Произведена оптимизация процесса нанесения покрытий из порошков металлокерамики с различным содержанием твердой фазы методом плазменного напыления на воздухе для восстановления и упрочнения деталей машин и механизмов, работающих в неблагоприятных условиях. Такие условия обычно создаются в тяжело нагруженных трибосопряжениях во время работы механизмов с небольшой скоростью относительного перемещения поверхностей при трении. Эксплуатируемые рабочие поверхности разрушаются в основном из-за микроконтактного схватывания и последующего отрыва сформированных частиц в точках их контакта. Нанесение специальных защитных покрытий с требуемыми свойствами возможно при изготовлении качественных исходных порошковых материалов и оптимизации технологии их нанесения. Получить такие порошки и порошковые композиции можно методом агломерирования мелкодисперсной порошковой шихты с ее последующим высокотемпературным спеканием. Для выявления механизма упрочнения сформированных газотермическим напылением композиционных покрытий из металлокерамики важные этапы – это оптимизация параметров процесса напыления и изучение свойств получаемых плазменных покрытий. При оптимизации технологических параметров плазменного напыления покрытий учитывали коэффициент использования порошкового материала как основного показателя эффективности процесса, структуру полученных слоев, морфологию отдельных нанесенных на полированную поверхность частиц. В статье приведены данные об элементах структуры напыленных материалов для износостойких покрытий, полученных плазменным напылением на оптимальных режимах. С учетом процессов, происходящих при изнашивании трибосопряжений, эти данные свидетельствуют об имеющихся предпосылках износостойкости исследуемых композиционных покрытий из металлокерамики. Специальные износостойкие покрытия из материалов с мягкой матрицей, упрочненных твердыми включениями Al2O3–TiO2–Ni–Cr–Al–Y, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. На основе подробного анализа особенностей металлокерамических плазменных покрытий можно констатировать, что такие порошковые композиции (комплексные оксиды – металлическая составляющая) часто используются в качестве износостойких плазменных покрытий. Результаты исследований могут быть учтены в случаях нанесения износостойких плазменных покрытий из металлокерамики и композиций на их базе, содержащих твердые фазы в виде оксидов, а также изготовления целого спектра деталей, работающих в условиях интенсивного износа.
Наука и техника
2021. — Выпуск 5
Содержание:
Разработан и исследован процесс получения аэрированных (наполненных пузырьками воздуха) полимерных покрытий методом газопламенного напыления с оценкой их способности к демпфированию колебаний. Используя возможности конструкции полимерного термораспылителя модели ОИМ 050, заключающиеся в обеспечении подачи спутного воздушного потока между факелом пламени и струей порошкового материала, разработана технология управляемого формирования аэрированных полимерных покрытий. Эксперименты выполнялись с такими термопластичными полимерами, как полиэтилентерефталат, полиэтилен высокого давления, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полиамид. Установлено, что коэффициент аэрирования растет практически прямо пропорционально с увеличением количества воздуха в спутном потоке у всех исследуемых полимерных покрытий. Отмечено, что на процесс аэрирования оказывают влияние реологические свойства жидких полимеров, а точнее, величина показателя текучести расплава полимера. Определены предельные значения воздуха в спутном потоке, которые позволяют не снижать значения адгезии полимерных покрытий со стальными подложками менее 6 МПа и не уменьшать их твердость более чем на 25–30 %. Исследования демпфирующих свойств образцов с полимерными покрытиями осуществляли на стенде, кинематическая схема которого основана на нагружении свободного конца консольно закрепленного образца, резком снятии нагрузки и регистрации свободных затухающих колебаний бесконтактным датчиком индукционного типа, связанным с компьютером. Показано, что использование аэрирования при формировании шумопоглощающих покрытий на стальных образцах позволяет увеличить их логарифмический декремент затухания на 18–26 %.
Ключевые слова
Одна из главных проблем при проектировании сельскохозяйственных машин, в том числе почвообрабатывающих, – обеспечение оптимальной энергоемкости выполнения различных технологических операций. Конструктивные, кинематические и технологические параметры ротационных почвообрабатывающих машин оказывают существенное влияние на показатели энергоемкости процесса и качество обработки почвы. К этим параметрам относятся диаметр рабочего органа сельскохозяйственной машины, угловая скорость и частота вращения дисков, количество режущих элементов, поступательная скорость рабочего органа, высота образуемого при обработке почвы гребня, толщина срезаемой стружки. Важной агротехнической характеристикой почвообрабатывающей ротационной машины является гребнистость дна борозды. Высота образуемых гребней должна быть менее 20 % глубины обрабатываемой почвы. В настоящее время для обеспечения требуемой высоты гребней в конструкциях ротационных машин имеется ряд ограничений, которые обусловливают режим работы и параметры агрегатов. В процессе исследований оценивали степень влияния параметров разработанного рабочего органа и затрачиваемой энергии на качество обработки почвы. Опыты проводили на установке, включавшей рабочий орган, силовой агрегат, регулирующую и контрольноизмерительную аппаратуру. В качестве силовой части использовали электродвигатели переменного тока с фазовым ротором, мощность которых составляла 0,75 и 1,50 кВт, а частота вращения – 920, 1500 и 3000 об/мин. Установлены параметры, позволяющие на 11–17 % уменьшить затраты энергии на обработку почвы по сравнению с существующими машинами и обеспечить выравнивание дна борозды до 80 %.
Ключевые слова
В последнее время ведется разработка группы новых технологий высокотемпературного, в том числе плазменного электродугового, напыления (при атмосферном давлении) и сфероидизации некоторых керамических и металлических порошковых материалов как с использованием углеводородных газов в качестве теплоносителей, так и с внесением в высокотемпературную струю органических добавок (в частности, полимерных) для регулирования пористости напыляемых металлических покрытий. В статье рассмотрена возможность модификации процессов данной группы за счет ввода твердотопливных добавок полимерного типа в рабочую среду аппарата для газотермической (плазменной или другой) обработки, обеспечивающей плавление металлических или оксидных порошков. Для этого с помощью термодинамического анализа проведена оценка процессов при температурах (300–3000) К для набора реагирующих пятикомпонентных систем типа C–H–O–N–Me (при давлении 0,101 МПа) с пятью вариантами Ме – алюминий, титан, хром, медь, никель. Это позволяет рассматривать данные системы как имитаторы для потенциальных технологий обработки как оксидных (Al2O3, TiO2, Cr2O3), так и металлических (Cu, Ni и их сплавы) порошков. С целью получения высокого экзотермического вклада в нагрев порошков в качестве смесевого теплоносителя для базового варианта моделируемого процесса выбрано сочетание «воздух + полимерная добавка (полиэтилен марки LDPE)». В ходе анализа равновесий в рассмотренных многокомпонентных системах (17 вариантов) для характеристики энергоемкости целевого процесса нагрева порошков использовали набор параметров: фактор эквивалентности реакционной смеси и ее адиабатическую температуру, энергетический КПД нагрева материала с учетом и без учета вклада топливной добавки, удельные энергозатраты на плавление порошка, степень автотермичности процесса при комбинированном нагреве (электротермическое нагревание через дугу плазмотрона и тепловыделение от смеси «воздух + твердотопливная добавка») тугоплавких порошков. В результате проведенной оценки найдены предпочтительные (с термодинамических позиций) режимы рассмотренных процессов и показана возможность реализации энергоэффективного нагрева данных оксидных и металлических материалов (без окисления последних до CuOx, NiO) с пониженной долей электрического канала энергопереноса за счет существенного вклада топливного механизма нагрева в C–H–O–N–Me-системах.
Ключевые слова
Приведен сравнительный анализ перемещений изогнутых стержней различных форм кривизны, которые могут быть применены в качестве инструментов для ультразвуковой обработки отверстий в хрупких материалах. Традиционная обработка отверстий ультразвуковым способом основана на использовании прямолинейных стержней: у них амплитуда перемещений на рабочем (свободном) конце соответствует величине перемещений в точке его присоединения к концентратору ультразвуковых колебаний. Дополнение конфигурации прямого стержня криволинейной формой в виде дуги окружности или спирали, скрученной на один виток, позволит получить дополнительные перемещения, вызванные упругими свойствами участка с изогнутой формой. Рассмотрено несколько расчетных схем криволинейного стержня, ограниченного углами j, равными p/2, p и 2p, с различным направлением действия внешней силы. Полученные результаты показали, что увеличение угла дуги окружности приводит к соответствующему повышению показателя упругого перемещения свободного конца стержня. В этом случае суммарные перемещения свободного конца стержня будут слагаться из перемещений, вызванных колебаниями акустической системы, и перемещений криволинейного тонкого стержня от внешней силы. Расчетами установлено, что на величину упругих перемещений криволинейных стержней влияют форма и величина угла, направление внешней силы, радиус кривизны, жесткость поперечного сечения. Рассмотренные схемы тонких стержней с криволинейными участками могут найти практическое применение в ультразвуковых колебательных системах для обработки отверстий малого диаметра в хрупких материалах. При этом увеличивается интенсивность колебаний инструмента и повышается производительность процесса.
Ключевые слова
Контактные задачи для упругой полосы достаточно хорошо исследованы и освещены в отечественной научной литературе. Отчасти это вызвано тем, что в нормативных документах по фундаментостроению рекомендуется использовать эту модель упругого основания для моделирования системы «сооружение – фундамент – грунтовое основание». Обычно рассматриваются два варианта граничных условий на контакте полуполосы с жестким недеформируемым основанием. Первое граничное условие обращает в нуль вертикальные перемещения и касательные напряжения, второе – вертикальные и горизонтальные перемещения. Значительно менее исследованы контактные задачи для упругой полуполосы. В статье рассмотрена эта контактная задача при выполнении первого граничного условия обращения в нуль вертикальных перемещений и касательных напряжений на контакте полуполосы с жестким недеформируемым основанием. При проведении расчетов в традиционной постановке без учета касательных напряжений в контактной зоне используется способ Б. Н. Жемочкина, который сводит решение контактной задачи механики твердого деформируемого тела к решению статически неопределимой задачи смешанным методом строительной механики. Поэтому вначале найдены перемещения верхней грани полуполосы от равномерно распределенной по участку грани единичной нагрузки. Полученное выражение используется для составления системы уравнений способа Жемочкина. Рассмотрен случай поступательного перемещения штампа, приводится график распределения контактных напряжений под подошвой штампа.
Ключевые слова
Приведен обзор известных конструкций водозаборных скважин. Предложена новая конструкция двухколонной двухфильтровой водозаборной скважины, в которой фильтры устраиваются в два яруса, что позволит повысить водозахватную способность и уменьшить скорость фильтрации на подходе к фильтрам. Это, в свою очередь, создаст условия для снижения потерь напора и уменьшения понижения в скважине, обеспечивая снижение себестоимости добываемой воды. Данная конструкция совмещает в себе одновременно рабочую и резервную скважины, находящиеся в одном буровом стволе, что повышает ее надежность, долговечность и бесперебойность подачи воды потребителю. Представлена методика расчета гидравлических параметров двухколонной двухфильтровой водозаборной скважины, которая базируется на зависимостях для расчета основных геометрических размеров при заданном проектном дебите и гидрогеологических характеристиках водоносного пласта, а также формулах для определения понижения в скважине на заданный срок эксплуатации при работе одного и двух насосов одновременно. Изложены основы проектирования скважины предлагаемой конструкции. Рассмотрен пример расчета для новой конструкции скважины взамен снизившей свой удельный дебит существующей типовой скважины.
Ключевые слова
Азотсодержащие соединения, которые поступают в бетон совместно с сырьевыми компонентами, в частности с химическими модификаторами бетонной смеси и бетона, а также присутствующие в портландцементе, способны в результате разложения образовывать аммиак. Процессы образования и эмиссии аммиака как вызывают ухудшение атмосферы жилых помещений, так и являются причиной понижения прочности и показателей эксплуатационной безопасности железобетонных конструкций. Эти обстоятельства обусловливают необходимость проведения исследований и разработки методов определения безопасного количества аммонийсодержащих добавок в бетоне. Чаще всего в азотсодержащих соединениях присутствуют добавки-пластификаторы, противоморозные и комплексные добавки, а также ускорители схватывания и твердения. Согласно Изменению № 2 СТБ 1112–98 «Добавки для бетонов. Общие технические условия», содержание ионов аммония в добавках не должно превышать 100 мг/кг (кроме противоморозных). Вместе с тем некоторые добавки, в том числе пластификаторы, успешно применяемые не один год без выявленных проблем с эмиссией аммиака, не укладываются в установленную норму. Для определения предельно допустимых концентраций (ПДК) аммонийных солей в бетоне необходимо знать зависимость эмиссии аммиака из бетона от различных факторов, в частности от массового содержания солей в бетоне, площади поверхности, с которой осуществляется эмиссия аммиака, массы бетонных конструкций, температуры, влажности и кратности воздухообмена в помещении. В меньшей степени на эмиссию аммиака будут влиять характеристики бетона и условия реакции гидролиза солей в нем. В статье приведены формулы для расчета эмиссии аммиака из бетона при введении различных аммонийсодержащих добавок. Показано, что, несмотря на сверхнормативное содержание ионов аммония в добавках С-3, ЛСТ и УП-4, эмиссия аммиака из бетона в ряде случаев не превышает установленных ПДК. Объем эмиссии аммиака из бетона определяется не только количеством ионов аммония в добавках, но и в значительной степени конструктивно-технологической схемой здания и параметрами загрузки бетоном помещения. При известных ПДК в воздухе помещения, заданных параметрах загрузки бетоном помещения формулы позволяют рассчитать предельную концентрацию добавки в бетонной смеси, непревышение которой обеспечит соблюдение ПДК по аммиаку в воздухе помещений.
Ключевые слова
Рассмотрена организация рабочего процесса шестицилиндровых дизелей мощностью 116 и 156 кВт с рециркуляцией отработавших газов. В экспериментальных комплектациях двигателя использовались следующие системы и узлы: аккумуляторная система подачи топлива Common Rail BOSCH c давлением впрыска 140 МПа, оснащенная электрогидравлическими форсунками с семисопловыми отверстиями и проливом 500 мм3; система впрыска непосредственного действия с топливным насосом MOTORPAL с максимальным давлением впрыска 100 МПа, оснащенная форсунками MOTORPAL и АЗПИ с пятисопловыми отверстиями; камеры сгорания двух типов объемами 55 и 56 см3 с диаметрами горловин 55,0 и 67,5 мм; головки блоков цилиндра, обеспечивающие вихревое отношение для системы впрыска Common Rail 3.0–4.0, для механической системы впрыска 3,5–4,5. Степень рециркуляции задавалась дросселированием отработавших газов перед турбиной с помощью заслонки оригинальной конструкции. Испытания проводились по характерным точкам цикла NRSC на трех частотах вращения коленчатого вала: минимальной холостого хода 800 мин–1, максимальной крутящего момента 1600 мин–1 и максимальной мощности 2100 мин–1. Установлено, что достижение норм выбросов вредных веществ возможно: на дизелях мощностью 116 кВт с использованием топливной аппаратуры непосредственного действия и с полуоткрытой камерой сгорания; на дизелях мощностью 156 кВт с использованием системы топливоподачи Common Rail типа Low Cost и открытой камерой сгорания.
Ключевые слова
Для совершенствования важнейших параметров рабочих органов глушителей шума предложен метод, основанный на использовании теории предпочтительных чисел. В результате многолетних научных исследований авторами установлена неизвестная ранее теоретическая взаимосвязь между основными рядами предпочтительных чисел, золотой пропорцией и числами ряда Фибоначчи. Рассмотрено новое направление в развитии теории чисел, составлена ее классификация, включающая в себя геометрическую теорию чисел, предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел, содержащая новый основной ряд предпочтительных чисел с применением последовательности Фибоначчи. Получены новые формулы для определения знаменателей геометрических прогрессий рядов предпочтительных чисел и площади круга. Определение площади круга по новой формуле позволяет получать более точные ее значения. Выведена также новая формула для определения длины окружности круга. Разработаны конструкции перфорированных перегородок, в которых использованы закономерности новых основных рядов предпочтительных чисел. Дано расчетное обоснование основных геометрических и конструктивных размеров глушителей шума с помощью математической модели перфорированной золотой перегородки и новых основных рядов предпочтительных чисел, позволяющее получить конструкцию глушителей шума, обладающих минимально возможным аэродинамическим сопротивлением при максимально возможном снижении уровня шума выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Предложена инновационная модель глушителя шума поршневых двигателей внутреннего сгорания с улучшенными гидравлическими и акустическими характеристиками на основе теории чисел. Теория предпочтительных чисел применима к любым техническим устройствам.
Ключевые слова
Целью исследования являлась разработка схемы автомобильного кондиционера, позволяющего снизить потребление развиваемой двигателем мощности. Предложена конструкция и приведено описание принципа действия автомобильного абсорбционного кондиционера, работающего по циклу одноступенчатой абсорбционной холодильноймашины. Она состоит из десорбера (генератора), конденсатора, абсорбера, испарителя. В качестве абсорбента использовали раствор бромида лития (LiBr), который имеет низкую температуру кипения, не токсичен и безопасен. В процессе исследования разработаны 3D-модели абсорбера и генератора абсорбционного автомобильного кондиционера. Абсорбер предназначен для образования слабого раствора абсорбента, который при помощи жидкостного насоса поступает в теплообменник генератора, где нагревается отработавшими газами до температуры кипения. Раствор испаряется, и пар идет в конденсатор (испаритель). В генераторе раствор концентрируется от 52 до 60 %. После этого в абсорбер из конденсатора поступает водяной пар, а из генератора – концентрированный раствор абсорбента. Следует заметить, что генератор является ключевым элементом системы абсорбционного автомобильного кондиционера. Внутри него находится крепкий раствор LiBr, питающий абсорбер. Конструкция системы кондиционера не предусматривает использование компрессора и позволяет снизить потери мощности силовой установки на привод жидкостного насоса. Согласно расчетам, мощность привода насоса составила 0,17 кВт. Для сравнения, компрессор современного автомобильного кондиционера потребляет 7–11 кВт. Абсорбционный автомобильный кондиционер имеет следующие преимущества: дополнительное охлаждение двигателя, экологичность, экономию топлива, эффективное использование теплоты выхлопных газов автомобиля. Отличительная особенность данной конструкции в том, что для процесса нагрева абсорбента используется теплота отработавших газов. Такая конструкция может составить полноценную конкуренцию имеющимся современным автомобильным кондиционерам.
Ключевые слова
Рассмотрена возможность применения местных материалов при устройстве конструктивных слоев дорожной одежды. Приведен метод технико-экономического анализа, для которого необходимо знать расчетные модули деформации сравниваемых материалов. Зная межремонтные сроки для каждого из рассматриваемых вариантов, можно, сопоставляя их со сроками окупаемости, более полно выявить технико-экономические особенности таких вариантов. Основным критерием допустимости применения местного материала в соответствующем конструктивном слое является равнопрочность конструкций дорожных одежд или отдельных конструктивных слоев, устраиваемых из местных и привозных материалов. Критерий экономической целесообразности использования местного материала может быть записан в виде неравенства. Применяя принцип эквивалентности систем, можно заменять отдельные конструктивные слои дорожной одежды, устраиваемые из определенных материалов, эквивалентными по жесткости слоями из других материалов, увеличивая или уменьшая их толщину в зависимости от прочностных характеристик самих материалов. Исходя из условия равнопрочности конструкций из местных и привозных материалов, определено основное условие технической целесообразности использования местного материала. Построен график предварительного определения технико-экономической целесообразности применения местных материалов в конструктивных слоях дорожных одежд. В качестве дополнительного критерия экономической выгоды сравниваемых вариантов может быть использована суммарная величина вкладываемых затрат.
