Газоабразивное изнашивание вентиляторов и трубопроводов Крупич, Базыли

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Системы пневматического транспорта находят широкое применение в технологических процессах, связанных с перемещением дисперсного сырья (порошков, граігул, щепы, стружки) или удалением производственных отходов (шлифовальной пыли, опилок от деревообрабатывающего оборудования, продуктов сжигания твердого топлива от теплоэнергетических установок). Элементы машин и оборудования пневмотранспорта (лопасти вентиляторов, циклоны, изгибы трубопроводов) подвергаются изнашиванию частицами абразива, находящимися в запыленном воздухе или в виде примесей в транспортируемых сыпучих материалах. Интенсивность изнашивания зависит от вида транспортируемых материалов, а также от скоростей взаимодействия, составляющих в системах пневмотранспорта десятки или сотни метров в секунду.

Имеются существенные отличия в динамике контактных явлений, происходящих при взаимодействии дисперсных частиц с деталями вентилятора и трубопровода. Высокая скорость нагружения, разрушение или пластическое деформирование контактирующих тел, явление отскока частиц и повторного соударения их с деталями пневмотранспорта — факторы, осложняющие изучение этой проблемы па основе известных решений классических задач статической прочности или механики сплошной среды. Поэтому до сих пор весьма актуальным является поиск теоретических и экспериментальных методов анализа контактных явлений при взаимодействии дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов и разработки на этой основе методов снижения изнашивания деталей систем пневмотранспорта.

Связь с крупными научными программами и темами. Представленные в диссертационной работе результаты получены при выполнении программ научных исследований по договору о научно-техническом сотрудничестве на основе прямых связей между Отделом (ныне Научно-исследовательским центром) проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси в Гродно (Республика Беларусь) и Белостокским политехническим институтом (Республика Польша) на 1996-2000 гг. по теме «Разработка эрозионностойких материалов и условий ігх применения»; договору о научно-техническом сотрудничестве между Гродненским государственным университетом им. Янки Купаны (Республика Беларусь) и Белостокским политехническим институтом (Республика Польша) на 2001-2003 гг. по

теме «Разрушение поверхности материала при высокоэнергетическом фрикционном взаимодействии с дисперсными частицами», заключенных на основании договора между Правительством Республики Польша и Правительством Республики Беларусь о сотрудничестве в области культуры, науки и образования от 25 ноября 1995 г., а также проектов Белостокского политехнического института W/WM/5/98 «Разработка критериев стойкости материалов к эрозии, вызванной потоком частиц с большой кинетической энергией», W/WM/6/01 «Исследование, кинетики эрозии материалов», финансируемых Комитетом научных исследований Республики Польша.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является научное обоснование и разработка методов повышения износостойкости, долговечности и эффективности функционирования систем пневмотранспорта на основе учета особенностей динамического контактного взаимодействия дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов.

Основные задачи исследования:

определение доминирующих механизмов газоабразивного изнашивания, выбор и разработка моделей ударного взаимодействия дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов;

разработка методик расчета параметров фрикционного скользящего контакта частиц по поверхности деталей вентиляторов и трубопроводов;

- изучение влияния центробежных сил на параметры напряженного состояния в зонах интенсивного изнашивания;

разработка рекомендаций по проектированию деталей вентиляторов и трубопроводов с повышенной износостойкостью.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются материалы и конструкции вентиляторов и трубопроводов для перекачки воздушных сред, содержащих абразивные частицы, предметом исследования - процессы газоабразивного изнашивания роторов вентиляторов и изгибов трубопроводов.

Методология и методы проведенного исследования. Теоретический анализ параметров контактного взаимодействия частиц с поверхностью деталей выполнен с использованием основных положений теории упругости и пластичности, энергетической теории упругого и упруго-пластического удара с учетом сил ірения и динамики частиц. В процессе экспериментальной проверки теоретических выводов использовались общепринятые методики изучения процессов газоабразивного изнашивания, а также модернизированный при

выполнении данной работы метод изучения упруго-пластического удара по схеме падающего шарика. Изменения в структуре материалов и натурных образцов при газоабразивном изнашивании фиксировались при помощи оптической и атомно-силовой микроскопии, а также масс-спектрометрии. Профиль поверхности измеряли при помощи профилометра MISTRAL 070705, управляемого компьютерной программой PC-DIMS. Результаты обрабатывались с использованием программы SOLID-WORKS. Масс-спектры получены при помощи анализатора химического состава EDS-QUEST, входящего в состав микроскопа HITACHI S 3000N.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить новые представления о механике процессов изнашивания деталей вентилятора и трубопровода дисперсными частицами с учетом особенностей фрикционного взаимодействия при высокоскоростном динамическом контакте:

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено
предположение об упруго-пластическом характере взаимодействия
абразивных частиц с деталями вентилятора как для схем ударного, так и
фрикционного скользящего контакта. Определены критические
скорости перехода от упругого к упруго-пластическому
деформированию при ударе для конструкционных материалов,
наиболее часто используемых при изготовлении вентиляторов и
трубопроводов;

разработана методика расчета параметров ударного взаимодействия частиц с диском вентилятора и движения частиц после отскока навстречу воздушному потоку, позволившая определить расстояние от диска до дорожек интенсивного изнашивания на лопастях вентилятора;

на основе анализа механики ударного взаимодействия частиц с лопастью вентилятора впервые показано, что оно происходит в виде двух и более последовательных столкновений частиц с лопастью, первое из которых наблюдается в начале лопасти и характеризуется практически перпендикулярным или близким к нему столкновением, в то время как второе и последующие — косым высокоскоростным скользящим ударом частицы или ее фрагментов после отскока от лопасти и вторичного входа в контакт;

исследовано влияние сил Кориолиса и центробежных сил на параметры напряженного состояния лопасти в зонах ударного фрикционного скользящего контакта; впервые показано, что вклад центробежных сил является второстепенным по сравнению с силами

4 ..

динамического столкновения или силами Кориолиса, которые могут обусловливать возникновение контактных напряжений, значительно превышающих допустимые;

- решены актуальные задачи об ударном взаимодействии
дисперсных частиц с упругим демпфирующим покрытием изгибов
трубопроводов, а также скольжении частиц вдоль поверхности этого
изгиба, показавшие их существенную роль в газоабразивном
изнашивании изучаемых объектов;

- исследовано влияние деформационного упрочнения на стойкость
материалов к газоабразивному изнашиванию. На примере стали 40Х
показано, что объемное деформационное упрочнение снижает
износостойкость стали, а поверхностная обкатка шариком на нее влияет
мало.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие важные для практики результаты:

разработаны удобные для практического применения инженерные методики расчета напряжений при ударе частиц о подвижные детали вентилятора и изгиб трубопровода;

показано, что возникающие при ударе напряжения существенно превышают допустимые для всех известных конструкционных материалов;

разработаны новые конструкции вентиляторов и трубопроводов со сменными износостойкими элементами, расположенными в зонах интенсивного изнашивания, а также твердосплавными и демпфирующими покрытиями, которые имеют приоритетный характер и защищены заявкой на патент;

разработаны конструкции пневмопроводов на основе композиционных материалов, стойких к коррозионно-механическому изнашиванию, и методики их инженерных расчетов на прочность и жесткость с учетом релаксационных явлений и вибрации.

Результаты выполненных исследований и разработок прошли опытно-промышленную проверку и внедрены в производство в системах пневмотранспорта на заводе древесно-стружечных плит «Pfleiderer» (Польша), заводе экспериментальной продукции и технических услуг Белостокского' политехнического института (Польша), а также используются в учебном процессе Белостокского политехнического института и Гродненского государственного университета им. Янки Купалы. Разосланы рекомендации по

использованию результатов исследований промышленным предприятиям Беларуси, применяющим системы пневмотранспорта.

Промышленное использование разработок позволяет увеличить длительность межремонтного периода эксплуатации вентиляторов в 1,4-2,5 раза, а изгибов трубопроводов - не менее чем в 1,5 раза.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретического обоснования и экспериментального подтверждения упруго-пластического характера ударного взаимодействия дисперсных частиц с лопастью и диском вентилятора, а также изгибом трубопровода.

2. Расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента восстановления скорости при упруго-пластическом ударе дисперсной частицы о твердую поверхность.

3. Закономерности ударного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора, а также изгибом трубопровода, методики расчета положения зон интенсивного изнашивания.

4. Математические модели и результаты решения контактных задач для скольжения частиц вдоль лопасти вентилятора и изгиба трубопровода.

5. Научное обоснование принципов и практическая реализация способов повышения износостойкости деталей систем пневмотранспорта путем изменения способов подачи материала, применения сменных накладок и использования конструкций с регулируемым коэффициентом восстановления скорости при ударе.

Личный вклад соискателя. Основные положения, выводы и рекомендации диссертации разработаны автором самостоятельно: методика расчета критических скоростей перехода от упругого к упруго-пластическому стесненному и упруго-пластическому открытому деформированию при ударе [1; 17; 24; 38]; методики и оборудование для определения коэффициента восстановления скорости при упруго-пластическом ударе [1; 24; 46]; результаты исследования закономерностей ударного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора [1; 13; 14; 18; 20; 24; 26; 33; 36; 48-50], а также изгибом трубопровода [1; 8-11; 16; 17; 19; 25; 39; 40; 44-46]; математические модели решения контактных задач для скольжения частиц вдоль лопасти вентилятора и изгиба трубопровода [1; 16-18; 45]; результаты экспериментального исследования влияния деформационного упрочнения на стойкость материалов к газоабразивному изнашиванию [1; 8-11; 21; 22; 25; 32-35; 40; 42; 43].

Вклад основных соавторов состоял в совместной формулировке целей и выборе методик исследования, частично в проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований были представлены и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и конгрессах: Материалы, технологии, инструмент, И конференция «НОМАТЕХ», Минск, 1996; XVII Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciata Stalego, Jachranka, 1996; II конференция «Ресурсосберегающие и экологические чистые технологии», Гродно, 1996; VIII Seminarium Tworzywa Sztuczne w Budowie Maszyn, Polhechnika Krakowska, 1997; международный симпозиум «Славянтрибо-4», Санкт-Петербург, 1997; III научно-техническая конференция «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии», Гродно, 1998; 10^th International Conference «Mechanics of Composite Materials», Riga, 1998; 6^th International Symposium on Creep and Coupled Processes, Bialowieza, 1998; Международный симпозиум «О природе трения твердых тел», Гомель, 1999; II Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике «Механика-99», Минск, 1999; IV и V Konferencja naukowo-techniczna «Polirnery і kompozyty konstrukcyjne», Ustron, 2000 и 2002; международный симпозиум «Славянтрибо-5», Санкт-Петербург, 2000; международная научно-техническая конференция «Поликом 2000», Гомель, 2000; международные научно-технические конференции «Ресурсосберегающие экотехнологии: возобновление и экономия энергии, сырья и материалов», Гродно, 2000 и 2002; Белорусско-польский научно-практический семинар, Гродно, 2000; международная научно-техническая конференция «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической промышленности и . производстве строительных материалов», Минск, 2000; II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Material6w і Konstrukcji, Augustow, 2003; международные симпозиумы «ТРАНСТРИБО-2001», «ТРАНСТРИБО-2002», Санкт-Петербург, 2001, 2002; международный симпозиум «БЕЛТРИБ-2002» «О природе трения твердых тел», Гомель, 2002; X Seminarium Tworzywa sztuczne w budowie maszyn, Krakow, 2003.

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 52 научных трудах, в том числе в: 1 монографии, 25 статьях в научных и научно-технических журналах, 14 статьях в сборниках и материалах научно-технических конференций, 10 тезисах докладов, 2 заявках на патенты. Объем опубликованных материалов составляет 501 с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 230 страниц текста, 129 иллюстраций на 24 страницах, 19 таблиц на б страницах, библиографию из 243 источников на 16 страницах и приложения на 10 страницах.