Технічні
науки / 3. Галузеве машинобудування
Д.т.н. Сілін Р.І., к.т.н. Гордєєв А.І., к.т.н. Сідлецький І.О., Мігаль В.Г.
Хмельницький
національний університет
визначення енергії удару робочих
тіл у вбраційній гідродробоструменевій установці
З метою збільшення надійності і довговічності деталей машин, шляхом надання
їх поверхневому шару необхідних фізико–механічних властивостей, в наш час в
машинобудуванні широко використовують різні методи поверхневого пластичного
деформування (ППД), яке є одним із найбільш простих ефективних методів
зміцнення. Роботами таких вчених, як Кудрявцев І.В., Дрозд М.С., Петросов В.В.,
Афтаназів І.С. і ін. доведено, що в результаті зміцнення деталей поверхневим
пластичним деформуванням у поверхневому шарі відбуваються структурні зміни,
підвищується його твердість і міцність, утворюються сприятливі залишкові
напруження стиску, які зсувають критичні напруження в більш високі значення, а
також сповільнюють процес зародження і розвиток мікротріщин, понижується
шорсткість оброблених поверхонь. Все це
сприяє підвищенню надійності й довговічності деталей, що особливо підвладні в
процесі експлуатації циклічним навантаженням.
Обробку дробом широко застосовують і для зміцнення ріжучого інструменту із
швидкоріжучих сталей і твердих сплавів, що значно підвищує його зносостійкість,
тим самим забезпечує економію цінного металу або зріст продуктивності праці за
рахунок підвищення режимів різання.
Суть способу вібраційного гідродробоструменевого зміцнення (ВГДСЗ) полягає
в обробці матеріалу кульками, які періодично ежектуються змащуючи –
охолоджуючою рідиною, що значно усуває недоліки зміцнення сухим дробом [1]. Вібраційний (ГДСЗ) – якісно новий процес, який
відрізняється від дробоструменевого наступними основними перевагами.
В поверхневому шарі:
а) залишкові напруження тільки стискаючі і, як правило, не мають практично
підшарового максимуму;
б) порівняно низька шорсткість поверхні зберігається, а висока знижується;
в) із кольорових металів практично відсутнє вкраплення частинок заліза, що
визначається високою міцністю і низькою шорсткістю поверхні кульок;
г) виключений процес газонасичення в зв’язку зі зниженням температури в
зоні контакту і ізоляції поверхневого шару від атмосфери рідинною плівкою.
У зв’язку з переходом виробництва на дрібносерійний тип виникає потреба в
проектуванні ефективного обладнання із зниженими енерговитратами низькою
металоємністю. Авторами запропоновано устаткування для вібраційного
гідродробоструменевого зміцнення деталей [2,3,4,5,6].
З метою розробки методики проектування конструкцій таких установок
необхідно провести аналітичне та експериментальне дослідження енергетичних
характеристик устаткування, а саме визначити зв’язок енергії удару робочих тіл
із параметрами режимів роботи обладнання та різними конструктивними
параметрами.
При складанні моделі введено наступні
припущення:
1)
розглядається
рух системи, тобто металевих кульок і рідини, в якій вони знаходяться, як єдине
ціле;
2)
опором руху
системи з боку стінок сопла нехтуємо;
3)
кут
розсіювання потоку 
.
Для визначення початкової швидкості 
застосуємо теорему про кількість руху системи: 
, (1)
де 
– головний вектор зовнішніх сил, що
діють на кульку.
Інакше вираз (1) можемо записати як
. (2)
|
Рис. 1. |
Проведемо інтегрування виразу (2) 
. (3)
Вважаючи, що початкові швидкості кульок 
, а маси та взаємодія кульок із
середовищем будуть однаковими, отримаємо:
, (4)
де 
та 
– маса кульки та їх число в масиві відповідно.
Після інтегрування маємо
, (5)
де 
– тривалість гідродинамічного імпульсу.
Величину визначимо із
характеристики приводу установки, прийнявши до уваги, що розгін кульок до
початкової швидкості триває менше півперіоду 
. Для
розрахунків приймемо 
, де 
– частота.
Тоді початкова швидкість робочих тіл
(кульок) визначиться як
. (6)
Якщо
припустити, що кульки при укладці в “соплі” орієнтуються в один шар, то число
кульок в цьому шарі визначиться як 
, або, прийнявши до уваги, що 
, тоді 
, (7)
де 
– коефіцієнт заповнення шару; 
– площа перерізу
сопла; 
– радіус сопла.
Коефіцієнт заповнення шару визначимо
як 
, де 
– сумарна площа шару кульок;
– площа перерізу сопла.
Отже,
початкова швидкість
. (8)
З іншого боку силу взаємодії потоку рідини із шаром кульок можна виразити через середній тиск та геометричні параметри:
, (9)
де 
– максимальний тиск в соплі гідропульсатора за період.
Тоді 
. (10)
Якщо виразити масу кульки через
густину та об’єм, отримаємо 
і, відповідно, початкова швидкість
. (11)
Для визначення кінетичної енергії кульок
при їх зіткненні із перешкодою (поверхнею інструменту) потрібно врахувати
початковий імпульс, отриманий від приводу установки, силу лобового опору руху
системі кульок та силу в’язкого тертя. Для цього можна використати диференційне
рівняння руху системи кульок в рідині:
, (12)
де 
– густина рідини; 
– в’язкість рідини; 
– коефіцієнти
пропорційності.
Однак складність застосування виразу
(12) для визначення швидкості кульок при їх зіткненні з перешкодою полягає в
тому, що для визначення коефіцієнтів пропорційності С і В
необхідно провести великого обсягу експериментальні дослідження. Тому опір
середовища рухові системи кульок наближено замінимо роботою, що потрібна для
виштовхування водяного стовпа над масивом кульок, вважаючи, що металеві кульки
і рідина, в якій вони знаходяться при русі, – єдине ціле.
Виходячи із закону збереження енергії
кінетична енергія масиву кульок при досягненні перешкоди визначиться як
, (13)
де 
– робота, витрачена на виштовхування стовпа рідини над
масивом кульок; 
– відстань від масиву кульок до перешкоди;
– прискорення сили тяжіння.
В іншому
вигляді 
. (14)
Елементарну роботу 
по підйому стовпа рідини на величину 
можна, згідно (рис.1), виразити як
. (15)
Тоді повна робота
. (16)
Якщо взяти до уваги, що , то
, (17)
тоді
. (18)
Тепер легко перейти до кінетичної
енергії однієї кульки в момент контакту із перешкодою 
, або
. (19)
Підставивши
в рівняння (19) вираз 
, отримаємо:
. (20)
Отримані формули (18 та 20)
дають нам зв’язок кінетичної енергії удару кульок від багатьох параметрів
процесу, а що особливо із режимами роботи обладнання (, ), та конструктивними параметрами обладнання (радіуса сопла –
, та розмірів кульки – 
, відстані від зрізу сопла до оброблюваного виробу).
Щоби визначити характер
впливу різних конструктивних параметрів
на якість поверхні, яка
оброблюється, була запропоновано
застосовувати емпіричну формулу
залежності глибини наклепу від кінетичної енергії удару кульки [1].
,
(21)
де h – глибина наклепу; 
– кінетична
енергія удару кульки;
D – діаметр
кульки; НВ – твердість матеріалу деталі по Бринелю.
Отже формула (21) дає нам змогу
визначати кількісні властивості утвореного зміцненого шару. Знаючи твердість поверхневого слою матеріалу деталі, вибравши
глибину наклепу можна отримати необхідну енергію удару кульки. Тоді
за формулою (20) можна розрахувати конструктивні параметри устройства та
підібрати режими роботи віброприводу та за допомогою сучасних програмних
продуктів провести розрахунок деталей гідропульсатора на міцність з елементами оптимізації [7].
Література
1. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей машин и инструмента. – М.: Машиностроение, 1977. – 166 с.
2. Деклараційний патент України на
винахід 38450 А/ Пристрій для гідродробострумінного зміцнення виробів.
Р.І.Сілін, А.І.Гордєєв, О.Б.Лаврентьєв. Опубл. в Бюл. №4.– 2001.
3. Сілін Р.І., Гордєєв А.І., Лаврентьев
О.Б. Вібраційна установка для дробоструменевого зміцнення інструменту.Між.н-т.
журнал "Вибрации в технике и технологиях", №4 (25). Вінниця 2002. – С. 43-45.
4. Ройзман В.П., Гордєєв А.І., Лврентьев
О.Б. Стан питання та задачі проектування устаткування для поверхневого
пластичного зміцнення виробів. Вісник ТУП, Част.1.Технічні науки, 3. 2001.
– С. 49-53.
5. Гордєєв А.І., Лаврентьев О.Б.,
Савицький Ю.В. Дослідження динаміки вібраційної установки для зміцнення різального інструменту. Вісник ТУП,
Частина 1.Технічні науки № 6, 2002. – С. 197-202
6. Сілін Р.І., Гордєєв А.І. Применение
гидропульсатора как модуля при проектировании вибрационных машин. Materialy
3 Miedzynarodowej konferencji
Naukowo-Technicznei-MTK 2002.
MECHANIKA Z.59 Modulowe
technologie i konstrukcie w budowej maszyn.
7. Гордєєв А.І., Урбанюк Є.А.
Розрахунок деталей гідропульсатора для установки зміцнення інструменту.
Матеріали ІІ Международной научно-практической конференции «Научный потенциал
мира-2005» 19-30 сентября 2005. Том16, Техніка, Дніпропетровськ, Наука і освіта
2005.– С.
78-80.