УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к средствам испытания оборудования, машин и механизмов, а именно к стендам для исследования интенсивности эрозионных разрушений конструкционных материалов в условиях кавитации. Достоинством предлагаемого устройства является обеспечение проведения исследования процессов изнашивания оборудования в  широком диапазоне температур и давлений кавитирующей рабочей жидкости различного физико-химического состава, а  также различного состава газов над ее свободной поверхностью, температуры исследуемых образцов, и выявление их влияния на эрозионную стойкость конструкционных материалов.
Известно, что большое количество элементов оборудования, машин и механизмов (детали цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания, рабочие колеса насосов и гидравлических турбин, гребные винты, трубные пучки теплообменных аппаратов и т. д.) эксплуатируются в условиях эрозии рабочих поверхностей потоками кавитирующих рабочих жидкостей  Тузов Л.В., Безюков О.К., Афанасьева О.В. Вибрация судовых ДВС. – СПБ.: Изд-во политехн. ун-та, 2012. с. 183-188; Хмелёв С.С., Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Кузовников Ю.М. Разработка стенда для экспериментальных исследований кавитационно акустических явлений/ Научно-технический вестник Поволжья, 2015, №3, с. 231-234; Алмаметов Н.К., Гончаров В. К., Горшков А. С. Гульцев А. Д. Стенд для исследования кавитационных свойств морской воды. Авт. Св. СССР №457906, 1975; ASTM G32-16, Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org).
Воздействие кавитации приводит к интенсивному эрозионному  разрушению оборудования, машин и механизмов. При этом интенсивность эрозионных разрушений определяется как свойствами конструктивных материалов, так и параметрами и свойствами кавитирующих жидкостей, составом поглощённых ими газов (Безюков О. К., Жуков В. А. Охлаждающие жидкости транспортных ДВС. СПб.: СПГУВК, 2009. – 263с.).
Для определения ресурсных показателей оборудования, узлов машин и механизмов, необходимо располагать сведениями об интенсивности эрозионно-коррозионных  разрушений конструкционных материалов. С этой целью используются кавитационные стенды, имитирующие различные условия эксплуатации оборудования.
Известен способ определения кавитационной износостойкости (патент РФ №2359245, опубл.2009), заключающийся в действии кавитации на исследуемую зону, отличающийся тем, что кавитационное поле создается при помощи ультразвука в жидкой среде, где происходит равномерное воздействие на поверхность микрошлифа исследуемого материала. Недостатком устройства, осуществляющего способ, является ограниченность области исследований из-за отсутствия возможности изменять температуру и давление рабочей жидкости, состава газа над ее свободной поверхностью из-за негерметичности  рабочей камеры.
Известен стенд для исследований кавитационных разрушений составных частей системы охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания по а.с. SU №1511618, опубл.1989, содержащий гидравлический контур, включающий кавитационную камеру, снабженную магнитострикционным вибратором, и регуляторы потока жидкости, отличающийся тем, что с целью повышения точности, гидравлический контур подключается к двигателю внутреннего сгорания через первый из регуляторов, а кавитационная камера (рабочая емкость) подключена к контуру параллельно через второй и третий регуляторы, подсоединенные соответственно до и после первого регулятора.
Известное техническое решение обладает ограниченной областью применения, так как включено в систему охлаждения конкретного двигателя, с присущим только для него набором физико-химических свойств и параметров охлаждающей жидкости. Для расширения области исследования эрозионно-корозионных разрушений необходимо использование других типов   двигателей путем монтажа на нем дополнительного контура.
Известно устройство кавитационного изнашивания материалов по патенту РФ № 2309401, опубл. 2007, содержащее магнитострикционный преобразователь, концентратор колебаний, установленный с возможностью изменения зазора между ним и испытуемым образцом, емкость с жидкостью и крепежную оправку для образца, отличающееся тем, что дополнительно содержит фиксирующие положение изнашиваемой поверхности кронштейны цилиндрической формы с крыльчаткой, выполненные с возможностью вращения вокруг своей оси и перекатывания по поверхности износа испытываемого образца, база крепления кронштейнов жестко связана с корпусом магнитострикционного преобразователя, крепежная оправка содержит полость с пружиной и клапан, выполненные с возможностью обеспечения постоянного контакта испытываемого образца с кронштейнами.
Однако это техническое решение также обладает узкой областью применения, так как не обеспечивает возможность изменения параметров охлаждающей жидкости и газа в негерметичной рабочей камере.
Из известных аналогов наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для исследования кавитационной прочности материалов по патенту РФ на полезную модель №163845, МПК G01N 3/56, 2016, выбранное в качестве прототипа.
Указанное устройство состоит из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы со сменным рабочим инструментом, размещенным в негерметичной рабочей емкости. В прототипе использован электромеханический преобразователь (пьезоэлектрический или магнитострикционный) и сменный рабочий инструмент, который может выполняться из различных металлов, подвергаемых исследованию на кавитационную прочность. Возможно также исследование кавитационного изнашивания образцов, размещаемых на некотором расстоянии  перед излучающей поверхностью инструмента.
Данное техническое решение обладает рядом недостатков. Из-за использования негерметичной рабочей емкости в данном устройстве невозможно:
проведение исследований кавитационного разрушения материалов при различных давлениях и температурах жидкости;
проведение исследований эрозионных разрушений при температурах образцов материалов,  отличных от температуры  кавитирующей жидкости;
проведение исследований влияние состава и свойств газов над поверхностью кавитирующей рабочей жидкости на интенсивность эрозионных разрушений;
обеспечение контроля и регулирования температуры исследуемого образца, с целью определения ее влияния на интенсивность кавитационных разрушений.
Выявленные недостатки прототипа являются причиной невозможности получения достоверных результатов исследования эрозионных процессов в условиях, соответствующих реальным условиям эксплуатации энергетического оборудования, а именно, в условиях: повышенных температур и давлений, различном физико-химическом составе газа над свободной поверхностью кавитирующей жидкости. Это в свою очередь, снижает точность оценки предельного срока эксплуатации элементов энергетического оборудования, машин и механизмов (двигателей внутреннего сгорания, насосов, теплообменных аппаратов и т.д.).
Заявляемая полезная модель позволяет повысить достоверность результатов исследования интенсивности эрозионных разрушений конструкционных материалов в условиях кавитации.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в устройстве для исследования кавитационной прочности материалов, включающем, также как и прототип, рабочую емкость с жидкостью, генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты с ультразвуковой колебательной системой и концентратором механических колебаний, размещенным в жидкости, и держатель с исследуемым образцом, также размещенный в жидкости, в о т л и ч и е о т п р о т о т и п а , рабочая емкость выполнена герметичной, с возможностью подключения через невозвратный клапан к источнику как высокого, так и низкого давления и снабжена в верхней части горловиной для заполнения жидкостью и сливным клапаном для ее слива, при этом внутри емкости размещен нагреватель, выполненный с возможностью размещения в нем испытуемого образца, и теплообменник, обеспечивающий постоянство заданной температуры жидкости.
Сущность полезной модели заключается в выполнении рабочей емкости закрытой со всех сторон и герметичной для воздуха и жидкости в собранном виде устройства. В свою очередь в процессе установки или извлечения исследуемого материала емкость может быть разгерметизирована и открыта. Это позволяет создавать внутри емкости условия, соответствующие реальным условиям эксплуатации энергетического оборудования, при проведении исследований кавитационной прочности конструкционных материалов.
Сопоставление предлагаемого устройства для исследования кавитационной прочности материалов и прототипа показало, что поставленная задача - повышение достоверности результатов исследования интенсивности эрозионных разрушений конструкционных материалов в условиях кавитации за счет создания условий, соответствующих реальным условиям эксплуатации энергетического оборудования решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами, где (фиг.1) представлено схематическое изображение устройства для исследования кавитационной прочности материалов.
Предлагаемое устройство состоит из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты с ультразвуковой колебательной системой и концентратором механических колебаний 1, рабочей емкости 2 с исследуемой жидкостью 3. Концентратор 1 создает эффект ультразвуковых колебаний в жидкости 3, заполняющей рабочую емкость 2. В верхней части емкости 2 выполнена горловина 4 для заполнения жидкостью; для слива жидкости служит управляемый клапан 5. В емкости также предусмотрены: смотровое окно 6, через которое осуществляется наблюдение за процессами, протекающими в емкости 2, и невозвратный клапан 7. Для обеспечения постоянства давления при проведении испытаний и безопасности установки устройство снабжено предохранительным (регулирующим) клапаном 8. Внутри емкости 2 размещают держатель 9 исследуемого образца 10. Для подачи воздуха в емкость служит источник высокого или низкого давления (компрессор, вакуумный насос или газовый баллон). Источник давления, для подключения которого в устройстве предусмотрен невозвратный клапан 7, обеспечивает изменение давления в рабочей емкости 2. Внутри емкости 2 также размещены нагреватель 11, (например, термоэлектрический), служащий для нагревания испытуемых образцов 10 и жидкости 3, теплообменник (змеевик) 12, выполняющий функцию охладителя (нагревателя) жидкости 3, и обеспечивающий постоянство заданной температуры
за счет циркулирующей проточной воды, и терморегулятор 13, обеспечивающий автоматическое поддержание заданной температуры. Для замеров температур жидкости 3 и испытуемого образца 10 используются пирометр или тепловизор, установленные в емкости 2.
Устройство работает следующим образом.
Испытуемый образец 10, выполненный из чугуна, стали или иного металла, с держателем 9 закрепляют в термоэлектрическом нагревателе 11 и помещают в рабочую емкость 2. Емкость закрывают и обеспечивают ее герметичность для газов
и жидкостей, после чего внутрь нее через горловину 4 заливают жидкость 3 (например, пресную или морскую воду, бензин или дизельной топливо, спирт или водотопливную эмульсию). Контроль заполнения осуществляется с помощью смотрового окна 6. Затем заполняют оставшийся от жидкости 3 объем емкости воздухом или иным газом и с помощью источника высокого или низкого давления обеспечивают его заданное давление. С помощью змеевика теплообменника 12 с проточной водой, расход которой при проведении испытаний регулируется в зависимости от заданной температур жидкости 3, термоэлектрического нагревателя 11 и терморегулятора 13 с автоматическим управлением, обеспечивают нагрев и поддержание заданных температур образца 10 и жидкости 3. Включают ультразвуковой генератор, который создает колебания концентратора 1, что приводит к возникновению кавитационного «облака» над поверхностью образца 10. Замыкание кавитационных пузырьков вызывает эрозионные разрушения образца 10, величина которых зависит от прочности материала, его температуры, физико-химических свойств, давления и температуры жидкости 3 и физико-химических свойств и концентрации растворенного в ней газа. Периодическое взвешивание образца 10 после извлечения его из рабочей емкости 2 позволяет определить динамику разрушений и прогнозировать эрозионную стойкость деталей оборудования, которые изготовлены из этого же материала.
Таким образом, в заявленной полезной модели обеспечивается  возможность исследования интенсивности эрозионных разрушений конструкционных материалов в реальных условиях работы энергетического оборудования. Это в свою очередь позволяет определить ресурсные показатели оборудования и его отдельных узлов. Достоинствами предложенного технического решения являются возможность проведения исследований кавитационного разрушения материалов:
в широком диапазоне давлений и температур;
при температурах образцов, изготовленных из различных материалов,  и имеющих температуру, отличающуюся от температуры  кавитирующей жидкости;
при различном составе газов над поверхностью кавитирующей рабочей жидкости на интенсивность эрозионных разрушений.
Проведение исследований на предлагаемой установке позволит определить влияние широкого перечня факторов на интенсивность кавитационных разрушений элементов энергетического оборудования, машин и механизмов.
Описанное устройство разработано специалистами кафедры теории и конструкции судовых ДВС ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О.Макарова» в процессе  выполнения научно-исследовательской работы  «Совершенствование методов проектирования,  технической эксплуатации дизелей, судового энергетического и теплообменного оборудования». Полезная модель была реализована для условий, характерных для систем охлаждения высокооборотных дизельных двигателей. Проведенные испытания изделия дали положительный результат, подтвердивший возможность использования устройства для проведения комплекса исследований  эрозионной стойкости чугунов, сталей при кавитации в пресной воде с присадками и в антифризах.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».