Оценка влияния нестационарных дозвуковых воздушных потоков на механические и эксплуатационные свойства элементов конструкции воздушного транспорта

УДК 629.7

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ДОЗВУКОВЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

Д.А. Иванов1, В.С. Зюкин2, А.А. Колосков3

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации

196210, Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38

Данная статья посвящена оценке влияния нестационарных дозвуковых воздушных потоков, воздействующих на элементы конструкции воздушных транспортных средств на их механические и эксплуатационные свойства.

Ключевые слова: воздушный транспорт, эксплуатационные свойства, воздушный поток.

THE EVALUATION OF THE INFLUENCE OF NONSTATIONARY SUBSONIC AIR FLOW ON THE MECHANICAL AND PERFORMANCE PROPERTIES OF THE ELEMENTS OF THE CONSTRUCTION OF THE AIR TRANSPORT

D. A. Ivanov, V. S. Zyukin, A. A. Koloskov

St. Petersburg State University of civil aviation, 196210, St. Petersburg, Pilotov St., 38

This article is dedicated to the evaluation of the influence of the nonstationary subsonic air flow, which influence the elements of the construction of air transportation means to their mechanical and performance properties.

Keywords: air transport, the performance properties, the air flow.

Цель работы являлось исследование влияния нестационарных дозвуковых воздушных потоков на структуру, механические и эксплуатационные свойства элементов конструкции воздушного транспорта как фактора внешнего воздействия при его функционировании, а также как основы ряда способов управления механическими и эксплуатационными свойствами.

Воздействие нестационарными воздушными потоками на поверхность изделий осуществлялось с использованием газоструйных генераторов колебаний параметров потока на основе свистков Гальтона, Гавро и основывающийся на перекрывании потока газа.

Исследования проводились на образцах и изделиях из металлических, полимерных и композиционных материалов более 60 марок, используемых при изготовлении элементов конструкции воздушного транспорта и аэродромной техники [1 - 10].

В зависимости от размеров изделий и особенностей используемых газоструйных генераторов, обрабатываемые изделия размещались либо в рабочей камере, либо снаружи генерирующего пульсирующие дозвуковые воз-

душные потоки устройства и подвергалось воздействию газовых импульсов, обладающих частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч герц (в зависимости от частоты собственных колебаний обрабатываемого изделия) продолжительностью от нескольких минут до часа и более. Звуковое давление при этом варьировалось от 40 до 140 дБ.

Для стальных изделий обработка пульсирующими дозвуковыми воздушными потоками (газоимпульсная обработка) осуществлялась как после окончательной термической обработки, такой, как нормализация, закалка с последующим низким, средним или высоким отпуском, так и в сочетании с процессами термообработки при их осуществлении. Также газоимпульсная обработка применялась к дефор-мационно-упрочнённым стальным изделиям, нашедшим широкое применение в аэродромной технике. Подобным же образом обрабатывались изделия и образцы из термически-упрочняемых и неупрочняемых титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, а также сплавов на основе меди и цинка.

1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры авиационной техники и диагностики, тел.: +79817640822, е-mail: tm_06@mail.ru;

2Зюкин Василий Сергеевич - аспирант кафедры авиационной техники и диагностики тел.: +79118434335, е-mail: z056vs@mail.ru;

3Колосков Александр Александрович - аспирант кафедры авиационной техники и диагностики, тел.: +79269045055, е-mail: koloskov16@gmail.com

Техническим результатом стали существенное повышение показателей пластичности и ударной вязкости, в тои числе при низких температурах, в сравнении со стандартно обработанными изделиями, с сохранением или получением более высоких прочностных свойств. На рис. 1 представлена зависимость ударной вязкости конструкционных металлических материалов от времени обработки нестационарными дозвуковыми воздушными потоками. Здесь КС - значение ударной вязкости обдутого образца, т - продолжительность обдува, мин., кс0 - значение ударной вязкости необду-того образца, топт. - оптимальная продолжительность обдува, при котором значение ударной вязкости максимально.

кс = кс/кс0 3

2

у = -0,96х2 + 2,23х + 1,16

звуковым пульсирующим воздушным потоком с частотой пульсаций 500 Гц и звуковым давлением 40 дБ. Болты располагали вдоль потока, обдув осуществлялся со стороны головки. Наибольший рост изгибной прочности составил 8,7% и не сопровождался снижением пластичности и ударной вязкости. После 25 минут обдува наблюдается снижение положительного эффекта, а после 50 минут обдува прочность становится ниже, чем у необработанного. Это означает, что при длительном воздействии натекающих на головки болтов воздушных потоков в процессе эксплуатации воздушного судна, их прочностные свойства могут снижаться. То же относится и к другим элементам конструкции воздушного транспорта, испытывающих воздействие натекающих воздушных потоков. ^изг 1,1

1,05

Т Т/Топт.

Рисунок 1 - Зависимость относительной ударной вязкости от относительного времени обдува

При определении оптимального времени обдува можно использовать формулу топт. = ^Топт • 20, где: 20 - характерное время обдува, мин., К"т - значение поправочного коэффициента для различных сочетаний скорости обдува V и частоты колебаний натекающего потока (табл. 1), где М = ^а, / = ///0, а - скорость звука в потоке.

Таблица 1 - Значения поправочного коэффициента при определении оптимального

у = -0,065x2 + 0,13х + 1

М 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,05^ 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0

0,1 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8

0,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,87 0,6

0,3 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,4 0,9 0,8 0,7 0,6 0,6 0,5

0,5 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5

В ходе исследований существенное внимание было уделено возможности повышения механических свойств крепежа, применяемого в авиационной и аэродромной технике, как существенного элемента, влияющего на безопасность. На графике рис. 2 представлена зависимость изгибной прочности стального болта М6 от продолжительности обработки до-

1

0,95

0,9

Рисунок 2 - График зависимости относительной изгибной прочности стизг = сизг / оо от относительного времени обдува т = т/топт

В ходе оценки возможности сокращения продолжительности газоимпульсной обработки за счёт увеличения скорости газового потока установлено, что для элементов конструкции воздушных судов и аэродромной техники, изготовленных из конструкционных среднеуглеродистых сталей, типа 40, 40Х, 40ХС и др. при частоте пульсаций до 1000 Гц установлено следующее:

При скорости потока V менее 20 м/с продолжительность обдува, обеспечивающая максимальный положительный эффект, составляет более 30 минут. При скорости потока 200 м/с продолжительность обдува, обеспечивающая максимальный положительный эффект, достигает минимального значения, составляющего 10 мин и дальнейшее увеличение скорости потока, в дозвуковой области не приводит к её снижению, при том, что высоким скоростям потока соответствуют наибольший уровень шума.

При частоте пульсаций воздушного потока менее 1000 Гц оптимальная продолжительность обработки при скорости пульсирующего воздушного потока V может быть опреде-

1

0

0

0

1

2

3

лена при помощи следующей эмпирическом зависимости:

топт = 0,005У2 - 0,2У + 30 Зависимость оптимальной продолжительности обработки от скорости воздействующего на изделие пульсирующего воздушного потока представлена на графике рис. 3. У200 / У20 =10 и т20/т20о= 2,62 Таким образом, при увеличении скорости пульсирующего воздушного потока в 10 раз, продолжительность обдува, обеспечивающая максимальный положительный эффект, возрастает лишь в 2,6 раза при практически тех же достигаемых значениях показателей механических свойств.

Таблица 2 - Значения поправочных коэффициентов

Основа сплава А1 Ве Мм Си N1 гп Т1

0,99 0,39 1,1 1,41 1,02 1,36 1,22

00""" 25 N 26,2

7П 20 X! ,!5 21,25

1 ц

15

10 с; 5 у = 0,00( )5х2 - 0,2х + < - 30 10

0 1111 1111 1111 1111

0

50

100 150 200 250

м/с

Рисунок 3 - Зависимость оптимальной продолжительности обработки от скорости воздействующего на изделие пульсирующего воздушного потока

Полученную эмпирическую зависимость оптимальной продолжительности обработки от скорости воздействующего на изделие пульсирующего воздушного потока можно использовать для элементов конструкции воздушных судов и аэродромной техники из сплавов на основе цветных металлов, таких, как алюминий, магний, титан, никель, бериллий, медь, цинк и др. при использовании соответствующего поправочного коэффициента, учитывающего отношение скорости звука в сплавах на основе данного металла от скорости звука в стали.

Продолжительность обдува, обеспечивающая максимальный положительный эффект в случае сплава на основе цветного металла будет равна:

Тм ^М • ^с

где тс = топт для стали = 0,005У2 — 0,2У + 30 , а = ас/ам - отношение скорости звука в стали ас к скорости звука в сплаве на основе данного металла ам. Значения поправочных коэффициентов для определения оптимальной продолжительности обработки элементов конструкции воздушных судов и аэродромной техники из сплавов на основе цветных металлов представлены в таблице 2.

Разработана технология газомипульс-ной обработки с дополнительным воздействием колеблющимися в газовом потоке пустотелыми стальными шариками, позволяющая получить более значительный положительный эффект при той же продолжительности обработки.

Установлено, что наибольший рост пластичности и вязкости наблюдается в направлении обдува при газоимпульсной обработке.

Разработана технология, позволяющая обеспечить требуемую изотропию свойств изделия за счёт последовательного обдува в нескольких направлениях.

Разработана технология восстановления прочностных свойств металлических элементов конструкции воздушных судов, снизившихся в результате действия натекающих на них в процессе эксплуатации воздушных потоков, основывающаяся на том, что металлический элемент конструкции воздушного судна подвергают воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока в направлении, противоположном направлению воздействия натекающего воздушного потока в процессе эксплуатации. Обоснованием данного эффекта является положение дислокационной теории, в соответствии с которым заблокированным перед препятствиями дислокациям легче двигаться в направлении, противоположном к их движению при исходном воздействии.

Авиационная техника часто содержит металлические конструктивные элементы, в том числе тонкостенные, изготовленные с применением холодного пластического деформирования и сварки.

На поверхности металлических изделий, получаемых холодным пластическим деформированием или сваркой, часто образуются растягивающие остаточные напряжения, снижающие их надёжность и долговечность. Данные напряжения полностью не устраняются даже в случае применения отжига, кроме того, нагрев при отжиге приводит к снижению показателей прочности и твёрдости (износостойкости) а также укрупнению зёрен, не обеспечивая при этом на поверхности желательных сжимающих остаточных напряжений.

Также в процессе ремонта металлические изделия могут подвергаться сильному нагреву, например, в процессе наплавки, при охлаждении после которого создаются условия для возникновения термических и структурных остаточных напряжений. Поэтому актуальной является задача по осуществлению эффектив-

ного управления напряжениями в изделиях малой толщины с высокими требованиями к качеству поверхности, для которых ограниченно применимы методы поверхностной пластической деформации без вышеприведённых негативных последствий.

Было установлено, что существует оптимальная с точки зрения уровня и знака остаточных напряжений на поверхности изделия продолжительность газоимпульсной обработки, зависящая от материала, геометрических параметров образца, а также от амплитудно-частотных характеристик самого потока.

Дальнейшее продолжение обдува делает процесс менее технологичным и может привести к снижению положительного эффекта от газоимпульсной обработки.

Как показали многочисленные экспериментальные исследования, газоимпульсная обработка металлических изделий, включая элементы конструкции воздушных судов и аэродромной техники, является эффективным средством управления величиной и знаком остаточных напряжений, возникших в процессе изготовления изделия, его эксплуатации и восстановительного ремонта.

При этом основным фактором, определяющим величину и знак остаточных напряжений, является время обдува.

Принимая, что в начальный момент обдува остаточные напряжения в поверхностных слоях изделия положительные (растягивающие), то есть представляющие наибольшую опасность при эксплуатации, можно добиться их нулевого значения за время обработки Т/4, где Т - период порядка 20 мин.

Продолжая газоимпульсную обработку, можно получить на поверхности изделия сжимающие остаточные напряжения, которые во многих случаях являются желательными, так как повышают устойчивость к коррозии и усталостному разрушению. Отрицательные (сжимающие) остаточные напряжения растут по модулю до момента времени, соответствующего Т/2, при этом модуль их значений составляет не более 40% от исходного значения остаточных напряжений стост0 .

При дальнейшей обработке изделия, остаточные напряжения, не меняя знака, уменьшаются по модулю до нулевого значения (момент времени 3/4Т) и меняя знак на положительный, достигают максимального значения в момент времени Т, причём величина остаточных напряжений в момент Т значительно меньше исходной.

Следствием продолжения обдува будет повторение вышеописанного процесса со значительно меньшими значениями остаточных напряжений в сравнении с первым периодом и к моменту времени 3/4Т уровень остаточных

напряжений практически не меняется и остаётся близким к нулю.

Таким образом процесс изменения остаточных напряжений при газоимпульсной обработке сходен с процессом затухания колебаний и может быть описан соответствующим урав-

нением:

у = А • е + ^0),

где А - начальная амплитуда колебаний (положительная величина), а - коэффициент затухания, А • е-ях - мгновенное значение амплитуды, (^х + ^0) - фаза колебаний, ш = 2я/Г -циклическая частота, - начальная фаза колебаний.

Обработка экспериментальных данных позволила получить следующую эмпирическую формулу:

Оост = Оост/0ост0 = е-0,1т • Ш5(^Т), где т - время обдува.

Зависимость о'ост/о'ост0 от времени обдува представлена на рис. 4

1,5

0,5

-0,5

30

Т т, мин

Рисунок 4 - Зависимость отношения значений остаточных напряжений к их исходному значению от продолжительности обработки пульсирующим дозвуковым газовым потоком

Обработка экспериментальных данных по коррозионной стойкости изделий из металлических конструкционных материалов до и после обдува их пульсирующим потоком воздуха позволила получить эмпирическую формулу, адекватно аппроксимирующую зависимость т/т0 = ^ткоррозии) экспонентой т/т0 = е-кТкор-, где т/т0 - отношение массы изделия после т дней воздействия агрессивной среды к его начальной массе; к - положительная величина, характеризующая интенсивность коррозии.

Значение к можно определить как среднее арифметическое 3-х - 4-х точек значений к! для т дней от начала коррозии по значениям т^т0, получаем экспериментально для т^

к можно найти из выражения е-к'т' = т^т0, прологарифмировав его по основанию е 1п

-к^ = 1п

ост

1

0

ki = -

ln

Значения к невелики и составляют тысячные доли 1. Чем меньше к, тем выше коррозионная стойкость. Поэтому к можно назвать коэффициентом коррозионной стойкости металла.

Установлено, что газоимпульсная обработка способна существенно повысить коррозионную стойкость изделий из конструкционных сталей и цветных сплавов. Повышение коррозионной стойкости связано с релаксацией растягивающих остаточных напряжений на поверхности изделий в результате обдува пульсирующим газовым потоком, а также благоприятным для устойчивости к коррозии распределением дефектов кристаллического строения. В то же время при продолжительном воздействии на металлическое изделие пульсирующего газового потока наблюдается существенное уменьшение коррозионной стойкости.

Например, для стального болта М6 к=0,0028 для необдутого болта и и к=0,0057 для болта, обдутого в течение 25 мин.

Стойкость элементов конструкции воздушного транспорта к охрупчиванию при отрицательных температурах имеет большое практическое значение. Исследование хладноломкости проводилось совместно с кафедрой технологии металлов и металловедения санкт-петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Испытания на хладноломкость показали высокую эффективность газоимпульсной обработки для повышения стойкости металлических элементов конструкции к охрупчиванию при низких температурах. Так, в случае тер-моулучшенной стали 40Х, после дополнительной обработки пульсирующим дозвуковым воздушным потоком продолжительностью не более 20 мин. значения показателей ударной вязкости при температуре -60 °С выше на 38% и при температуре -80 °С, на 16% в сравнении с показателями при стандартной термообработке. При этом значения других показателей конструктивной прочности в сравнении со стандартной термообработкой не снижаются.

Методы повышения механических свойств, обеспечивающих надёжность элементов конструкции воздушных судов с использованием газоимпульсной обработки применимы не только при их изготовлении, но и в процессе эксплуатации, технического обслуживания и восстановительного ремонта. Вместе с тем установлено, что продолжительное воздействие нестационарных воздушных потоков, которое имеет место при эксплуатации воздушного судна, способствует снижению механических

свойств, призванных обеспечивать надёжность элементов конструкции авиационной техники.

Результаты проведённых исследования показали, что для существенного, в том числе негативного изменения структуры и свойств материалов элементов конструкции авиационной техники при натекании на них нестационарных воздушных потоков в процессе эксплуатации не требуется значительной скорости потока или звукового давления.

Экспериментально установлено, что дискретное воздействие нестационарного воздушного потока на элемент конструкции воздушного судна той же суммарной продолжительности, что и непрерывное, обеспечивает аналогичный технический результат, то есть эффект от воздействия нестационарных воздушных потоков накапливается структурой материала.

Литература

1. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности материалов за счёт воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.

2. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка пульсирующим газовым потоком высокопрочных и пружинных сталей // Двигателестроение. - СПб., 2014, №3, с. 34-36.

3. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - M., 2013, №11, с. 30-33.

4. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование пульсирующего дозвукового газового потока для повышения эксплуатационных свойств металлических изделий // Технология металлов. - M., 2015, №1, с. 34-38.

5. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей газоимпульсной обработкой // Технология металлов. - M., 2015, №10, с. 27-31.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка инструментальных сталей пульсирующими газовыми потоками // Технология металлов. - M., 2017, №6, с. 17-22.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Направления совершенствования технологии обработки металлических материалов пульсирующими газовыми потоками // Технико-технологические проблемы сервиса. -СПб., 2015, №4, с. 15-21.

8. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, №1, с. 50-53.

9. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.

10. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-технологические проблемы 2012, № 4, с. 33-37.

т