа при воздействии на оболочечную конструкцию абразивных частиц, химической коррозии и температурного поля.
Актуальность темы. Повышенные требования к качеству вводимых в эксплуатацию объектов промышленного и гражданского назначения, необходимость их удешевления потребовали производства новых строительных материалов. Это дало толчок к развитию новых и совершенствованию существующих технологий, основанных на приготовлении многокомпонентной смеси при определённых параметрах (давление, температура, перемешивание и т.д.).
Обследования технологического оборудования строительных и дорожных организаций, управлений, цехов по выработке материалов нового поколения, сделанные автором, показали, что основной причиной отказов является износ рабочих оболочек. Процесс абразивного и коррозийного изнашивания рабочих оболочек смешивающих устройств, строительно-дорожного оборудования, в настоящее время мало изучен.
Целью данной работы является создание методики прогнозирования износа двухслойных рабочих оболочек, смешивающих устройств строительно-дорожных машин, с учетом воздействия абразивных частиц, наличия механохимической коррозии и температурного поля.
Указанная выше цель определила основные направления работы:
1. Разработка методики расчета изменения толщины рабочей оболочки, при выполнении технологического процесса от абразивного износа и наличия механохимической коррозии.
2. Развитие математической модели двухслойной рабочей оболочки с целью прогнозирования напряженно-деформированного состояния при воздействии абразивных частиц, механохимической коррозии и наличия температурного поля.
3. Создание методики расчета по выделению наиболее опасных зон несущей конструкции рабочих оболочек смешивающих устройств с позиции прочности.
4. Определение изменения во времени напряженно-деформированного состояния двухслойных рабочих оболочек для прогнозирования их износа при различных условиях эксплуатации.
Объект исследования - двухслойные рабочие оболочки смешивающих устройств строительно-дорожных машин.
Предмет исследования - механизм износа слоев рабочих оболочек смешивающих устройств от абразивной составляющей смеси, наличия механохимической коррозии и воздействия температурного поля.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана модель разрушения во времени рабочих поверхностей смешивающих устройств строительно-дорожных машин от механохимической коррозии, наличия абразивного воздействия и теплового поля;
- выявлено влияние основных факторов, определяющих изменение во времени толщины слоев рабочих оболочек смешивающих устройств в условиях абразивного износа и механохимической коррозии;
- получена математическая модель напряженно-деформированного состояния двухслойной рабочей оболочки смешивающих устройств;
- предложена методика расчета износа, показано напряженно-деформированное состояние рабочих оболочек при различных условиях эксплуатации и наличия температурного поля.
Достоверность результатов обоснована обработкой экспериментальной информации, полученной на реальных объектах, бывших в эксплуатации или работающих смешивающих устройствах.
Проведена оценка внутренней сходимости результатов вычислений при решении дифференциальных уравнений методом конечных разностей. Результаты предложенной автором методики обосновывались на частных примерах в сравнении с решениями по другим методам.
Практическая ценность и реализация работы. Установлены основные закономерности износа во времени рабочих оболочек смешивающих устройств строительно-дорожных машин от абразивного и химического воздействия при наличии температурного поля.
Разработаны программы расчета рабочих оболочек смешивающих устройств строительно-дорожных машин. Выработаны рекомендации по работе исследуемых конструкций с позиции обеспечения их прочности.
На защиту выносятся:
- модель разрушения рабочих поверхностей оболочек смешивающих устройств строительно-дорожных машин от механохимическое коррозии при абразивном воздействии и наличия теплового поля;
- математическая модель деформирования изнашивающейся составной оболочечной конструкции смешивающих устройств, при воздействии температурного поля;
- методика расчета износа во времени по толщине слоев рабочих оболочек смешивающих устройств от абразивного воздействия, механохимическое коррозии при наличии температурного поля.
Внедрение результатов. Разработанная методика была внедрена на объектах строительной индустрии, что подтверждается актом, приложенным к диссертационной работе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на конференциях и семинарах:
• "Конференция молодых ученых, декабрь 2001 г.". Актуальные вопросы в АиК. Тюменская государственная сельскохозяйственная академия, 2001 г.
• Международная конференция, посвященная 70-летию Московского государственного университета пищевых производств, 2001 г.
• Научно-практическая конференция "Совершенствование методов использования и обслуживания техники в сельском хозяйстве". Челябинский государственный аграрный университет, 2002 г.
• На научно-техническом семинаре кафедры "Теоретическая и прикладная механика" Тюменского государственного нефтегазового университета, 2002 г.
• На объединенном семинаре кафедр "Теоретическая и прикладная механика", "Подъемно-транспортные и строительно-дорожные машины" Тюменского государственного нефтегазового университета, 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы: 132 страницы машинописного текста, 37 рисунков, 17 таблиц, 120 литературных источников.
Проблемы, связанные с прочностью оболочек смешивающих устройств в различных технологических процессах
При эксплуатации смешивающих устройств строительно-дорожных --машин внутренняя и наружная поверхность РО подвергается различным воздействиям. Наиболее распространенными являются химическая и электрохимическая коррозия и эрозия, которые меняют не только толщину элементов конструкции, но и частично воздействуют на её прочностные характеристики, из которых они выполнены.
Для избежания аварийных ситуаций необходимо прогнозировать изменение толщины РО во времени и соответственно должна быть методика расчета этого времени, позволяющая проследить за состоянием конструкции СУ с позиции ее прочности.
Прочностной расчет конструкций, имеющих оболочку, обеспечивается фундаментальными разработками [27, 98], а также методиками, например [91] который сводится к определению исполнительной толщины РО. Вычисления осуществляются с применением номограмм или с использованием практических данных [56], что не дает полной картины износа при интенсивной эксплуатации или при повышенной активности реагентов. Большинство РО изготавливается из металлов, или их сплавов [46, 57, 68]. Поэтому в работе рассматриваются конструкции из данных материалов.
Рассмотрим подробнее процесс абразивного изнашивания. Абразивные частицы бывают минерального происхождения, могут быть продуктами окисления металла, а также наклепанными металлическими частицами или твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов. Частицы могут иметь различные формы, с различно ориентированными гранями относительно изнашиваемой поверхности. Резать и снимать стружку могут не все частицы, часть из них деформируется в зависимости от соотношения твердости поверхности оболочки и твердости её самой [109, 106].
Авторы работы [101] различают следующие виды изнашивания: при трении о закрепленные абразивные частицы; при трении об абразивную --прослойку; при трении в абразивной массе; ударно-абразивное;гидроабразивное; газо-абразивное; в структуре абразивных частиц.
В.Ф. Лоренц считает [64], что абразивные частицы царапают металл, в результате чего происходит абразивное изнашивание. Он утверждает, что всякое изнашивание является абразивным, так как продукты износа также выступают в роли абразивных частиц.
И.В. Крагельский [61, 62] отмечает, что главной причиной абразивного изнашивания является многократное пластическое деформирование одних и тех же микрообъемов металла, которое вызывает их усталостное разрушение и отделение частиц металла от поверхностного слоя. Далее он отмечает, что абразивный износ зависит от геометрической формы, механических свойств, степени закрепления, соотношения механических свойств абразивной частицы и изнашиваемой поверхности, действующих нагрузок.
Б.И. Костецкий [58] выделяет две формы проявления абразивных процессов: 1) с преобладанием механико-химического разрушения (пластическое деформирование поверхностных объемов, их окисление и последующее разрушение образующихся пленок); 2) с преобладанием механического разрушения поверхностных слоев (внедрение абразивных частиц, разрушение поверхностных объемов металла без отделения частиц основного металла или со снятием микростружки).
Результаты исследований, проведенных В.Г. Колесовым [55] свидетельствуют о том, что процесс абразивного изнашивания сопровождается как пластическим деформированием металла, так и снятием с него микро- и макростружки присутствующими в абразивной среде минеральными частицами с острыми гранями.
По данным работ [51, 66] абразивная частица оставляет на поверхности риску-царапину, при этом металл по сторонам царапины уже как бы предразрушен и поэтому легко снимается другими частицами. Результаты обзора литературы по всем видам абразивного изнашивания систематизированы по Икрамову У.А. [47] и приведены в табл. 1.2. Влияние факторов на процесс изнашивания и их характеристики приведены в табл. 1.3.
Металл всегда имеет на поверхности пленку окисла, [62] которая имеет иную твердость, чем металл. Все это приводит к тому, что при трении с поверхности металлического тела она удаляется легче, чем металл. Металл обнажается, на нем вновь образуется пленка окисла, и изнашивание происходит в результате удаления окисленного слоя металла. Следовательно, пластическая деформация металла увеличивает его способность к окислению. Одновременно электрохимические реакции интенсивно протекают на непрерывно обновляемой поверхности [40].
Остановимся на процессах химической и электрохимической коррозии [5]. Питтинговая коррозия происходит в том случае, когда на отдельных участках поверхности запассивированного металла пассивное состояние нарушается, механизм этого явления достаточно изучен Фрейманом П.И. [93].
По В.В. Герасимову [26] следует, что развитие питтингов наблюдается в области перехода потенциалов от активного растворения к пассивному.
Другой разновидностью химической коррозии может быть щелевая, образующиеся в процессе коррозии металла вследствие конвекционного размешивания среды удаляются с поверхности. При коррозии в щели миграция продуктов коррозии из щели в объем и кислорода в щель происходит вследствие диффузии. В связи с этим содержание кислорода и ионов металла в щели отличается от их содержания в объеме. Чем меньше ширина щели, тем менее интенсивен процесс диффузии и, соответственно, тем меньше концентрация кислорода в щели [84].Прогнозировать щелевую коррозию поверхности металла крайне трудно.
Соотношение между объемом разрушенного слоя оболочки и скоростью абразивного воздействия при механохимической коррозии
Так как оболочка цилиндрической формы является основой большинства смешивающих устройств, поэтому остановимся на основных закономерностях изменения рабочей поверхности, разрушенным слоем и скоростью абразивного воздействия при механохимической коррозии. Схематично интересующие нас параметры рабочей оболочки представлены нарис. 2.3.
Рис. 2.3. Рабочая оболочка смешивающего устройства,где S - толщина оболочки, dS - износ оболочки по высоте с внешней стороны, dS" - износ оболочки по высоте с внутренней стороны, Re -внутренний радиус оболочки, RH - внешний радиус оболочки, dx -бесконечно малый элемент вдоль образующей LQ.
Если рассматривать изменение длины окружности, то мы можем записать--Из (2.15) видим, что при воздействии на оболочку PC можетпроисходить ее увеличение или уменьшение. Изменения с учетом (2.5) и (2.8)имеют вид
В общем, зависимость между скоростью разрушения оболочки по высоте и скоростью увеличения или уменьшения длины окружности этой же оболочки будет выражаться, исходя из (2.16)
Умножая длину окружности на dx по образующей, получаем поверхность, изменяющуюся в результате воздействия на нее абразивных частиц при механохимической коррозии.или через скорость разрушения оболочки по высотеСкорость изменения поверхности
Объем разрушенного слоя рабочей поверхности по высоте в результатеучитывая, что слагаемое d имеет бесконечно малую величину [50], переписываем выражениеили через скорость разрушения по высоте получаемили через скорость изменения объема разрушения по длине окружности и образующей
Результирующая величина разрушения рабочей поверхности оболочки высоте от воздействия рабочей смеси была определена (2.9).
Природа абразивного изнашивания достаточно изложена в первой главе. Остановимся на модели [61] внедрения единичной абразивной частицы в рабочую поверхность оболочки (рис. 2.4).Рис. 2.4. Внедрение единичной абразивной части в поверхность рабочей оболочки
Обозначения: hmax- глубина внедрения (мм); є - относительное сближение в статическом состоянии; в - угол в основании единичной поверхности (град); d - пятно касания частицы с поверхностью (мк); L -образующая по профилю внедрения частицы в поверхность (мк).
В соответствии с исследованиями, приведенными в [41], [99], величина анодного тока зависит от величины коррозирующей поверхностигде / - токовый показатель скорости коррозии (А/мм ), Аг - коррозирующая поверхность (поверхность анодных участков), (мм ).
Беря во внимание на единицу изменяющейся площади, в результате воздействия абразивной частицы Ка (2.1)где AQ - первоначальная поверхность. --На рис. 2.4 видим, что образующая по контуру внедрения, учитываядвижение частицы, имеет величину
Абразивный износ влияет на скорость механохимической коррозии не только через величину площади контакта рабочей оболочки с агрессивной средой, но и через образование вмятин (борозд). Они являютсяконцентраторами напряжений. Это ведет к увеличению (7ср и соответственно скорости коррозии (2.7).
Беря во внимание (2.9), получаем: Полная интерпретация математической модели разрушения рабочей поверхности от воздействия единичной абразивной частицы с учетом (2.2 и 2.3) при наличии механохимической коррозии за малый промежуток времени
Проведем исследования полученного уравнения (2.27). При этом поверхность материала абразивной частицы и рабочей поверхности оболочки обозначим через На и Нп.1. Рабочая смесь не находится в движениит. е. здесь преобладает механохимическая коррозия поверхности рабочей оболочки.2. Рабочая смесь находится в движениитогда идет разрушение рабочей поверхности оболочки от воздействия абразивного износа и механохимической коррозии.
Здесь идет интенсивное разрушение рабочей поверхности оболочки по всей толщине s в виде разрыва, резания или прострела по вертикали.
Зависимость разрушения поверхности рабочего слоя по высоте от воздействия абразивной составляющей при наличии механохимической коррозии можно представить в виде:где КА (Т) - закон изменения рабочей поверхности оболочки во времени от воздействия рабочей смеси.
Основываясь на анализе полученных при обработке обследований смешивающих устройств строительно-дорожных машин, а также аналогичных конструкций в других отраслях:разрушение рабочей оболочки по высоте необходимо рассматривать как комплексный процесс воздействия сред одновременно с внешней и внутренней стороны каждого слоя в отдельности, оценивая взаимное влияние скорости абразивного воздействия и механохимической коррозии во времени; --при определении прочности конструкции во времени необходимоиметь в виду, что граница варьирования ограничена прибавкой для компенсации коррозии и эрозии С\\если определен закон разрушения по одному из следующих изменяющихся параметров L(T), А{Т), V(T) и и, то он с достоверной точностью прогнозирует поведение остальных;полученная математическая модель разрушения рабочей поверхности при внедрении аразивной частицы и наличии механохимической коррозии позволяет перейти к расчету изменения высоты слоя оболочки от воздействия абразивных частиц и наличия механохимической коррозии, находящихся в PC, на рабочую поверхность оболочки.
Система дифференциальных уравнений осесимметричного деформирования двухслойных рабочих оболочек при воздействии внешней нагрузки и температуры
Износ слоя рабочей оболочки вдоль образующей в зависимости от давления рабочей смеси
Дифференциальные уравнения, позволяющие описать поведение каждого отдельного слоя исследуемой системы рабочей оболочки, записываем в координатах х, S (рис.3.1 а, б). Из полного вектора перемещений для г -го слоя и, vl, W1 определяются только две составляющие -и, W. На данном уровне считаем, что межслойные связи (жесткость) нулевые.
Тогда работа каждого слоя рассматривается отдельно. Для каждого слоя выполняется гипотеза прямых нормалей, для всего пакета в целом этагипотеза не выполняется. Кривизна kl=\/Rl и кривизна к1 =\/Rl --записывается для каждого слоя рабочей оболочки, где Rl =оо, a R 2 = г .Для записи уравнений равновесия рассматривается бесконечно малый элемент слоя соответственно с действующими на него усилиями и моментами (рис. 3.3).
Записываем уравнения статики, проектируя силы на ось вдоль образующей х и ось z, составляя уравнения моментов относительно оси S, тогда для первого и второго слоя получим [113]:поперечные силы и изгибающиемоменты в і -ом слое; qz- внешняя нагрузка, распределенная по срединной поверхности каждого і-то слоя.
После преобразований для двух слоев рабочей оболочки (/ = 1, 2), запишем: В полученной системе уравнений (3.13) для двух слоев рабочей оболочки неизвестны: Мх Nx Ns Qx , т. е. восемь искомых функций.
-В результате получили систему шести уравнений, которые являютсяуравнениями равновесия для двух слоев конструкции смешивающихустройств. В эту систему входят восемь неизвестных, которые предстоитопределить. Осуществим преобразования системы (3.13):
Соотношения (3.14) подставляем во второе уравнение (3.13) и после преобразований получим
Два других уравнения из системы (3.13) - проекции на ось вдоль образующей - как для первого, так и для второго слоя остались без изменения:
В уравнения (3.15) входят нагрузки qz и qz , действующие понормали на каждый отдельный слой. В рамках технической теории, если гипотезу прямых нормалей отнести ко всему пакету, нельзя разделитьсоставляющие q\ и q[ от общей нагрузки qz. Но задача рассматривается врамках технической теории для каждого отдельного слоя при известных нагрузках. При этом не пренебрегаем изменением кривизны при переходе от одного слоя к другому. --Представим деформации в срединных поверхностях двух слоеврабочей оболочки в компонентах перемещений:
Теперь неизвестные усилия и моменты системы уравнений (3.13) перепишем в перемещениях. Из первых двух уравнений (ЗЛО) и уравнения (3.11) с учетом (3.17) имеем:
Выражения (3.18) подставляем в уравнения равновесия (3.16), (3.15). Если рассматривается задача расчета каждого слоя рабочей оболочки смешивающих устройств переменной жесткости, тогда уравнения равновесия примут вид:
Полученная система уравнений является замкнутой системой и разрешается относительно четырех неизвестных функций щ , щ , W иw . Но для того, чтобы говорить о математической модели, позволяющей описать поведение рабочей оболочки смешивающих устройств под нагрузкой, необходимо ввести краевые условия. При этом граничные условия записываются в кинематической и статической форме для функций прогибаw и w и перемещении и я и вдоль образующей цилиндрической оболочки смешивающих устройств.
В решении системы дифференциальных уравнений, т. е. при расчетах рабочих цилиндрических оболочек смешивающих устройств, необходимо задать граничные условия. Эти условия должны отвечать реальному характеру поведения исследуемого объекта под нагрузкой.3.3. Краевые условия на торцах цилиндрической рабочей оболочки
Для расчета рабочих цилиндрических оболочек смешивающих устройств сформирована математическая модель в форме дифференциальных уравнений (3.19). Но в общую постановку данной задачи необходимо задать
