Ерохин Геннадий Николаевич

Коновский Валерий Викторович

УДК 621.9.047

В связи со всё более возрастающими требованиями к физико-механическим и как следствие эксплуатационным свойствам материалов, применяемых в современном машиностроении, особые требования по качеству предъявляются к гальваническим покрытиям.

Хромирование, используемое в настоящее время для производства и восстановления изделий [6], имеет целый ряд недостатков: оно снижает надежность узла из-за негерметичности хрома при высоком давлении в системе и обладает низкой адгезией, особенно при нанесении толстых покрытий. В связи с этим возникла проблема разработки метода размерного нанесения гальванических покрытий на поверхности деталей, позволяющего полностью исключить механическую обработку. Был предложен способ гальвано-контактного осаждения (ГКО) композитных дисперсно-упрочненных хромовых покрытий, лишенный недостатков, присущих стандартным методам нанесения покрытий.

Проведение экспериментов.

Серийные штоки, показанные на рисунке 1 и подвергаемые восстановлению, проходили только обезжиривание и промывку перед нанесением покрытия методом ГКО. Следует особо отметить, что они не подвергались какой-либо механической обработке ни до нанесения покрытия, ни после него.

Для проведения экспериментальных исследований электролит приготавливался из реактивов «ХЧ» и «ЧДА» на дистиллированной воде по методике, описанной в [4] Плотность электролита измеряли ареометром, кислотность рН- метромиливольтметром модели рН – 121.

Температура электролита поддерживалась с точностью 1 К при помощи термометра ТПП – 11 ГОСТ 13717 – 74 и контролировалась термометром ТН – 5 ГОСТ 400 – 80 с ценой деления шкалы 0,2 К

Корректировка электролита, его анализ проводились по методике, изложенной в [4].

В случае применения метода ГКО механизм деформирования растущих слоев покрытия происходит на начальной стадии нанесения покрытия, которая характеризуется отсутствием внедрения инструментального материала в гальванически осаждаемый металл. В дальнейшем обработка методом ГКО предполагает внедрение мелкодисперсных инструментальных частиц в деформируемое покрытие [3]. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются, и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения.

Равнодействующая R внутренних сил по всему сечению элементарного объема, уравновешивающая внешнюю силу F (R = F), определяется путем интегрирования [1]

(1)

Для рассматриваемого случая справедлива гипотеза плоских сечений [1]. На этом основании  можно вынести из-под интеграла выражения (1) тогда

откуда

Исходя из выражения (3) можно записать

Учитывая форму частиц внедряемого в матрицу материала выражение (4) можно представить в виде

При упрочнении материала матрицы частицами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу по внешней контактной стороне включений с матрицей с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при деформировании равна

где  - касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с инородными частицами;

d – диаметр частицы

l – длина частицы.

С увеличением длины частицы повышается возникающее в ней напряжение. При определенной длине, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины частицы. Длина l_кр определяется из равенства усилий в матрице на границе с частицей и в частице с учетом симметричного распределения напряжений в ней. С учетом вышеизложенного можно записать

(7)

Исходя из формулы (7), сделав элементарные преобразования, можно определить критический размер частиц наполнителя

где V^в – объем волокон.

Согласно закону Гука, напряжения можно выразить через модули упругости [5]. Тогда

(10)

При условии прочного (без проскальзывания) соединения частиц включений с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т.е. ^в = ^м. Следовательно

т. е. чем выше модуль упругости включений Е^в и больше их объем, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку.

Модуль упругости композиционного материала сравнительно достоверно подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы:

(12)

Более точно его можно рассчитать согласно теории упругости по выражению

где K – объемный модуль упругости;

 – сдвиговый модуль упругости.

Деформация композитной среды определяется коэффициентом податливости s [1, 2]. В общем виде деформация среды записывается в виде

где  - тензор второго ранга деформаций;

 - тензор второго ранга напряжений;

s – тензор податливости среды.

для изотропной среды

(15)

Выводы.

Видно, что регулируя внедрение инструментального материала в гальваническую матрицу, возможно, управлять свойствами покрытий по следующим направлениям:

1. 
   получать заранее рассчитанные напряжения в покрытии (в том числе гарантированно сжимающие), позволяющие получать размерные герметичные хромовые покрытия с повышенной адгезией к основе;
   
2. 
   практически устранить ограничения по толщине получаемых качественных хромовых покрытий (получены качественные износостойкие покрытия с толщиной 1670 мкм на сторону и более);
   
3. 
   повысить производительность осаждения покрытия (скорость осаждения покрытий в 21 раз выше, чем при стандартном методе осаждения);
   
4. 
   снизить экономические затраты на восстановление изношенных деталей благодаря полному устранению механической обработки деталей до восстановления и после нанесенного покрытия.
   

1. Быковец, Г.И., Иевлев, Д.Д. Теория пластичности. Владивосток: Дальнаука. - 1998. - 528 с.

2. Жачкин, С.Ю., Астахов, М.В. Холодное восстановление деталей машин методом ГКО / Ремонт, восстановление, модернизация. Москва. Машиностроение. - 2005. - №8. - С. 27 – 31.

3. Жачкин, С.Ю. Холодное гальваноконтактное восстановление деталей. Воронеж: ВГТУ. - 2002. - 138 с.

4. Жачкин, С.Ю. Нанесение размерных композитных хромовых покрытий методом гальваноконтактного осаждения / Упрочняющие технологии и покрытия. Москва, Машиностроение. - 2006, №7. - С. 31 – 35.

5. Жачкин, С.Ю., Сидоркин, О.А. Расчет напряжений в дисперсно-упрочненных композитах, полученных методом ГКО / Упрочняющие технологии и покрытия. Москва, Машиностроение. - 2009, №10. - С. 36 – 41.

УДК 631.862.1

При реализации животноводства на промышленной основе возникают серьезные проблемы, связанные с утилизацией жидких стоков. В Белгородской области годовой выход жидких стоков составляет около 12 млн. м³. Жидкие стоки, находящиеся в лагуне, имеют три состояния. Первое, когда достигается нужная степень однородности под действием гидродинамической установки. Второе, когда твердые частицы оседают (свиной навоз) или всплывают (навоз КРС, куриный помет). Третье – слои твердой фракции разделились.

Требуемая степень однородности навоза достигается подведенной извне энергии, которая во время разгона расходуется на увеличение кинетической энергии. Воспользуемся первым законом термодинамики:

(1)

где - полная энергия навозной массы, Дж; - потенциальная энергия, Дж; - подведенная кинетическая энергия Дж.

К навозу, находящемся в лагуне, можно применить основное положение механики сплошных сред [1,2]:

Тогда

где - мощность гидродинамической установки, кВт; - время работы для придания однородной массы, с.

Мощность, необходимую для перемешивания, определяют с учетом параметров лагуны, кинетических режимов движения навоза и его реологических свойств [3,4,5]:

(3)

где - давление навоза на стенки лагуны, Па; - площадь трения о поверхность лагуны, м²; - средняя частота вращения навоза в лагуне, с^-1; - радиус лагуны, м; - напряжение сдвига массы навоза, Па; - высота лагуны, м; - интенсивность перемешивания навоза, кВт/(м³/с).

Форма лагуны оказывает большое влияние на затраты энергии при получении однородной массы жидких стоков в лагуне. Изготавливаемые в хозяйствах Белгородской области лагуны имеют форму усеченной пирамиды. Такая форма лагуны увеличивает сопротивление на раскачивание навозной массы, и создают мертвые зоны, где не происходит движение навоза, и как следствие снижение равномерности получения однородной массы жидких стоков (рисунок 1).

Рисунок 1. Лагуна в форме усеченной пирамиды

Поэтому отыскание оптимальной формы и конструкции лагуны является важной задачей, решение которой позволит снизить энергоемкость процесса получения однородной массы навоза.

На наш взгляд наиболее приемлемой формой лагуны, является форма усеченного конуса или усеченной полусферой.

Рассмотрим процесс вращения жидких стоков в лагуне в форме усеченного конуса. Жидкие стоки, заключенные в открытом сверху усеченном конусе под действием приведенной кинетической энергии вращается с постоянной угловой скоростью (рисунок 2).

В этом случае на стоки действуют три массовые силы: сила тяжести, центробежная сила и сила трения навоза о стенки лагуны.

Выбираем подвижную прямоугольную систему координат с началом в точке пересечения свободной поверхности жидких стоков оси конуса. На частицу стоков массой действует сила тяжести и центробежная сила (здесь - окружная скорость).

Сила тяжести направлена по вертикали вниз, параллельно оси , а центробежная сила направлена по радиусу в горизонтальной плоскости параллельной плоскости , т.е. нормально к оси .

Определим проекции на оси x,y и z составляющих равнодействующей массовых сил и .

Подставив значение (4) в уравнение поверхности уровня, т.е. поверхности равного гидростатического давления или поверхность равного потенциала.

и после интегрирования его получим:

Здесь (рисунок 2).

Рисунок 2. Жидкие стоки заключенные в сосуде усеченного конуса вращается

с угловой скоростью об./мин.

Постоянную интегрирования определяем из граничных условий: на свободной поверхности при и, следовательно давление , тогда и уравнение (6) можно выразить следующим образом (учитывая, что ).

Средняя плотность, жидких стоков объемом и массой равна

; ;

Удельный вес жидких стоков, плотность и ускорение силы тяжести связаны следующей зависимостью:

Значение плотности жидких стоков изменяется с изменением температуры.

Откуда

Для свободной поверхности, где избыточное (манометрическое) давление равно нулю, уравнение (6) примет вид

Уравнение (7) показывает, что в любой вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, линия свободной поверхности имеет очертание параболы второго порядка. Следовательно, свободная поверхность в рассмотренном случае является параболоидом вращения. Положение любой точки свободной поверхности, например точки (см. рисунок 2) определяется ординатой:

Давление в произвольной точке на глубине под свободной поверхностью (с ординатой ) определяется по уравнению (8)

Согласно рисунку 2 это уравнение можно переписать так:

Следовательно, пьезометрическое давление в любой точке вращающихся жидких стоков, в частности в точке , определяется глубиной погружения этой точки под свободную поверхность жидких стоков.

Удельное давление

(11)

где - коэффициент сопротивления трению, отнесенный к единице поверхности лагуны, с²/м; - плотность жидких стоков, кг/м³.

Момент вращения жидких стоков, Н м:

(12)

где - средняя сила удара струи, воспринимаемая навозом в хранилище и приводящая его во вращение, Н; - угол между направлением действия струи и уровнем навоза в хранилище, рад.

Момент торможения жидких стоков

(13)

где - площадь трения, м²; - удельное давление, Па; - радиус лагуны, м; - напряжение сдвига массы навоза, Па; - объем хранилища, м³.

Так как для каждого типа насоса можно считать ( - подача насоса м³/с), то получим время перемешивания стоков

. (14)

где - плотность навоза, кг/м³; - радиус лагуны, м; - средняя частота вращения навоза, с^-1; - средняя начальная частота вращения навоза, с^-1.

Момент вращения

(15)

- средняя сила удара струи воспринимаемая навозом в хранилище приводящая его во вращение, Н; - угол между направлением действия струи и уровнем навоза в хранилище, рад.

Если учесть момент трения, время затухания циркуляции навоза

где - производительность перемешивающей установки, м³/ч; - эквивалентная кажущаяся вязкость потока жидкого навоза при ламинарном движении, Па с.

Аналитические и экспериментальные исследования показали, что значения и возрастает с увеличением (рисунок 3,4).

Рисунок 3. Зависимости (1,2,3) от при =100 м³/ч(1), =200 м³/ч(2), =300 м³/ч(3).

Исследования на натурных образцах показали, что влажность навоза, поступающего из лагуны к перемешивающей установке, непостоянна и зависит от времени перемешивания и исходной влажности массы. В момент включения установки в ее заборное устройство поступает жидкая фракция навоза. Со временем твердая фракция из осадка переходит во взвешенное состояние, а влажность в зоне забора снижается. Затухание циркуляции навоза в лагуне подчиняется параболической зависимости.

Рисунок 4. Зависимости (1,2,3) и (4) от при 100 м³/ч(1), 200 м³/ч(2), 300 м³/ч(3,4).