Методика проведения экспериментальных исследований индукционного нагрева деталей с покрытиями

12. Солдатова, К.В. Уточнение моделей потерь и напора в программах Метода универсального моделирования по результатам испытания промышленных центробежных компрессоров. [Текст] / К.В. Солдатова // Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2010. N° 4. С,- 300-308.

13. Труды научной школы компрессорострое-

ния СПбГПУ |Текст| / Под ред. Галёркина Ю.Б.— М.: Изд-во «КХТ», 2000.

14. Труды научной школы компрессорострое-ния СПбГПУ |Текст| / Под ред. Галёркина Ю.Б.— М.: Изд-во «КХТ»- 2005.

15. Труды научной школы компрессорострое-ния СПбГПУ |Текст| / Под ред. Галёркина Ю.Б.— М.: Изд-во «КХТ»,- 2010.

УДК621.793.74:621.365.5

ЕЛ. Смирнова, Б.А. Юшин

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ

Технологии газотермического напыления успешно применяются при создании защитных покрытий различного класса на новых изготавливаемых деталях и как технологии восстановления изношенных изделий. Однако самофлюсующиеся покрытия после напыления требуют дополнительной термообрабоки. Одним из наиболее эффективных методов обработки является технология ускоренного индукционного нагрева.

Метод последующего индукционного оплавления покрытия отличается нагревом покрытия и основы одновременно под действием вихревых токов, что приводит как к улучшению качества самого покрытия, так и к увеличению адгезии между покрытием и подложкой.

Этот способ имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет производить оплавление материалов в узкой зоне сцепления подложки с покрытием без нагрева самой заготовки.

Метод индукционной обработки заключается в следующем: обрабатываемая деталь подвергается ускоренному поверхностному высокочастотному нагреву, при котором вследствие наличия границы раздела сред с разной электропроводностью основная мощность выделяется не на поверхности заготовки, а на границе подложки.

При разработке технологии индукционного нагрева конкретной детали большое значение имеет выбор типа индуктора, необходимого для ее обработки. В случае индукционного нагрева выбор частоты, мощности индукционной установки и ее геометрии принципиальны для реализации необходимого режима нагрева.

Теоретический расчет и математическое моделирование процесса индукционного нагрева детали позволяют получить электрические и технологические параметры процесса, а также расчетное распределение температуры внутри нагреваемого объекта. Однако, несмотря на наличие обширной информации по физическим процессам, протекающим при индукционном нагреве, затруднено комплексное изучение всех процессов, связанных непосредственно со свойствами материалов, в частности диффузии, образования адгезионных связей и изменения структуры покрытия в результате нагрева.

Нагрев заготовки с покрытием — достаточно сложный объект для экспериментальных исследований. Сложность проведения измерений основных параметров процесса связана с проблематичностью измерения температуры нагрева и плотности электрического тока внутри нагреваемых слоев детали. Практически можно оценить только температуру на поверхности детали и с торца заготовки, а также интегральные параметры электрической цепи индуктора.

Таким образом, основными задачами проведения экспериментальных исследований становятся:

определение основных параметров нагрева детали, таких, как температура нагрева и время нагрева, мощность передаваемая в индуктор от генератора, частота генератора, ток индуктора;

исследование шлифов деталей после нагрева, оценка изменений структуры покрытий;

4

Моделирование. Математические методы^

установление качественной и количественной связи между внешними и геометрическими параметрами используемого оборудования, определяющими технологический процесс, и качеством получаемых покрытий.

Большинство деталей промышленных механизмов, требующих восстановления, — крупногабаритные: типичное применение технологии — восстановление валов, штоков гидроцилиндров, пинолей станков. Для обработки таких деталей требуется индуктор соответствующего диаметра и значительной мощности. В связи с необходимостью проведения многочисленных опытов на различных частотах и для различных типоразмеров целесообразно проведение модельного эксперимента, т. е. замещение материального оригинала физической моделью. Объектом исследования при этом будет служить физическая модель, т. е. материальная функциональная модель, подобная и физически однородная с оригиналом. Результаты исследования такой физической модели переносятся на оригинал с помощью масштабов. Все масштабы при этом безразмерные.

Таким образом, индукционному нагреву будет подвергнута физически подобная модель системы «индуктор — заготовка», в нашем случае — уменьшенная модель реальной детали в индукторе меньшего размера и меньшей мощности.

Можно говорить об адекватности результатов моделирования, если выполнены следующие пять критериев физического подобия двух объектов [1,2]:

сходственность математических описаний объектов;

связь сходственных величин масштабами; выбор масштабов соответственно масштабным уравнениям;

подобие условий однозначности; подобие известных функций. Выполнение первого условия подобия (сход-ственности математических описаний объектов) может быть обеспечено физической однородностью оригинала и модели. В данном случае это осуществляется исходя из постановки задачи эксперимента, поскольку для моделирования используем реальную индукционную установку. Кроме того, для моделирования детали выберем геометрически подобный объект с идентичными физическими свойствами материалов, что значительно упрощает задачу построения модели.

Для математического описания индукционной системы «короткий индуктор — заготовка» используем модель трансформатора с большим рассеянием, как для расчета характеристик индуктора.

Для индукционной системы мы можем записать

Un=(r3+jx3)Inw2, где Ua , 1п — напряжение и ток индуктора; w — количество витков.

Для модели будет действительно

2

Введем масштабные коэффициенты:

_ ^orig _ ^orig _ worig _ Zorig У mod mod ^'mod ^mod

Таким образом, установив полный перечень величин, фигурирующих в математических описаниях модели и оригинала, и принимая связь через масштабы между сходственными величинами, добиваемся выполнения второго условия подобия систем.

Для выполнения третьего условия подобия — выбора масштабов соответственно масштабным уравнениям — требуется определение этих уравнений.

Исходя из геометрического подобия модели и оригинала выберем следующие масштабные уравнения и масштабные коэффициенты:

Anod =

10

DL

W

= 100 мм; rnmod 2 = 20 мм; £lmod = ^

Д? • й1 •

= 24 мм; fl2mod =10 мм; fllmod =

= 12мм;

электрические параметры модели (получим, произведя расчет индукционной системы) 1{ = = 5,691-Ю3 А; г, = 0,0024 Ом; х, = 0,019 Ом; z, = = 0,02 Ом;

масштабные коэффициенты, следующие из

W  fi 7 -

orig и s, •'one

геометрии модели, cw _-— _ — _о, cz_ —— _

^'mod 1

"mod

Л_6; с. _^L = 0,105; 1 1 L

' mod

получим оставшиеся, подставляя известные коэффициенты в уравнение

2

^ОТЩ _ ^ОТЩ ^ОГЩ ^ОГЩ

% С] 4 '

Откуда

2 2 Си _ ~ 2 _ ТТ" _

•^огщ^огщ^огщ оп§

1401-116,9-0,105-62

=-г— = 12,2о.

2,338-599,172-62

Таким образом, выполняется третье условие подобия — выбор масштабов соответственно масштабным уравнениям.

Четвертое условие —подобие условий однозначности — обеспечивается как физической однородностью оригинала и модели, так и геометрическим подобием систем: зависимость 1(0 при прочих равных условиях определяется начальным значением тока /(0)=0. Это условие однозначности дифференциального уравнения, описывающего оригинал. Начальное условие для модели должно быть подобным /м(0) = /ориг(0)/ /т1= 0.

Для оригинала закон изменения тока 1(0 зависит от формы напряжения и = и(0• Форма напряжения модели им(0 должна быть подобной:

В случае использования напряжения той же частоты, что и в оригинале, это условие выполняется:

тг1> ориг=м-

Таким образом, пятое условие — подобие известных функций — также обеспечивается за

Рис. 1. Модель заготовки

счет выбора физически идентичного метода нагрева и геометрически подобной системы.

В результате получена физическая модель, с помощью которой мы можем провести экспериментальное исследование.

Для проведения таких исследований разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить нагрев моделей заготовок в соответствии с условиями модельного эксперимента, а также выполнять измерение основных технологических параметров нагрева.

При монтаже экспериментальной установки был использован промышленный одновит-ковый индуктор, обеспечивающий требуемые характеристики процесса нагрева. Использование в качестве основных узлов установки промышленных аналогов позволяет адаптировать получаемые результаты для практического применения.

В качестве источника питания использован высокочастотный генератор ВЧГ2-60/0,066, предназначенный для питания технологических устройств индукционного нагрева деталей машин и инструмента при различных технологических операциях.

Определение температуры нагрева поверхности заготовок осуществлялось при помощи инфракрасного бесконтактного датчика температуры (пиромета) «Кварц-М» (диапазон измерения — 50-2500 "С, быстродействие — 10 мс, максимальная приведенная погрешность — 0,8 %).

Для экспериментального подтверждения улучшения свойств покрытий в результате индукционной термообработки был произведен нагрев модели заготовки диаметром 20 мм (материал — сталь 08Х18Н10Т) с покрытием толщиной 100 мкм (материал — ПГСР2) согласно рассчитанной модели (рис. 1). Параметры индукционной установки: внутренний диаметр индуктора по меди —24 мм; длина индуктора — 10 мм; число витков индуктора — 1, размер витка индуктора в радиальном направлении — 10 мм.

Нагрев изделий производился на разных режимах в зависимости от мощности колебательного контура генератора — 5,11,5 и 36,8 кВт.

Для анализа полученных результатов методом металлографии использовалось следующие оборудование: микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа TIXOM ET Pro; ска-

í

Рис. 2. Шлифы заготовок

нирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA с приставкой для рентгеновского микроанализа; электронный микроскоп NEOPHOT 32 с оптикой Carl Zeiss; система анализа «Виотест структура 5.2». Система «Виотест структура 5.2» позволяет определить количество, объем и характеристики пор и рассчитать параметры пористости покрытия.

Определение адгезии производилось методом технологической пробы (ударное нагружение). Для определения микротвердости использовался прибор ПНТ-З(ЛОМО).

Шлифы (рис. 2) сделаны на кафедрах «Пластические деформации» и «Обработка металлов» СПбГПУ.

В результате индукционной обработки получены покрытия, отличающиеся большей плотностью и адгезионной прочностью. На рис. 3 приведен снимок структуры шлифа, сделанный при помощи электронного микроскопа. После нагрева при частоте 66 кГц (мощность колебательного контура 36,8 кВт) покрытие имеет значительно меньшую пористость и большую плотность на границе; граница раздела покрытия и основы имеет высокий уровень адгезии.

Результаты металлографических исследований шлифов покрытий толщиной 100—200 мкм на стальной основе показали:

для структур покрытий из материалов Ni, FeCr, Сг2В, СгВ, Сг7С3, Сг203 твердость HRC составляет 60—65, объемная плотность — 6,5—7 г/см"';

Моделирование. Математические методы

Рис. 3. Структура газотермического покрытия после индукционной обработки

открытая пористость в результате обработки снижается с 15-20 % до 4,7 %, средний размер пор сокращается с 2—3 мкм до 1,3 мкм;

микротвердость составляет 8100—8290 МПа.

Таким образом, использование токов высокой частоты для обработки газотермических покрытий значительно увеличивает их износостойкость, препятствует образованию сколов, отслоению и разрушению покрытия в процессе эксплуатации детали. Значения полученных режимов работы технологического оборудования должны быть пересчитаны на реальные масштабы с использованием полученных ранее масштабных коэффициентов.

Разработана методика экспериментального исследования индукционного нагрева на основе физического моделирования, позволяющая при помощи масштабной модели оценить необходимые режимы и результаты обработки крупногабаритных деталей.

В результате модельного эксперимента получены характеристики покрытий из самофлюсующихся материалов после индукционной термообработки, свидетельствующие об эффективности применения технологии: за счет снижения пористости покрытия возрастает твердость, увеличивается адгезия между покрытием и подложкой, что значительно увеличивает износостойкость покрытия, препятствует образованию сколов, отслоению и разрушению покрытия в процессе эксплуатации детали.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев, А.Н. Основы теории подобия и моделирования [Текст]: Учебное пособие/ А.Н. Лебедев. Ленинградский электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина).— Л.: 1971,— 64 с.

2. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике |Текст| / Л.И. Седов,— 10-е изд., доп.— М.: Наука, 1987 .- 430 с.

3.Фролов, В.Я. Повышение эксплуатационных свойств плазменных покрытий методом индукционной термообработки [Текст] / В.Я. Фролов, Е.А. Смирнова, Б.А. Юшин // Металлообработка: научно-производственный журнал,— СПб.— 2009 . № 2(50) .- С. 28-33.

4.Фролов, В.Я. Анализ процессов на стадии контакта в условиях обработки металлов электро-

контактно-дуговым методом [Текст] / В.Я. Фролов // Металлообработка: научно-производственный журнал,- СПб.- 2002. № 5,- С. 16-23.

5. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов 4.1: Уравнение баланса энергии. Метод контрольного объема. Расчет температуры плазмы [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехнического университета, 2004,— 227 с.

6. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов 4.2: Электромагнитные задачи в плазмотронной технике [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2006.— 296 с.

УДК624.07.01 2.35.046

В.В. Белов, С.Е. Никитин

ВЕРИФИКАЦИЯ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРРОЗИОННО-ПОВРЕЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Разрушающему воздействию агрессивных атмосферных и производственных сред в той или иной степени подвергается большинство строительных конструкций. Материальный ущерб от последствий аварий, а также из-за необходимости проведения ремонта и усиления конструкций превышает 5 % общемирового валового дохода. В Российской Федерации указанные потери оцениваются в 20—25 млрд. рублей ежегодно. Одной из причин такого положения признается несовершенство научно-методического обеспечения в области прогнозирования предельных состояний и ресурса железобетонных конструкций.

На кафедре «Строительные конструкции и материалы» инженерно-строительного факультета СПбГПУ предложена и разрабатывается инженерно-ориентированная модель деформирования и разрушения изгибаемых железобетонных элементов при эксплуатации в агрессивных средах. При этом в основу положен дискретный подход к моделированию макротрещин. Предполагается образование и развитие регулярной в целом системы нормальных трещин в растяну-

той зоне бетона с шагом 1СГС = 2X, глубиной Нсгс и шириной раскрытия асгс (рис. 1).

В результате изгибаемый элемент рассматривается как система деформирующихся блоков, разделенных равноотстоящими трещинами и взаимодействующих между собой по сохраняющему сплошность бетону (или сжатой зоне шва), а также посредством сжатой А ^ и растянутой стержневой арматуры. В такой постановке напряженно-деформированное состояние нетре-щиностойкого элемента является циклически симметричным относительно сечений с трещинами (х = +Ь) и сечений, равноудаленных от смежных трещин-близнецов (х= 0), и проблема сводится к решению задачи для симметричной половины БхЬ характерного блока (см. рис. 1). С этой целью известный блочно-контактный подход Васильева — Пересыпкина в инженерных приложениях получил развитие в форме «метода двух сечений», на базе которого построена диахронная модель деформирования железобетона при совместных силовых и агрессивных средовых воздействиях [1, 2]. Дополнительными факторами влияния здесь являются: дегра-