Главная страница ДонНТУ              Портал магистров ДонНТУ
Автобиография          Автореферат          Перечень ссылок           Креативность студентов          Отчет о поиске          Электронная библиотека

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Болтян А.В., Крючкова А.В., Болтян М.А.(ДонНТУ, Донецк, Украина)

Источник: Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях: Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. – Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2008.– Ч. III.– с. 149-154


В соответствии со стандартом ISO 14021-99 под экологическим аспектом понимают элемент деятельности или продукции организации, который может взаимодействовать с окружающей средой. В данной статье расматриваются экологические аспекты изготовления рабочих колес шламовых насосов с применением электроконтактной обработки (ЭКО). Шламовые насосы применяются для перекачки пульпообразного материала. Такие насосы часто применяются для работы на скважинах, в канализационных сетях, сельскохозяйственных фермах. Выход из строя ответственных деталей нососов может приветсти к экологической аварии. Поэтому к рабочим колесам шламовых насосов, которые являются одними из наиболее ответственных деталей агрегатов, предъявляются повышенные требования по прочности и надежности.

Поскольку рабочие колеса шламовых насосов перекачивают смесь жидкости и абразивного материала, их рабочие колеса изготавливают из коррозионностойких сталей или высокопрочных чугунов. При обработке таких деталей применяется ЭКО, физические процессы при проведении которой сходны с дуговой сваркой. Следовательно, при проведении ЭКО воздушная среда производственных помещений может загрязняться сварочным аэрозолем, в состав которого входят оксиды металлов (железа, марганца, хрома, ванадия, вольфрама, алюминия, титана, цинка, меди, никеля, кобальта и другие), газообразные фтористые соединения, а также оксид углерода, оксиды азота, озон.

При ЭКО физико-химические процессы в металле заготовки протекают при быстром изменении температуры в пределах от температуры окружающего воздуха до температуры испарения металла. Поэтому, чем выше нагрев и чем резче его неравномерность, тем более вероятно появление при нагреве пластических деформаций, а, следовательно, и остаточных напряжений и деформаций, [1]. При электроконтактной обработке имеют место как высокие температуры нагрева, так и резкое падение этих температур в материале деталей. Следовательно, при электроконтактной обработке имеются все условия для образования как временных, так и остаточных температурных напряжений, которые могут значительно снизить прочность изделия. Причем, указанные температурные напряжения могут превысить допускаемые их значения, особенно в местах концентрации напряжений. При этом возможно, так называемое, местное нарушение прочности детали, т.е. образование микротрещин.

Цель исследований: получить распределение температурных напряжений по поверхности заготовки при электроконтактной обработке с помощью программы ANSYS и сравнить их с допускаемыми.

В соответствии с [1] электроконтактную обработку рабочего колеса шламового насоса можно представить как точечный нагрев диска. Это допущение возможно, так как процесс ЭКО подобен электродуговой сварке. Предположим, что в момент времени t=0 в центре диска начинает действовать точечный источник тепла, при этом количество тепла, выделяемое в единицу времени, постоянное. В определенный момент времени источник тепла удаляется.

Температуры и тепловые напряжения в диске будут распространяться симметрично относительно оси. Следовательно, все параметры будут зависеть только от расстояния r от источника тепла и от времени t. Если условно принять, что поверхность диска теплоизолирована и теплофизические свойства материала не зависят от времени обработки, можно по упрощенной зависимости определить распределение температуры в процессе нагрева, [1]


где .

Здесь S – количество тепла, выделяемое в единицу времени; λ – коэффициент теплопроводности; h – толщина диска; Е – модуль упругости материала;i – количество импульсов; r – расстояние от источника тепла; а – некоторая постоянная; t – время действия теплового источника.

Зная распределение температур, по упрощенной формуле можно определить радиальные σrr и окружные σфф напряжения:

где G – модуль сдвига; μ – коэффициент Пуассона; u – радиальное перемещение; α – коэффициент теплового расширения.

По данным зависимостям можно определить температуру и напряжения только при приложении тепловой нагрузки лишь в одной точке. Электроконтактная обработка характеризуется действием на обрабатываемой поверхности множества точечных источников теплоты. При этом точно невозможно определить их количество и место воздействия. Можно только предположить, что единичные импульсы распространяются по обрабатываемой поверхности равномерно.

На основании предложенного нами метода определения тепловых потоков выполнен расчет температурных напряжений при чистовой электроконтактной обработке, [2].

Приняв для чистовой обработки по данным [3] следующие режимы: напряжение U=30 B, силу тока I=100 A, длительность импульса τu=0,1 c и время обработки t=1200 c, получим количество теплоты, поступившее в тело заготовки за время обработки t, [2]: Q = 9,3 МДж/м2.

Алгоритм решения задачи определения распространения температурных напряжений в заготовке рабочего колеса насоса состоит из двух основных этапов:


1) считывание температурных полей, определенных по методике [2];


2) определение свойств решателя и запуск решателя.

Распределение температурных напряжений по заготовке приведено на рис. 1, откуда видно, что температурные напряжения распределяются по поверхности заготовки неравномерно. Напряжения концентрируются у отверстий и в местах стыков поверхностей, которые являются основными концентраторами механических напряжений.
Распределение температурных напряжений по поверхности заготовки
<Рис. 1– Распределение температурных напряжений по поверхности заготовки


Из приведенных данных следует, максимальные напряжения возникают в местах стыка закрепляемой поверхности с корпусом рабочего колеса, и составляют

Минимальные напряжения при этом составляют


Полученные расчетом значения максимальных напряжений значительно ниже допускаемых напряжений (предел прочности - 420МПа, предел текучести – 250МПа) для материала, из которого изготовлена заготовка. Однако следует учитывать тот факт, что при значительном повышении температуры величина допускаемых напряжений снижается, [4, 5].

Допускаемые напряжения при потере устойчивости [4]:

где [σ]кр - допускаемые напряжения, [σ]т - предел текучести, ν - функция кривой «деформация – напряжение», В – коэффициент, зависящий от температуры.

где E- модуль упругости, Et – переменный модуль упругости, Es – приведенный модуль упругости.

Переменный и приведенный модуль упругости [4]:

где n – коэффициент формы кривой «деформация – напряжение».

В результате расчета по приведенным зависимостям, установлено, что после электроконтактной обработки допускаемые напряжения могут снизиться приблизительно до 20% от расчетного значения, что может привести к местному нарушению прочности детали.

Разработанную методику расчета распределения температурных напряжений необходимо использовать при определении режимов ЭКО с целью достижения требуемых точности и качества деталей, изготовленных из труднообрабатываемых мате-риалов. Это позволит не только повысить качество обработки, но и работоспособность детали и всего механизма.

Данная методика также позволяет рассчитать распределение температурных полей по телу заготовки, т.е. определить концентрации тепловых источников. В этих местах концентрируются источники выделения в атмосферу сварочного аэрозоля. После проведения экологического менеджмента данного вида обработки, [6], можно разработать соответствующие мероприятия по сокращению вредных выбросов в воздушную среду производственных помещений.

Список литературы

1. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М., Физматгиз, 1963. – 252 с.

2. Болтян А.В., Крючкова А.В. Численное моделирование термических процессов при электроконтактной обработке // Прогрессивные техно-логии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2007.– Вып. 33. – С. 26 – 30.

3. Болтян А.В., Крючкова А.В. Методика определения рациональных режимов электроконтактной обработки // Практика и перспективы раз-вития партнерства в сфере высшей школы: Материалы восьмого научно-практического семинара. г. Донецк, 17-20 апреля 2007 г.– В 3 т.– Т.2.– Донецк: ДонНТУ, 2007. – С. 83 – 87.

4. Гейтвуд Б. Е. Температурные напряжения применительно к самолетам, снарядам, турбинам и ядерным реакторам: Перевод с английского М. Ф. Дименберга, В. К. Житомирского и Ю. Ф. Красонтовича/ Под ред. Н. И. Пригоровского. – М., 1959.

5. Бакши О. А. Напряжения и коробление при сварке. М.: Машгиз, 1961. – 71 с.

6. Гранич Л.С. Экологический менеджмент. Анализ конкретной ситуации. – Саратов: Изд-во «Ареал», 1995 – 39 с.

Биография            Результаты поиска            Ссылки по теме            Автореферат           Креативность студентов          Электронная библиотека

Главная страница ДонНТУ              Портал магистров ДонНТУ