Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Выпуск 2 (65) by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

ISSN 2073-3216 (E) ISSN 2518-7120

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДНР ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Посвящается 50-летию кафедры «Технология машиностроения» ДонНТУ

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Международный сборник научных трудов Основан в декабре 1994 года Выходит 4 раза в год

Выпуск 2 (65)’ 2019

Донецк – 2019

УДК 621.01(06) Рекомендован к изданию Ученым Советом Донецкого национального технического университета (протокол № 1 от 22 февраля 2019 г.)

В международном сборнике научных работ приведены некоторые вопросы теории и практики обработки изделий прогрессивными методами, показаны достижения и пути развития технологического оборудования, оснастки, металлорежущего инструмента и нанесения специальных покрытий на изделия машиностроения. Рассмотрены отдельные аспекты автоматизации производственных процессов и надежности технологического оборудования. Освещены современные проблемы материаловедения в машиностроении. В данном сборнике публикуются ученые и ведущие специалисты из различных стран мира. Предназначен для научно-технических работников, ИТР и специалистов в области машиностроения. Учредитель и издатель – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет» (Свидетельство о государственной регистрации юридического лица от 07.04.2016 г. № 029192 серия АА03). Издается при содействии Международного союза машиностроителей РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Михайлов А.Н. (гл. редактор), Гусев В.В. (зам. гл. редактора), Лахин А.М. (секретарь) (ДНР), Байков А.В. (ДНР), Бахадиров Г.А. (Узбекистан), Братан С.М. (Россия), Буленков Е.А. (ДНР), Бутенко В.И. (Россия), Витренко В.А. (ЛНР), Горобец И.А. (ДНР), Грубка Р.М. (ДНР), Данияров Н.А. (Казахстан), Еронько С.П. (ДНР), Ивченко Т.Г. (ДНР), Коваленко В.И. (ДНР), Курбанов Х.К. (Туркменистан), Ищенко А.Л., Мазуру С. (Молдова), Маляренко А.Д. (Беларусь), Мельникова Е.П. (ДНР), Навка И.П. (ДНР), Неделку Д. (Румыния), Поветкин В.В. (Казахстан), Прутяну О. (Румыния), Родованович М. (Сербия), Сидорова Е.В. (ДНР), Суслов А.Г. (Россия), Тока О. (Молдова), Федонин О.Н. (Россия), Хандожко А.В. (Россия), Чернышев Е.А. (ДНР), Шабаев О.Е. (ДНР) Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, кафедра ТМ. Тел.: +38 062 301-08-40, E-mail: tm@fimm.donntu.org, Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Свидетельство о регистрации СМИ от 20 апреля 2017 г., серия ААА № 000125.

Народной

Республики.

Сборник включен в перечень рецензируемых изданий ВАК ДНР (приказ №744 от 24.07.2017 г.), в котором могут публиковаться результаты диссертационных работ на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.)

ISSN 2073-3216 ISSN 2518-7120 (E)  Авторы статей, 2019  ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.85.05-034 1

С. К. Амбросимов, д-р техн. наук, проф., 2 А. В. Морозова, канд. техн. наук, доцент Липецкий государственный технический университет, Россия 2 Брянский государственный технический университет, Россия Тел.: +7 (919) 2027007; E-mail: niotiostu@gmail.com 1

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАЗРУШЕНИЯ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ СНИЖЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИ УПРОЧНЕННЫХ МЕТАЛЛОВ В статье проанализирован ряд теоретических подходов, объясняющих явления снижения сил резания механически упрочненных материалов с позиции дислокационной теории и баланса энергии пластической деформации. Представлена Феноменологическая теория исследования процесса резания с опережающим деформированием, позволяющая оценить величину снижения сил резания, а также модель, которая учитывает поэтапное накопление поврежденности, с учетом изменения показателя напряженного состояния на каждом этапе пластической деформации в процессе обработки, что составляет новизну работы. Ключевые слова: теория разрушения, сила резания, механическое упрочнение, упрочнение металлов S. K. Ambrosimov, A. V. Morozova THE PHENOMENOLOGICAL THEORY OF DESTRUCTION IN THE SOLUTION OF THE PROBLEM OF REDUCING THE FORCES OF CUTTING MECHANICALLY STRENGTHENED METALS The article analyses a number of theories for explaining the phenomenon of reducing cutting forces of mechanically hardened materials from the perspective of dislocation theory and the energy balance of plastic deformation. The Phenomenological theory of research of the cutting process with advanced deformation is presented, allowing to estimate the magnitude of reduction of cutting forces, as well as a model that takes into account the gradual accumulation of damage, taking into account the change in the stress state indicator at each stage of plastic deformation during processing, which is new. Keywords: destruction theory, cutting force, mechanical hardening, metal hardening.

1. Введение. Энергетическая теория Современные направления развития теории резания [1, 2] затрагивают как проблемы создания новых видов станочного оборудования [3] и металлорежущего инструмента [4, 5], оценки качества резки металла [6], так и задачи оптимального применения смазочно-охлаждающих жидкостей [7, 8], исследования остаточных поверхностных напряжений при резке металла [9], а также моделирования процесса резания [10, 11], в том числе и с применением современных математических методов [12, 13]. Перспективным направлением в теории резания является исследование явления снижения силы резания при обработке "укрепленных", т. е. механически упрочненных металлов. Я.Г. Усачев впервые объяснил это явление с позиций баланса работ пластической деформации в работе [14]. Он утверждал, что: «Прежде чем разрушится металл проходит через все стадии упрочнения. Разрушение металла произойдет в тот момент, когда укрепление достигнет наибольшей величины. Чтобы разрушить металл, уже укрепленный до некоторой степени, его нужно меньше деформировать, чем металл вовсе неукрепленный на величину, соответствующую предварительному укреплению». И далее: «… разность работ будет равна той работе, которая требуется, чтобы довести металл образца до данной степени укрепления».

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Проведенные им же эксперименты с растяжением до разрушения, механически упрочненного и отожженного образцов, не подтвердили, последнего предположения. Работа, затраченная на разрыв неупрочненных образцов, до четырех раз превышала работу, механически упрочненных, а при обработке резанием это превышение составило до 1,4 раз. 2. Снижение сил резания при опережающем деформировании с позиции теории дислокации Улучшение обрабатываемости металлов резанием после деформирующего протягивания A.M. Кузнецов [15] объясняет с позиций теории дислокаций. Различаются три стадии упрочнения металлов. При приложении напряжения и достижении микроскопического предела упругости, источник дислокаций на первой стадии начинает генерировать петли дислокаций, движущиеся под действием напряжения в плоскости скольжения [16]. Петли выходят на поверхность кристалла, с образованием ступенек S на последней. При этом, часть петель задерживается в плоскости скольжения, что создает обратное напряжение, препятствуя действию источника дислокаций. Линия скольжения растет под действием постоянно приложенного напряжения. При достаточной величине напряжения источник может генерировать новые петли, которые беспрепятственно проходят через всю плоскость скольжения. Новые препятствия в плоскости скольжения на первой стадии не возникают изза отсутствия леса дислокаций, (скольжение происходит только в одной системе плоскостей). Этот процесс повторяется при одном и том же уровне напряжения. Поэтому в условиях сдвига на первой стадии упрочнение мало. Высота ступеньки не превышает 50 – 100 A, при длине линии скольжения 1мм. По-Хиршу, переход от стадии I к стадии II происходит тогда, когда внутренние напряжения, вызываемые лесом дислокаций, складываясь с действующим напряжением становятся достаточными для возникновения дислокаций во вторичной системе, а расстояние между скоплением диполей становится очень малым. Из-за скопления дислокаций на второй стадии линии скольжения становятся короче и расположены менее регулярно, чем на первой. На основании исследований дислокационной структуры меди было установлено, что на этой стадии возникают сплетения диполей с дислокацией леса, в результате чего образуется нерегулярная сетка дислокаций. Так к концу второй стадии средняя плотность дислокаций достигает 1016 см-2. В отожженном материале плотность дислокаций в среднем составляет 106-108 см-2. Лавинообразный процесс генерирования дислокаций источниками Франка Рида во вторичной системе плоскостей скольжения соответствует началу второй стадии. К этому моменту образуется большое количество неподвижных дислокаций, которые препятствуют прохождению новых дислокаций, таким образом, растут их нагромождения. Число дислокаций увеличивается пропорционально деформации. Рост напряжения на третьей стадии способствует развитию полос скольжения, длина которых зависит от величины предшествующей деформации. Перемещение дислокаций на определенном этапе уже невозможно в направлении напряжения, в результате наблюдается развитие поперечного скольжения. При этом полосы скольжения расширяются. Сдвиг в плоскости скольжения может затормозиться за счет скопления дислокаций перед препятствием. Винтовые дислокации при некоторых условиях могут переходить на соседнюю параллельную плоскость за счет поперечного скольжения. Там дислокация образует новый источник, который под действием приложенного на-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

пряжения дополнительно порождает некоторое количество дислокаций и обеспечивает пластический сдвиг в новой плоскости. За счет этого рост механического упрочнения снижается по сравнению с наблюдаемым на второй стадии, за счет этого понижается интенсивность роста сопротивления течения. На третьей стадии на плотность дислокаций и дислокационную структуру металла влияет не только величина напряжения или деформации, но и напряженное состояние. Рост и наличие дислокаций не влияет на нарушение сплошности кристаллической решетки, т.е. не приводит к образованию субмикротрещин. При этом зоны в местах скопления дислокаций испытывают значительные упругие искажения, за счет отсутствия большого количества атомных слоев, таким образом, возникают локальные концентрации напряжений. Дислокация является центром упругой деформации. Концентрация напряжений убывает по закону L/r по мере удаления центра дислокации. Дислокации, у которых вектор Бюргерса расположен в плоскости скольжения, довольно подвижны и под действием приложенного напряжения перемещается в плоскости скольжения, благодаря чему происходит пластический сдвиг. В процессе пластической деформации дислокации размножаются различным образом, при этом число их в металле увеличивается на несколько порядков. В отожженном недеформированном металле плотность дислокаций составляет 106-108 см-2, а в механически упрочненном их плотность достигает 10111012 см-2. В местах локализации дислокаций свободная энергия кристаллической решетки увеличивается. Несмотря на то, что дислокация является термодинамически неустойчивым образованием, она находиться в метастабильном состоянии из-за того, что силы, действующие на нее, уравновешены. Для выведения кристалла из метастабильного состояния надо ввести дополнительную энергию, например, термическую. Дислокация при этом либо покинет кристалл, либо переместится до нового метастабильного состояния, а энергия кристалла уменьшится. Увеличение энергии кристалла происходит за счет увеличения свободной энергии каждой из дислокаций, их количества и за счет взаимодействия полей дислокаций, а также дислокаций с поверхностями раздела кристалла. Дислокации, являясь дефектами, при движении в кристалле, порождают новые дефекты, возникающие при взаимных пересечениях дислокаций и при огибании ими мелких инородных включений. Эти дефекты суммируются, приводят к образованию больших скоплений, центры этих образований являются причиной появления субмикротрещин и, в конечном счете, приводит к разрушению материала. Существует три типа механизмов образования микротрещин: 1) в одной плоскости скольжения дислокации достигают критической величины; 2) при движении в пересекающихся плоскостях скольжения дислокации взаимодействуют, порождая нагромождения, которые препятствуют перемещению по плоскостям скольжения; 3) в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки вакансий и дислокаций. Например, Стро и Грифитс предположили, что трещина должна возникать, если ее образование приведет к уменьшению энергии искажения решетки, а разрушение должно произойти, когда упругая энергия превысит по величине поверхностную энергию, необходимую для образования свободной поверхности. По теории Питча хрупкое разрушение наступает при условии, когда в результате нагромождения дислокаций превышается теоретическая прочность.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

По-Гилману искусственное препятствие в монокристалле цинка в виде латунной скобки, послужило надежным барьером для продвижения дислокаций по плоскостям сдвига (предел текучести у латуни выше, чем у цинка). В результате этого в плоскости скольжения у искусственного препятствия возникли нагромождения дислокаций, они привели к ослабленной прослойке, которая раскрывалась в трещину под действием растягивающей компоненты, перпендикулярной к плоскости скольжения. Заслуживающей внимания, но пока недоказанной, является модель Прайса, при которой зарождение трещины возникает из-за локального совмещения дислокаций, которые перемещаются в параллельных плоскостях скольжения, что приводит к образованию областей, локализующих большие внутренние напряжения вблизи источника. Несомненно, что именно эти механизмы являются основным фактором сливающихся трещин, приводящим к хрупкому разрушению, несмотря на то, что большинство моделей, приводящих к хрупкому разрушению, пока еще не подтверждены экспериментально. Низкий КПД процесса разрушения при различных схемах механического разрушения определяет представленный механизм смыкания и самозалечивания микротрещин в процессе деформации. При резании металлов основная энергия затрачивается на деформирование в процессе обработки прилегающей к передней поверхности зуба зоны, и лишь ничтожная часть на увеличение поверхностной энергии системы, т.е. на образование магистральной трещины, приводящей к стружкообразованию. Общая энергия разрушения при резании превышает поверхностную энергию более чем на 3…4 порядка. Трещины становятся неустойчивыми при увеличении степени предварительной деформации и последующее срезание такого слоя приводит к тому, что отдельные субмикротрещины под деформирующим действием режущего клина сливаются в макротрещину. При опережающем поверхностном пластическом деформировании, поперечные микротрещины постепенно переходят в макротрещины, а при повторном воздействии в продольные, что приводит к чешуйчатому отслоению. Зоны с максимальной концентрацией субмикротрещин должна локализоваться в местах с максимальным значением микротвердости, т.е. в зонах с максимальной плотностью скопления дислокаций. Однако ни характер изменения плотности микротрещин по глубине, ни направление их расположения применительно к поверхностному пластическому деформированию не исследован, хотя это важно для исследования процессов резания с опережающим пластическим деформированием (ОПД). 3. Феноменологическая модель, учитывающая поэтапное исчерпание ресурса пластичности при двустадийной деформации Скопление субмикротрещин, связанное с накоплением поврежденности, при любом виде пластического деформирования, а также резании зависит от характера нагружения [17]. Накопление поврежденности зависит как от степени деформации, так и от условий нагружения, которые определяются рядом факторов: показателем напряженного состояния и историей нагружения. На динамику накопления поврежденности влияет величина и знак гидростатического давления, с ростом давления растет скорость залечивания микротрещин, при этом КПД процесса разрушения уменьшается. В последнее время большое внимание уделяется комбинированным методам обработки, в том числе резанием с предварительным поверхностным деформированием таким, как размерная совмещенная обработка и деформирующе–режущее протягивание [18, 19]. В связи с этим возникла настоятельная необходимость разработки надежной и достоверной математической модели резания с ОПД. Основной проблемой создания

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

такой модели является то, что при комбинированном деформирующем воздействии и резании работают различные механизмы накопления поврежденности с разными схемами нагружения и, как следствие, с различными показателями напряженного состояния, которые надо учитывать. Для этого, в модели процесса резания с ОПД (рис. 1), необходимо накопленную поврежденность при предварительном поверхностном деформировании (кривая 1) привести к соответствующей поврежденности процесса резания (кривая 2) [17], через диаграмму пластичности обрабатываемого материала (кривая 3), которая определяет степень деформации сдвига соответствующей моменту разрушения материала в зависимости от показателя напряженного состояния. При ОПД процесс накопления поврежденности проходит по кривой 1 с показателем напряженного состояния σ/Т меньшим по величине показателя напряженного состояния процесса резания до некоторого значения соответствующего точке А. Затем начинается процесс резания и накопление поврежденности продолжается по кривой 2 с большим значением показателя σ/Т, но с уже накопленной поврежденностью 1 и деформацией 3 2 (a) , соответствующей началу процесса резания. Таким образом, в модели баланса работ учитывается не всю работу предварительной пластической деформации и соответствующая ей сдвиговая деформация 3 1 (a) , а лишь часть с меньшим значением сдвиговой деформации 3 2 (a) .

Рисунок 1. Схема накопления поврежденности в 2 этапа при резании с ОПД Например, при деформирующе–режущем протягиванием с ОПД и упругопластическим растяжением (УПН) [19, 20] накопление поврежденности в начале соответствующей процессу ОПД с отрицательным показателем напряженного состояния –σ/Т, т.к. перед режуще-деформирующим зубом по ходу протяжки расположен деформирующий элемент. Затем в обрабатываемое отверстие входит деформирующе–режущий элемент, у которого деформирующие зубья расположены между режущими, в местах стружкоразделительных канавок. Деформированные ранее

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

слои металла начинают одноосно растягиваться деформирующими зубьями в зоне размещения режущих зубьев. Степень сдвиговой деформации, соответствующей накопленной ранее при ОПД поврежденности, в переводе на положительный показатель напряженного состояния, характерного для одноосного растяжения, значительно снижается. Упруго-пластически растянутые слои металла, расположенные между режущими зубьями, приобретают дополнительную поврежденность, за счет одноосного растяжения при показателе напряженного состояния, характерного для процесса растяжения. Режущие зубья, расположенные между деформирующими, срезают растянутые поверхностные слои, при измененном σ/Т. Показатель напряженного состояния процесса резания, установленный по коэффициенту усадки стружки и изменения ее микротвердости, корректируется с использованием принципа суперпозиции, т.е. наложением дополнительного напряжения растяжения по одной из осей. Таким образом, предложенная Я. Г. Усачевым модель баланса работ пластической деформации изменена с учетом накопления поврежденности, соответствующей постадийному изменению показателя напряженного состояния и соответствующей этому состоянию диаграмме пластичности; измененная модель использована для процесса резания с ОПД и УПН. 4. Заключение Теоретические исследования с позиции баланса работ пластической деформации и теории дислокаций недостаточно полно выявляют причины улучшения обрабатываемости материалов резанием и не позволяют оценить величину снижения силы резания материалов, предварительно обработанных поверхностным пластическим деформированием. Перспективные модели расчета обрабатываемости резанием с ОПД и УПН должны учитывать изменение показателя напряженного состояния и историю накопления поврежденности с учетом изменения показателя напряженного состояния и соответствующего изменения степени деформации сдвига на каждом этапе комбинированного воздействия. ЛИТЕРАТУРА: 1. Binder, M. Abrasive wear behavior under metal cutting conditions / Binder M., Klocke F, Doebbeler B., 2017– Wear, Elsevier 2017. 2. Razak, N. H. 2017 Cutting force and chip formation in end milling operation when machining nickel-based superalloy / Razak N. H., Rahman M. M. // Hastelloy C-2000 Journal of Mechanical Engineering Education (jmes.ump.edu.my) 3. Krestyaninov, P. N. 2017 Selection of metal-cutting machines in operational design by means of PLM systems Russian Engineering Research (Springer) / Krestyaninov P. N., Khusainov R. M., Yurasov S. Y. 4. Binder, M. 2017 An advanced numerical approach on tool wear simulation for tool and process design in metal cutting Simulation modelling practice and theory (Elsevier) / Binder M., Klocke F., Doebbeler B. 5. Johansson, D. 2017 Assessment of Commonly used Tool Life Models in Metal Cutting Procedia Manufacturing (Elsevier) / Johansson D., Hagglund S., Bushlya V., Stahl J. E. 6. Konigs, M. 2018 Process-parallel virtual quality evaluation for metal cutting in series production Procedia Manufacturing (Elsevier) / Konigs M., Brecher C. 7. Gajrani, K. K. 2017 Past and current status of eco-friendly vegetable oil based metal cutting fluids Materials Today: Proceedings (Elsevier) / Gajrani K. K., Sankar M. R.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

8. Mang, T. 2017 Metalworking fluids Lubricants and lubrication (Wiley Online Library) / Mang T., Freiler C., Horner D. 9. Buchkremer S., 2017 Compilation of a thermodynamics based process signature for the formation of residual surface stresses in metal cutting Wear (Elsevier) / Buchkremer S., Klocke F. 10. Malakizadi, A. 2017 Influence of friction models on FE simulation results of orthogonal cutting process, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (Springer) / Malakizadi A., Hosseinkhani K., Mariano E. 11. Rodriguez, J. M. 2017 Simulation of metal cutting using the particle finiteelement method and a physically based plasticity model Computational Particle Mechanics (Springer) / Rodriguez J. M., Jonsen P., Svoboda A. 12. Gok, K. 2017 Three-dimensional finite element modeling of effect on the cutting forces of rake angle and approach angle in milling Proceedings of the national academy of sciences of the united states of America (journals.sagepub.com) / Gok K., Sari H., Gok A., Neseli S. 13. Kaselouris, E. 2017 A study of explicit numerical simulations in orthogonal metal cutting Solid State Phenomena (Trans Tech Publ.) / Kaselouris E., Papadoulis T., Variantza E. 14. Панченко, К. П. Российские ученые - основатели металлорежущей науки / К. П. Панченко. – Москва: МАШГИЗ, 1965. – 480 с. 15. Кузнецов, А. М. Технология основ создания методов лечения в технике / А. М. Кузнецов. – Москва: МАМИ, 1975. – 298 с. 16. Иванова, В. С. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов / В. С. Иванова, Л. К. Гордиенко, В. Н. Геменов. – Москва: Наука, 1965. – 180 с. 17. Богатов, А. А. Пластическое время жизни металлов при обработке давлением / А. А. Богатов, О. Н. Мижирицкий, С. В. Смирнов. – М.: Металлургия, 1984. – 144 с. 18. Амбросимов, С. К. Новые прогрессивные методы и инструменты деформационно-режущей протяжки / С. К. Амбросимов // Вестник Липецкого государственного технического университета. – 2016. – № 1 (27). – С. 54-63. 19. Эффективные технологии дорнования, протягивания и деформирующережущей обработки. Коллективная монография / С. К. Амбросимов, А. Н. Афонин, А. Р. Ингеманссон, А. Н. Исаев, А. В. Киричек, Д. В. Крайнев, А. Р. Лебедев, В.Ф. Макаров, А. В. Морозова, П. А. Норченко, Ю. Н. Полянчиков, Д. Л. Соловьев; под ред. А. В. Киричека - Москва: Издательский дом «Спектр», 2011. – 328 с. – ISBN 978-5904270-84-1. 20. Амбросимов, С. К. Упругопластическое растяжение зоны резания - инновационное направление деформирующе-режущего протягивания / С. К. Амбросимов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. – 2018. – № 3. – С. 38 - 42. Поступила в редколлегию 13.02. 2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.923 В. Б. Богуцкий, канд. техн. наук, Л. Б. Шрон, канд. техн. наук, доцент. ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» Тел./Факс: +7 (978) 767 28 73; E-mail: VBBogutskiy@sevsu.ru О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ С ПРЕРЫВИСТЫМ ПРОФИЛЕМ НА ОПЕРАЦИЯХ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ В работе выполнен сравнительный анализ работы шлифовальных кругов со сплошной и прерывистой рабочей поверхностью. Показано, что результаты расчетов ожидаемой контактной температуры, шероховатости и интенсивности износа при заданной интенсивности съёма металла подтверждаются производственными испытаниями. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что на операциях плоского шлифования, особенно при обработке металлорежущего инструмента, целесообразно применять шлифовальные круги с прерывистой рабочей поверхностью. Ключевые слова: шлифование, шлифовальный круг, прерывистый профиль, плоское шлифование, размерный износ. V. B. Bogutsky, L. B. Shron ABOUT THE FEASIBILITY OF APPLICATION OF GRINDING WHEELS WITH INTERMITTENT PROFILE FOR FLAT GRINDING OPERATIONS The paper presents a comparative analysis of grinding wheels with continuous and intermittent working surface. It is shown that the results of calculations of the expected contact temperature, roughness and wear at a assigned intensity of metal removal are confirmed by production tests. The results obtained allow us to conclude that in flat grinding operations, especially when machining metal cutting tools that it is advisable to use grinding wheels with aintermittent working surface on flat grinding operations, especially when processing the tool. Keywords: grinding, grinding wheel, intermittent profile, flat grinding, dimensional wear.

1. Введение Для финишной обработки плоских поверхностей деталей машин в последнее время широкое распространение, особенно на предприятиях инструментального крупносерийного и инструментального производства, получил метод шлифования абразивным инструментом с прерывистой рабочей поверхностью (ПРП). По данным [1-4], ежегодно на операциях плоского шлифования общий съём металла составляет 45…55 тыс. тонн и расходуется около 230 тысяч шлифовальных кругов O200…500 мм. В том числе на в инструментальном производстве на плоскошлифовальных станках в значительном количестве обрабатываются детали такого технологического инструмента как штампы и прессформы (матрицы, плиты, вставки пуансоно- и матрице-держатели и др.) к которым предъявляются достаточно высокие требования как по шероховатости поверхности и точности обработки, так и по физико-механическим свойствам обработанных поверхностей. Необходимость обеспечения заданных физико-механических свойств, в значительной степени сказывается на производительности процесса шлифования, заставляя технологов снижать режимы обработки. 2. Основное содержание и результаты работы Согласно [5-9 и др.] использование на операциях шлифования абразивного инструмента с ПРП позволяет интенсифицировать режимы обработки при обеспечении требуемых физико-механических обрабатываемой поверхности. За счет периодического прерывания процесса резания температура в зоне контакта абразивных зерен с мате© Богуцкий В. Б., Шрон Л. Б.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

риалом детали снижается и, одновременно, в технологической системе возбуждаются высокочастотные колебания, уменьшая энергоёмкость процесса обработки. Как показано в [6, 7, 10-12 и др.], при шлифовании абразивным инструментом с ПРП сочетание эффекта от периодического прерывания процесса резания (в зоне контакта абразивных зерен с материалом детали температура не достигает квазистационарного состояния) с эффектом постоянного заострения рельефа круга дает возможность снижения теплонапряжённости процесса обработки. Основные математической модели процесса шлифования поверхностей кругом с ПРП и расчетные зависимости приводятся в [6-8, 13-18]. Цель статьи выполнить сравнительный анализ и практическую проверку работы шлифовальных кругов со сплошной и прерывистой рабочей поверхностью. Для проверки предлагаемых методик расчета характеристик абразивного инструмента с ПРП и режимов обработки выполнены расчеты и построены графические зависимости: ожидаемых контактной температуры, шероховатости и интенсивности износа от заданной интенсивности съёма металла (рис.1).

Рисунок 1. Сравнительные результаты расчетов процесса шлифования кругами с прерывистой и сплошной рабочей поверхностью от заданной интенсивности съёма металла: а – шероховатости поверхности; б – интенсивности износа; в – контактной температуры. Расчёты производились для шлифования заготовки из закаленной стали Х12Ф1 (HRC 60…64). Сравниваемые варианты инструмента: шлифовальный круг со СРП тип 1 300х40х127 25АF40LV и шлифовальный круг с ПРП тип 1 300х40х127 25АF40LV (10 пазов длиной l1=l2=47 мм расположенных под углом к оси круга α=15°). Принятые исходные данные: диаметр шлифовального круга, D=0,30 м; площадь обрабатываемой поверхности Fзаг=8∙10-3м2; глубина резания t=0.02 мм/дв.ход; коэффициент температуропроводностиα=3∙106 м2/с; коэффициент теплопроводности λ=16,7

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Вт/(°С∙м2); радиус округления вершины абразивного зерна ρg=1,45∙10-5м; коэффициент стружкообразования Кс=0,9; скорость заготовки Vu=0.1 м/с; Vk – скорость круга, 35 м/с; зернистость круга, x =40 мкм; ng – количество вершин зерен на единицу поверхности рабочего слоя круга, 5,2∙106 1/м2; η – параметр управления теплонапряжённостью процесса шлифования, η=0,3; m – объёмная концентрация зёрен круга, m=0,5; Необходимо определить: шероховатость обработанной поверхности, размерный износ круга в единицу времени, контактную температуру и интенсивность съёма металла. Ниже приведены примеры выполнения расчётов перечисленных характеристик. Фактическая глубина резания [6, 7, 15]: tf 

2  D2   D2  Vu   D  t  l1  l2     D t    2  2  Vk    2

0,1   0,5  0,32   0,3  0,02  10  3   0,04  0,0255  35    0.5  0,32  0,25  0,02  10  3  5,24  10  6 м.

Ожидаемое значение среднего арифметического отклонения профиля и скорости износа круга вычислим по зависимостям [6, 15, 16]: 2  2  D2     Vu 0, 4  D 0,25  Vu     Dt  l1  l2     Dt    2  Vk  2      Ra  K с0,6  (Vk  Vu ) 0, 4  ng 0, 4  D 0, 2   g0, 2



0 ,6

.

0,25  0,10, 4  (5,24  10 6 ) 0,6  0,93 мкм 0,90,6  (35  0,1) 0, 4  5,2 0, 4  0,30, 2  (1,45  10 5 ) 0, 2

Интенсивность съёма металла [6, 7, 15]: Vm 

3 0,02  t  Vu  Fзаг 0,02  5, 24  10 6  0,1  8  10 3 .   6,987  10  8 м с B 12

Контактная температура [6, 10, 14]: 3   l2   3,5  tg  m  Vu  t  1     Vk  1      l1   T  2,04  A    2  C 2   g 2  x 2  1   2      

0 , 25



3   25,5    3 3,5  1  0,3  35  1   1  0,5  0,1  0,05  10   40      2,04 17,1  16,7 2  5,57  10 8 2  99,9982  40  10 6 2  1  0,32     



0 , 25







 209,34С

Величина линейного износа максимально выступающего зерна [6, 15, 17, 18]:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

 l  2t 3 3 1444, 4  Vu  1  2    x  l1  R 3  X   m  Vk  tg  1   2





3

 0,0255  2  0,05  10 1444, 4  0,11   3 0,04  0,125   0,5  35  1  1  0,32



 ( 40  10  6 ) 3  0,33



 8,98 мкм

мин

Выполненные расчёты показывают, что в одинаковых условиях абразивный круг с ПРП по сравнению с кругом со сплошной рабочей поверхностью (СРП) снижает температуру в зоне контакта (ΔТкmax= -30% при изменении интенсивности съёма металла 0,8…8,98∙10-8 м3/с, что даёт возможность роста производительности обработки. В данном случае некоторое возрастание шероховатости и скорости размерного износа при шлифовании кругом с ПРП можно объяснить тем, что в условиях более интенсивного самозатачивания снижается количество зёрен на единице рабочей поверхности круга с ПРП, а также уменьшается величина площадок износа на их вершинах, что приводит к увеличению глубины внедрения абразивных зёрен в металл. Однако, при этом условия микрорезания абразивными зёрнами улучшаются, требуя на съём металла в единицу времени меньших энергетических затрат, а уменьшение высоты шероховатости при необходимости достигается соответствующим уменьшением зернистости и увеличением твёрдости круга. Аналогично достигается и снижение размерного износа. При этом ПРП абразивного инструмента позволяет вести обработку в области допустимых контактных температур. Снижение теплонапряжённости при шлифовании кругом с ПРП дает возможность интенсифицировать режимы обработки без опасности возникновения прижогов на обрабатываемых поверхностях. Производственная проверка возможностей и сравнение эксплуатационных показателей шлифовального круга с ПРП и шлифовального круга со сплошной рабочей поверхностью (СРП) производилась на ООО «Таврида электрик» (г. Севастополь) на операциях шлифования плоских поверхностей деталей прессформ. Заготовки из закалённой стали Х12М обрабатывались на плоскошлифовальном станке модели 3Е711В. В качестве СОТС использовался 3%-ый раствор эмульсола Укринол-1 в воде. Шлифование производится при скорости круга Vk=35 м/с, скорость подачи заготовки Vu=10 м/мин, t = 0,03мм. Основные требования: отсутствие прижогов, шероховатость обработанных поверхностей Rа=1,25 мкм. Допускаемая скорость размерного износа абразивного круга – 50 мкм/мин. Результаты проверки приведены на рис. 2 и 3. Результаты сравнительного исследования физико-механического состояния поверхностного слоя плит обработанных кругами с ПРП со СРП показали, что в тонком поверхностном слое возрастает микротвердость (рис. 3, а) и появляются остаточные напряжения сжатия (рис. 3, б). Особенностью изменений физико-механических свойств по глубине является отсутствие слоя с пониженной микротвердостью. При шлифовании обычными кругами его появление обусловлено структурными превращениями, возникающими при высоких температурах зоны контакта. При шлифовании кругами с ПРП уменьшается время контакта сечения поверхности с инструментом до (1,8…3.7)·10-4с, скорость нагрева и охлаждения поверхностного слоя до (2,1…3.6)∙106 °С/с. При таких скоростях термических процессов возникновение отпущенного слоя маловероятно.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 2. Проверка износа шлифовального круга (а) и шероховатости обработанной поверхности (б).

Рисунок 3. Распределение микротвердости (а) и остаточных напряжений (б) в поверхностных слоях образцов из закаленной стали. В процессе испытаний скорость подачи заготовок увеличена с 0,032 м/с до 0,046 м/с, что соответствует увеличению производительности обработки на ≈44%. При этом прижоги на обработанных поверхностях отсутствовали, шероховатость и точность соответствовали заданным техническим условиям. Заключение Проведенные сравнительные расчеты и производственные испытания позволяют сделать вывод о целесообразности применения на операциях плоского шлифования шлифовальных кругов с прерывистым профилем. При проектировании плоскошлифовальных операции технологу с целью обеспечения заданного качества поверхностного слоя обрабатываемой поверхности, следует предварительно изучить методику расчётов и затем выполнить расчёт геометрических параметров прерывистого профиля круга, а также расчёт режимов высокопроизводительного шлифования. ЛИТЕРАТУРА: 1. Кручинецкий, С. М. Отчет по маркетинговому исследованию рынка металлорежущего инструмента РФ. – СПб.: Питер–Консалт, 2013. – 23 с. 2. Narasimha, M. Improving Cutting Tool Life a Review / M. Narasimha, K. Sridhar, et al. // International Journal of Engineering Research and Development. – 2013. – Vol. 7. – Iss.1. – Р. 67-75.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

3. Handbook of Machining with Grinding Wheels, Second Edition / Ioan D. Marinescu, Mike P. Hitchiner. CRC Press. – 2016. – 750 p. 4. Макаров, В.Ф. Современные методы высокоэффективной абразивной обработки труднообрабатываемых материалов / В.Ф. Макаров. – Пермь: Изд-воПНИПУ, 2013. – 359 с. 5. W. Brian Rowe. Principles of modern grinding technology. Jordan Hill, Oxford ОХ2 8DP: UK. – 2009. – 421 р. 6. Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения / под ред. Ф. В. Новикова и А. В. Якимова // Теория абразивной и алмазно–абразивной обработки материалов. – Одесса: ОНПУ, 2002. – Т.4. – 802 с. 7. Якимов, А. В. Прерывистое шлифование / А. В. Якимов. – К.: Вища школа, 1986. – 175 с. 8. Хусаинов, А. Ш. Повышение производительности бездефектного шлифования заготовок клиновидных изделий: дис. ... докт.техн. наук / А. Ш. Хусаинов. – Ульяновск. – 2006. – 425 с. 9. Богуцкий, В. Б. Анализ конструктивных особенностей шлифовальных кругов с прерывистой поверхностью / В. Б. Богуцкий, Л. Б. Шрон, Б. В. Богуцкий, Б. Л. Шрон // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. – 2012. – № 35. – С. 60-64. 10. Сизый, Ю.А. Накопление тепла в поверхностном слое детали в цикле врезного шлифования/Ю.А. Сизый,А.В. Фесенко, Ю.Н. Любимый//Восточно–европейский журнал передовых технологий. 2013. Вып. № 7 (61). Т.1. С.61-63. 11. Лищенко, Н. В. Температура при шлифовании прерывистыми и высокопористыми кругами / Н. В. Лищенко, В. П. Ларшин // Вектор науки ТГУ. – 2015. – № 3-1.– С. 75-84. 12. Смирнов, В. А. Повышение эффективности плоского шлифования периферией круга за счет использования прерывистых кругов с упругодемпфирующими элементами: дис. ... канд. техн. наук / В. А. Смирнов. – Ижевск, 2008. – 138 с. 13. Bogutsky, V. Calculating the profile of intermittent grinding wheel for the sharpening teeth of the broach / Yu. Novoselov, L. Shron // MATEC Web of Conferences 224, 01003 (2018) ICMTMTE 2018. DOI: https://doi.org/10.1051/ matec-conf/201822401003. 14. Лищенко, Н. В. Определение температуры прерывистого шлифования / Н. В. Лищенко, В. П. Ларшин, А. В. Якимов // Праці Одеського політехнічного університету.– 2012. – Вып. 2(39). – С. 80-85. 15. Новоселов, Ю. К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. – Севастополь: Из–во СевНТУ. – 2012. – 304 с. 16. Новоселов, Ю. К. Прогнозирование параметров шероховатости поверхности при абразивной обработке / Ю. К. Новоселов, В. Б. Богуцкий, Р.Н. Дзюбаба // Известия Тульского государственного университета. Техническиенауки. – 2017. – № 8-1. – С. 262-269. 17. Novoselov, Yu. Patterns of removing material in workpiece - grinding wheel contact area / Yu. Novoselov, V. Bogutsky, L. Shron // Всборнике: Procedia Engineering, «International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2017». – 2017.– Р. 991-996. 18. Богуцкий, В. Б. Расчет размерного износа абразивных зерен при наружномкруглом шлифовании / В. Б. Богуцкий, Ю. К. Новосёлов, С. М. Братан // Ползуновский альманах. – 2012. – № 1. – С. 279-283. Поступила в редколлегию 15.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.45.0.002.2(0.75.8) 1

Д. А. Михайлов, канд. техн. наук, доц., 2 А. П. Пичко, аспирант, Е. А. Шейко, канд. техн. наук, доц., 2 А. Н. Михайлов, д-р техн. наук, проф. 1 ГОУ ВПО «Донецкая академия гражданской защиты», г. Донецк, ДНР 2 ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Тел.: +38 071 3060879; E-mail: mntk21@mail.ru 1

МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ В статье приведены данные по повышению ресурса лопаток газотурбинных установок на базе функционально-ориентированных покрытий и принципа равенства ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины. Представлена методика синтеза технологического обеспечения для выполнения функционально-ориентированных покрытий лопаток компрессора и турбины. Разработан алгоритм синтеза функционально-ориентированных покрытий лопаток компрессора и турбины на основе связей их параметров. Ключевые слова: синтез, методика, алгоритм, ресурс, лопатка, газотурбинная установка, нефтегазовая промышленность. D. A. Mikhaylov, A. P. Pichko, E. A. Sheyko, A. N. Mikhaylov METHODOLOGY AND ALGORITHM OF SYNTHESIS OF TECHNOLOGICAL PROVIDING OF COMPLEX INCREASE OF RESOURCE OF SHOULDER-BLADES OF TURBO-COMPRESSOR OF GAS-TURBINE INSTALLATION To the article data are driven on the increase of resource of shoulder-blades of gas-turbine options on the base of providing of the function-oriented coatings and principle of equality of resources of shoulder-blades of compressor and shoulder-blades of turbine. Methodology of synthesis of the technological providing is presented for implementation of the function-oriented coatings of shoulder-blades of compressor and turbine. The algorithm of synthesis of the function-oriented coatings of shoulder-blades of compressor and turbine is worked out. Keywords: synthesis, technique, algorithm, resource, shoulder-blades, gas turbine plant, oil and gas industry

1. Введение В настоящее время, для решения технологических задач в нефтегазовой промышленности широко используются газотурбинные установки (ГТУ). Они позволяют с высокой эффективностью и надежностью решать технологические вопросы добычи, переработки и транспортировки газа и нефтепродуктов. Вместе с тем, научнотехнический прогресс требует дальнейшего повышения производительности, ресурса работы и надежности работы ГТУ. Можно отметить, что ГТУ состоит из большого количества различных элементов и подсистем. При этом к основным элементам можно отнести лопатки компрессора и лопатки турбины, которые объединяются общим турбокомпрессором. В компрессоре ГТУ в основном действуют абразивно-эрозионные воздействия, а в турбине - на лопатки действуют абразивно-эрозионные, температурные, физические, химические и другие типы эксплуатационных воздействий. То есть лопатки компрессора эксплуатируются в принципиально различных условиях по сравнению с лопатками турбины. Это снижает работоспособность ГТУ из-за различного ресурса лопаток компрессора и турбины [1, 2, 3].

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Кроме того, вследствие особенностей пространственной формы каждой лопатки, ее расположения в системе, кинематики движения и движения пыле-газовоздушного потока по тракту двигателя возникает неравномерный износ и разрушение поверхностей и элементов лопаток турбокомпрессора. При этом неравномерный износ происходит по поверхностям каждой лопатки и между лопатками компрессора и турбины. Для выравнивания процессов износа элементов лопатки и обеспечения равенства ресурса лопаток компрессора и турбины необходимо обеспечивать функциональноориентированные свойства (ФОС) лопаток турбокомпрессора [4]. В данной работе функционально-ориентированные свойства лопаток выполняются на базе функционально-ориентированных покрытий (ФОП) [5]. ФОП это специальное покрытие, в котором физико-механические свойства и/или геометрические параметры его толщины выполняются изменяющимися, в зависимости от действующих по поверхности покрытия и/или во времени неравномерных эксплуатационных функций (воздействий) [6, 7]. При этом изменяющиеся свойства покрытия могут быть следующих видов: изменяющиеся по заданному закону, с постоянно- или переменно-изменяющимися свойствами, с ступенчато-изменяющимися свойствами, градиентными свойствами, в зависимости от интенсивности износа или разрушения покрытия и другие. ФОП обеспечивает для лопаток турбокомпрессора решение следующих вопросов: - повышается ресурс лопаток; - выполняется выравнивание износа поверхности лопатки, на которую действуют изменяющиеся эксплуатационные функции; - обеспечивается выравнивание ресурса лопаток компрессора и лопаток турбины, эксплуатирующихся в принципиально различных условиях; - обеспечивается полная адаптация поверхности лопатки к особенностям действия эксплуатационных функций; - повышается ремонтопригодность лопаток. На основании этого ФОП позволяют повысить работоспособность и ремонтопригодность лопаток за счет увеличения ресурса лопаток, выравнивания ресурса поверхности лопатки и обеспечения равного ресурса лопаток компрессора и турбины в турбокомпрессоре. Для реализации покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины необходимо технологическое обеспечение, а именно технологические процессы по нанесению ФОП. При этом для нанесения покрытия на лопатки компрессора должна быть своя структура технологического процесса, а для реализации покрытия на лопатках турбины необходима другая структура технологического процесса. Особенности структуры технологического процесса нанесения покрытия на лопатки компрессора или лопатки турбины определяются эксплуатационными особенностями работы лопаток в турбокомпрессоре. Следует отметить, что свойства покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины имеют связи и определенные закономерности, поэтому и между структурами технологических процессов нанесения покрытий на лопатки компрессора и лопатки турбины должны действовать определенные связи. Эти особенности необходимо учитывать при синтезе структур технологического процесса по нанесению покрытий на лопатки компрессора и лопатки турбины. При этом структура технологий и их параметров должны реализовываться на основании выражений (1) или (2). Гипотетически связь свойств покрытия лопатки компрессора и лопатки турбины f можно представить с помощью следующего выражения:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

С (ФОП1 )  f C (ФОП 2 ) , где С (ФОП1 ) и С (ФОП 2 ) - свойства ФОП для лопаток компрессора и лопаток турбины, соответственно. Целью данной работы является создание методов и алгоритмов реализации ФОП лопаток компрессора и турбины газотурбинных установок из условия равенства их ресурсов, которые работают в различных условиях эксплуатации. В соответствии с поставленной целью в работе планируется решение следующих вопросов: предложить общие положения синтеза методов реализации ФОП лопаток компрессора и турбины из условия связей их параметров; разработать алгоритм синтеза комплексного технологического процесса реализации ФОП для лопаток компрессора; представить результаты реализации ФОП лопаток компрессора и турбины. Эти задачи решаются в данной работе. 2. Общие положения ФОС лопаток компрессора и лопаток турбины должны базироваться на комплексном подходе, связывающем их свойства на основе следующих закономерностей:

R1  R2 (1) или k1R1  k 2 R2 , (2) где R1 и R2 – ресурс лопаток компрессора и турбины, соответственно; k1 и k2 – коэффициент кратности ресурса лопаток компрессора и турбины, соответственно. При напылении ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины, связь структур технологических процессов нанесения покрытий для лопаток компрессора и лопаток турбины можно представить с помощью основных положений теории графов:

1 : G ( X 1 , A1 )  G ( X 2 , A2 ) , (3) где 1 - функция отображения, действующая из прообраза в образ; G ( X 1 , A1 ) - граф технологического процесса нанесения покрытия на лопатки компрессора; G ( X 2 , A2 ) - граф технологического процесса нанесения покрытия на лопатки турбины. В случае если абразивно-эрозионно-стойкие покрытия многослойные, выражения будут иметь следующий вид: - при выполнении условия (1) n1

 R12 n2  hR 24 j ,  R 24 j 1

(4)

k 2  R12 n2  hR 24 j ; k1  R 24 j 1

(5)

 hR12i 

i 1

- при выполнении условия (2) n1

 hR12i 

i 1

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

где hR12 i - толщина i – го слоя покрытия лопатки компрессора; hR 24 j - толщина j – го слоя покрытия лопат

n1 - количество слоев покрытия лопатки компрессора; n2 - количество слоев покрытия лопатки турбины. Если толщины покрытий слоев hR121  hR122   hR12i 

 hR12 n1  hR12 лопатки

компрессора и толщины покрытий слоев hR 241  hR 242   hR 24 j   hR 24 n2  hR 24 лопатки турбины равны, то выражения (4) и (5) будут иметь следующий вид: - при выполнении условия (1)  n hR12  R12 2 hR 24 , (6)  R 24 n1 - при выполнении условия (2) k  n hR12  2 R12 2 hR 24 . (7) k1  R 24 n1 Методика синтез структуры технологического процесса по нанесению покрытий на лопатки турбокомпрессора должна формироваться в два этапа. Сначала, выполняется синтез структуры технологического процесса для лопаток компрессора, затем формируется структура технологического процесса по нанесению покрытий для лопаток турбины с учетом выражений (6) или (7). Выражения (6) или (7) связывают структуры технологических процессов для нанесения покрытий компрессора и для нанесения покрытий турбины. 3. Методика и алгоритм синтеза структуры комплексного технологического процесса В целом, методика синтеза структур технологических процессов для нанесения ФОП на лопатки компрессора и лопатки турбины, имеет следующие особенности: 1. Методика содержит два структурных состава технологических процессов, а именно первый состав для формирования ФОП для лопаток компрессора, а второй состав для создания ФОП для лопаток турбины. 2. Между структурными составами технологических процессов действуют связи, которые обеспечивают свойства ФОП из условий (6) или (7). 3. Каждый структурный состав технологических процессов состоит из четырех этапов: - 1-й этап: синтез технологии отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) лопатки компрессора (ЛК) (лопатки турбины (ЛТ)) до нанесения покрытия (НП); - 2-й этап: синтез технологии нанесения покрытия в соответствии с рис. 1; - 3-й этап: синтез технологии ОУО ЛК (ЛТ) после НП; - 4-й этап процесс эксплуатации ЛК (ЛТ). 5. Каждый структурный состав технологических процессов имеет обратные связи, предназначенные для реализации ФОП. На базе этих связей выполняется анализ особенностей эксплуатации лопатки и разработка технологического обеспечения (ТО) для нанесения ФОП. На рис. 1 представлены алгоритмы и связи между технологиями ОУО лопаток компрессора (ЛК) и лопаток турбины (ЛТ). 1. Определение входных исходных данных для напыления ФОП для лопаток компрессора. К входным исходным данным V1 относятся: геометрические параметры

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

лопаток компрессора, материал лопаток компрессора, параметры качества поверхностей и функциональных элементов лопаток, методы нанесения покрытий лопаток, геометрические и физико-механические параметры покрытий и другие параметры. 2. Выполнение 1-го этапа технологического процесса: синтез технологии ОУО ЛК до НП. До НП выполняется ОУО функциональных элементов лопатки. В этом случае выполняются следующие ОУО операции: ультразвуковая поверхностнопластическая деформация (ППД) шариками функциональных элементов лопаток, предварительная и окончательная полировка поверхностей пера лопатки, ультразвуковая очистка поверхностей лопаток. В случае восстановления работоспособности лопаток компрессора при ремонте выполняется другой комплекс различных операций с выполировкой предыдущих покрытий лопаток, например методом опорного полирования [4]. 3. Выполнение 2-го этапа технологического процесса нанесения ФОП. Реализация этого этапа по нанесению покрытий выполняется на основе анализа особенностей эксплуатации лопаток компрессора и разработки технологического обеспечения (ТО) нанесения ФОП1, которые ориентируются по 4-му этапу, а именно по процессу эксплуатации лопаток компрессора (ЛК). Для лопаток компрессора процесс нанесения покрытий выполняется в два подэтапа: - 2.1 подэтап: синтез технологии нанесения связующего модуля покрытий (СМП); - 2.2 подэтап: синтез технологии нанесения износостойкого модуля покрытий (ИМП). Можно отметить, что эти подэтапы имеют заданное множество операций. 4. Выполнение 3-го этапа технологического процесса: синтез технологии ОУО ЛК после нанесения покрытия (НП). В этом случае, на этом этапе могут выполняться следующие технологические операции: предварительное и окончательное глянцевание покрытий лопаток компрессора. 5. На 4-м этапе проводится эксплуатация лопаток и проводится анализ особенностей эксплуатации покрытия лопаток компрессора. При этом по результатам анализа особенностей эксплуатации этого покрытия лопаток выполняется на 2-м этапе нанесение ФОП. То есть обратная связь позволяет реализовывать ФОП. 6. На этом алгоритм синтеза технологии нанесения ФОП1 для лопаток компрессора завершается. Этот этап алгоритма представлен на рис. 1 прямоугольником с параметрами END (W1). 7. По результатам нанесения ФОП1 лопаток компрессора формируется алгоритм синтез технологии нанесения ФОП2 и структурируются входные данные (V2). К входным исходным данным V2 относятся: параметры покрытий лопаток компрессора, связи между покрытиями лопаток компрессора и лопаток турбины, определяемые выражениями (6) или (7), геометрические параметры лопаток компрессора, материал лопаток компрессора, параметры качества поверхностей и функциональных элементов лопаток, методы нанесения покрытий лопаток, геометрические и физико-механические параметры покрытий и другие параметры. 8. Реализуется выполнение 1-го этапа технологического процесса для лопаток турбины (ЛТ): синтез технологии ОУО ЛТ до НП. До НП выполняется ОУО функциональных элементов лопатки. В этом случае, могут реализовываться следующие ОУО операции: ультразвуковая поверхностно-пластическая деформация (ППД) шариками функциональных элементов лопаток, предварительная и окончательная полировка по-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

верхностей пера лопатки, ультразвуковая очистка поверхностей лопаток и другие операции. В случае восстановление работоспособности лопаток компрессора при ремонте выполняется другой комплекс различных операций с выполировкой предыдущих покрытий лопаток, например методом опорного полирования [4]. 9. Производится выполнение 2-го этапа технологического процесса нанесения

Рисунок 1. Алгоритмы и связи между технологиями ОУО лопаток компрессора (ЛК) и лопаток турбины (ЛТ)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

ФОП для лопаток турбины. Реализация этого этапа, связанного с нанесением покрытий, выполняется на основе анализа особенностей эксплуатации лопаток турбины и разработки технологического обеспечения (ТО) нанесения ФОП2. Здесь процесс нанесения покрытий базируется по 4-му этапу, а именно по процессу эксплуатации лопаток турбины (ЛТ). Для лопаток турбины процесс нанесения покрытий выполняется в четыре подэтапа: - 2.1 подэтап: синтез технологии нанесения первого связующего модуля покрытий (СМП1); - 2.2 подэтап: синтез технологии нанесения температурозащитного жаростойкого модуля покрытий (ТМП); - 2.3 подэтап: синтез технологии нанесения второго связующего модуля покрытий (СМП2); - 2.4 подэтап: синтез технологии нанесения износостойкого жаростойкого модуля покрытий (ИМП). Можно отметить, что эти подэтапы имеют заданное множество операций. 10. Выполнение 3-го этапа технологического процесса: синтез технологии ОУО ЛТ после нанесения покрытия (НП). В этом случае, на этом этапе могут выполняться следующие технологические операции: предварительное и окончательное глянцевание покрытий лопаток компрессора. 11. На 4-м этапе проводится эксплуатация лопаток и проводится анализ особенностей эксплуатации покрытия лопаток турбины. При этом по результатам анализа особенностей эксплуатации этого покрытия лопаток выполняется на 2-м этапе нанесение ФОП. То есть обратная связь позволяет реализовывать ФОП. Способ реализации ФОП представлен в работах [5, 6, 7]. При этом конфигурация пространственной границы каждого слоя покрытия определяется на базе анализа особенностей эксплуатации лопатки в ГТУ. 12. На этом алгоритм синтеза технологии нанесения ФОП2 для лопаток турбины завершается. Этот этап алгоритма представлен на рис. 1 прямоугольником с параметрами END (W2). Представленный алгоритм и приведенные связи между двумя технологиями ОУО лопаток турбокомпрессора позволяет наносить ФОП для лопаток компрессора и лопаток турбины в соответствии с выражениями (6) или (7). При этом обеспечивается выполнение условий принципов (1) или (2). 4. Основные результаты выполнения ФОП лопаток компрессора и турбины В целом, ФОП позволяет полностью адаптировать свойства лопатки (толщина покрытия и его топографические параметры на поверхности) при нанесения покрытия в зависимости от действия эксплуатационных функций, а именно абразивно-эрозионного воздействия. Это позволяет решать вопросы полного использования покрытия лопатки из условия его постоянного сохранения на поверхностях лопатки. А также при длительной эксплуатации лопатки создаются условия единовременного разрушения данного покрытия в заданный период времени в условиях действия неравномерного износа. В этом случае, реализуется исключение износа и разрушения тела лопатки до полного единовременного износа всего покрытия на поверхностях и элементах лопатки. Кроме того, ФОП позволяет повысить общий ресурс лопаток, увеличить их межремонтный ресурс и количество восстановлений лопаток при ремонтах ГТУ.

№ 2(65)’2019

Связь параметров покрытий на базе принципа R1=R2

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

Рисунок 2. Структурная схема синтеза ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины на базе принципа равенства их ресурсов

б) b

a Рисунок 3. Общий вид установки ННВ 6.6-И1

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Отметим, что главным при обеспечении ФОС покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины является установление свойств этих лопаток из условия равенства R1=R2 или кратности k1 R1=k2 R2 их ресурсов На рис. 2 представлена структурная схема синтеза ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины на базе принципа равенства их ресурсов. Для обеспечения этих параметров, ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины должны формироваться на основании связей параметров покрытий из условий (6) или (7). Это обусловлено тем, что лопатки компрессора и лопатки турбины эксплуатируются в принципиально различных условиях эксплуатации. Лопатки компрессора работают в условиях преобладания абразивно-коррозионно-эрозионных разрушения, а лопатки турбины при комплексном действии абразивно-коррозионно-эрозионного разрушения, температурных, физических и химических воздействиях. Технологический процесс напыления ФОП на лопатки компрессора и турбины выполнялся на установке ННВ 6.6-И1. Для напыления покрытий на лопатки использовались нитрид титановые покрытия. На рис. 3 представлен общий вид установки ННВ 6.6-И1. Здесь показано следующее: на рис. 3, а – вид сбоку, на рис. 3, б – вид сзади. Для повышения производительности напыления ФОП использовалась специальная технологическая оснастка, имеющая высокую концентрацию рабочих позиций установки лопаток для напыления. Общее количество одновременно напыляемых лопаток определяется следующим выражением: p

u   uk ,

(8)

k 1

где u – общее количество одновременно напыляемых лопаток (концентрация рабочих позиций); u k - количество рабочих позиций k-го класса; р – общее количество классов подсистем технологической оснастки. Учитывая выражение (8) цикловая производительность установки для напыления ФОП определяется по следующей формуле: p

 uk

ПЦ 

k 1 n

i 1

j 1

;

(9)

 [t oi  (  t Bj ) i ]

где ПЦ – цикловая производительность установки; n – количество слоев покрытия лопаток турбокомпрессора; m – число составляющих вспомогательного времени при нанесении каждого слоя ФОП; toi – длительность основного времени напыления i–го слоя покрытия tBj – j-я составляющая вспомогательного времени для напыления i-го слоя покрытия. 5. Заключение Таким образом, в представленной работе разработаны общие положения обеспечения ФОС лопаток компрессора и турбины на базе ФОП, работающих в принципиально различных условиях эксплуатации. Для реализации ФОП лопаток разработаны методы и алгоритм реализации комплексного технологического процесса. При этом уста-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

новлены связи параметров покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины из условий равенства или кратности их ресурсов. В работе выполнена конкретная реализация технологического процесса напыления многослойного ФОП лопаток компрессора и лопаток турбины. Приведены выражения для определения цикловой производительности выполнения ФОП лопаток турбокомпрессора.

ЛИТЕРАТУРА: 1. Авиаинформ [Текст] / Ежемесячный информационно-аналитический журнал. – М.: Международная ассоциация «Союз авиационного двигателестроения», 2018. – Вып. № 12 (177). – 153 с. 2. Демин, Ф. И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учебное пособие. / Ф. И. Демин, Н. Д. Проничев, И. Л. Шитарев – М.: Машиностроение, 2002. – 328 с. 3. Полетаев, В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей / В. А. Полетаев. – Москва: Машиностроение, 2006. – 256 с. 4. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий / А. Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 5. Михайлов, Д. А. Технологические особенности восстановления лопаток компрессора ГТД с применением функционально-ориентированных покрытий / Д. А. Михайлов [и др.] // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2014. – Вип. 1 (47). – С. 213 - 224. 6. Пичко, А. П. Особенности обеспечение свойств лопаток компрессора и турбины газотурбинной установки на базе функционально-ориентированных покрытий и равенства их ресурсов / А. П. Пичко [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2019. – Вып. 1 (64). – С. 68 - 77. 7. Михайлов, Д. А. Общий подход в обеспечении функциональноориентированных свойств лопаток компрессора ГТД на базе принципа единовременного полного износа покрытия / Д. А. Михайлов, А. В. Хандожко, Е. А. Шейко, А. Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2015. – Вып. 4 (50). – С. 132 - 139. Поступила в редколлегию 20.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 622.232.72.063 В. Г. Нечепаев, д-р техн. наук, проф., О. Е. Шабаев, д-р техн. наук, проф., Е. Ю. Степаненко, к-т техн. наук, доц., П.П. Зинченко, аспирант Донецкий национальный технический университет, г. Донецк Тел. / Факс: +38 (062) 3010893; E-mail: pawel.zin4encko@yandex.ru ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЫЕМКИ ТОНКИХ ПОЛОГОНАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ Разработана математическая модель, позволяющая имитировать совместно и одновременно протекающие процессы разрушения и погрузки разрушенной горной массы шнековыми исполнительными органами очистных комбайнов, работающих в условиях тонких пологонаклонных пластов. Представленная модель в существенной мере учитывает специфику рабочего процесса погрузки разрушенной горной массы очистными комбайнами, работающими в условиях тонких пологонаклонных пластов – циркуляцию горной массы в рабочем пространстве шнека, формирование ее объемного напряженного состояния и другие основные специфические особенности процесса погрузки шнеками малого диаметра. Модель обеспечивает возможность варьирования исходных данных во всем возможном диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров современных очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов. Модель ориентирована на использование в качестве соответствующей теоретической основы при создании комбайнов для выемки тонких пологонаклонных пластов высокого технического уровня. Ключевые слова: математическая модель, имитация, рабочий процесс, очистной комбайн, пологонаклонные пласты, шнековый исполнительный орган, разрушение, погрузка, циркуляция.

V. Nechepaev, О. Shabaev, E. Stepanencko, P. Zinchenko IMITATION MODEL OF THE OPERATION OF THE SHEARERS WORKING IN CONDITIONS OF THIN GENTLY SLOPING SEAMS. A mathematical model has been developed that makes it possible to simulate, simultaneously, the processes of destruction and loading of the destroyed rock mass with auger actuators of shearers working in conditions of thin gently sloping seams. The presented model substantially takes into account the specificity of the working process of loading the destroyed rock mass by shearers working in conditions of thin gently sloping seams - the circulation of the mountain mass in the auger working space, the formation of its volumetric stress state and other specific features of the loading process with small diameter screws. The model provides the possibility of varying the initial data with a total possible range of the structural and operating parameters of modern shearers intended for gently sloping recess thin layers. The model is focused on the use as an appropriate theoretical basis for the creation of combines for the extraction of thin gently sloping seams of a high technical level. Keywords: mathematical model, imitation, workflow, shearer, gently inclined seams, auger actuator, destruction, loading, circulation.

1. Введение: Основным энергетическим ресурсом Донецкого региона является каменный уголь, запасы которого оцениваются (по данным ДонУГИ) порядка 6,84 млрд. т. При этом 83,2 % этих запасов сосредоточены в шахтопластах мощностью 0,55 – 1,2 м [1]. Горногеологические и горнотехнические условия залегания угольных пластов Донбасса характеризуются как весьма сложные. Шахтопласты имеют неспокойную гипсометрию, содержат в своей структуре породные прослойки и твердые включения, залегают на глубине 1050…1500 м [1]. Только незначительная часть шахтопластов (127

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

из 1092) являются пригодными для струговой выемки (наиболее прогрессивной для выемки пластов малой мощности). Ограничения в применении струговых комплексов обуславливают преимущественное применение очистных комбайнов в составе механизированных комплексов в рассматриваемых условиях. Процесс выемки углей очистными комбайнами из тонких пологонаклонных пластов существенно затрудняется недостаточной погрузочной способностью их шнековых исполнительных органов малого диаметра, которая сопровождается высокими энергозатратами процесса погрузки [3, 4, 6]. Это определяет ограничение скорости рабочего перемещения машины до 3…5 м/мин, и как следствие - низкую теоретическую производительность очистного комбайна и низкую производительность выемки в целом. В условиях тонких пологонаклонных пластов значительное ограничивающее влияние на рабочий процесс погрузки разрушенной горной массы очистными комбайнами оказывает также ширина захвата шнека [7]. Это обусловлено тем, что с увеличением ширины захвата возрастает объем циркулирующего угля, а это влечет за собой соответствующее возрастание энергозатрат процесса погрузки. Причем увеличение ширины захвата определяет нелинейный прирост объема циркулирующего угля. Поэтому удельные энергозатраты на разрушение и погрузку угля могут быть существенно снижены путем выбора рациональной ширины захвата шнека для рассматриваемых горно-геологических и горнотехнических условий с сохранением заданной технической производительности [8]. Изложенное позволяет сделать вывод о существенной актуальности возможно полного учета специфических особенностей рабочих процессов разрушения и погрузки разрушенной горной массы шнековыми исполнительными органами малого диаметра (определяемых, в первую очередь, конструктивными особенностями современных очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов) при создании высокоэффективных очистных комбайнов нового технического уровня, предназначенных для выемки углей в условиях Донецкого региона. Наиболее достоверные данные о влиянии тех или иных конструктивных и режимных параметров на процессы разрушения и погрузки горной массы можно получить при натурных исследованиях в реальных условиях или при стендовых исследованиях в приближенных к реальным условиям работы машины. Однако значительная сложность и трудоемкость проведения натурных экспериментов для накопления значительного объема статистических данных в совокупности со стремительным развитием и совершенствованием ІТ-технологий в последнее время обуславливают целесообразность использования имитационного моделирования в качестве оптимально эффективного инструмента для исследования сложных физических процессов разрушения и погрузки горной массы исполнительными органами очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов. 2. Анализ последних исследований и публикаций: Созданию математических моделей процессов разрушения и погрузки разрушенной горной массы на забойный конвейер посвящены работы многих ученых [2-6]. Основные физические закономерности взаимодействия исполнительных органов очистных комбайнов c разрушаемым забоем, а также теоретические основы имитационного моделирования работы очистных комбайнов с использованием ЭЦВМ приведены в [2]. Вопросы установления закономерностей формирования нагрузки на шнековых исполнительных органах очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов при погрузке горной массы, рассмотрены в [3-4]. В [5] с применением имитационного мо-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

делирования рабочих процессов очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов получены алгоритмы управления режимными параметрами комбайнов, обеспечивающие отсутствие заштыбовки шнека. Автором работы [6] выполнен анализ влияния основных геометрических параметров исполнительных органов (включая параметры корпусных групп), а также направление их вращения на физическую картину процесса погрузки разрушенной горной массы шнековыми очистными комбайнами в условиях тонких пологонаклонных пластов. При этом в работе в явном виде отсутствует соответствующая математическая модель, способная воспроизводить рассматриваемые процессы. 3. Цель (задачи) исследования: Целью настоящей работы является разработка имитационной математической модели, позволяющей с достаточной степенью достоверности описывать основные физические процессы разрушения и погрузки разрушенной горной массы, протекающие в шнековых исполнительных органах очистных комбайнов при функционировании их в условиях тонких пологонаклонных пластов. 4. Основной материал исследования: При разработке модели процесса разрушения и погрузки разрушенной горной массы шнековыми исполнительными органами очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов, приняты следующие ограничения и допущения: – скорость резания шнека – величина постоянная; – скорость перемещения очистного комбайна – величина переменная и широко варьируется в процессе выемки (в пределах 0 – Vn. max м/мин); – направление вращения опережающего шнека - «от почвы к кровле», а отстающего - «от кровли к почве» в соответствие с общепринятой современной компоновочной схемой очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов; – 1 объема горной массы, разрушенной резцами, установленными на отрезном 2 диске (лобовине) шнека, поступает в межлопастное пространство. Оставшийся объем остается на почве пласта и уходит в зазоры [6]; – колебаниями исполнительного органа и корпуса комбайна в вертикальной и горизонтальной плоскостях можно пренебречь при решении поставленных задач; – площадь среза резцов забойной, кутковой и крайней кутковой групп можно принять равными при решении поставленных задач; – перемещаемый и выгружаемый шнеком очистного комбайна уголь рассматривается как сплошная сыпучая среда [3]; – составляющие физического процесса погрузки разрушенной горной массы шнековыми исполнительными органами очистных комбайнов, предназначенных для выемки тонких пологонаклонных пластов (циркуляция горной массы в рабочем пространстве шнека, формирование ее объемного напряженного состояния и др.), приняты в соответствии с общепринятыми представлениями [3, 4-6]. Корпусная группа современных очистных комбайнов для тонких пологонаклоных пластов вынесена в уступ забоя и оснащается дополнительной опорной лыжей (например, комбайны УКД200-250, УКД400, УКД200-500, MB 444P и т.д.). Поэтому, по условию нормальной эксплуатации комбайна, его опережающий шнек разрушает пачку угля, прилегающую к почве пласта, и осуществляет погрузку отбитой массы на рештачный став забойного конвейера, а отстающий шнек выполняет в основном, функцию

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 1. Расчетная схема для составления математической модели процессов разрушения и погрузки угля шнеками очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов

разрушения оставшейся пачки угля у кровли. Тогда, с учетом вышесказанного расчетная схема представлена на рис. 1.

Рисунок 2. Структурная схема математической модели процессов разрушения и погрузки разрушенной горной массы шнековым исполнительным органом очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Для составления математической модели введем прямоугольную систему координат OXYZ, начало которой находится в точке пересечения оси вращения шнека и плоскостью груди забоя (рис. 1). Ось X совпадает с осью вращения шнека и откладывается в направлении от отрезного диска шнека к его разгрузочному торцу. Ось Z расположена перпендикулярно почве пласта и совпадает с координатной осью силы резания Z . Ось Y параллельна почве пласта, совпадает с направление перемещения комбайна вдоль забоя и координатной осью силы подачи Y . Структурная схема разрабатываемой математической модели представлена на рис. 2. Математическая модель, соответствующая представленной структурной схеме, имеет вид:  Ps _ n ,t ,  ,  , nrez ,  k ,  k , l r , d k ; Psh Duo , d st , S sr , Bz , Bd , t l ; Pz _ k ( hk ) ;   Ppl H pl , A p , E ,  ,  , f u , f ; Pk _ ok Rk , hzaz , l zaz , l k , hk _ red , l red , ltr ,  red ; Pr Vrez , Vn ; V  0 V n. max ;  n Vv  f ( Sok ,  v ,  n , Duo , Rk , hk , Vos ); Vz  f (Vn , hzaz , l zaz , l k ); V per  V y ( sh )  Vv  Vcir  V per  Vv ;    0 2 ; k  0 N _ rez ;       ; h  f (V , n ,  ); n ob   Prez.koef  f (h, t ,  kin ,  kin , d r , KY , K Z , K pr , S zat , Cn , K otg )   Fx , Fy , Fz  f ( Prez.koef , Z , Y , X , Ppl )  M x , M y , M z  f ( Prez.koef , Z , Y , X , Psh , Ppl )  V y  Vr  Vcir ; Vsh  Vrab  Vcir ; Ppog .koef  f ( Psh , Ppl , Pk _ ok , h y ) h  f (V ); P  f ( S , f ); M y c p u pog  f ( Pc , Pok , f u , S p ); Ppog  f ( Pc , f u , S p );  y kcir  f (Vsh , Vcir ); Prez.oper  f ( Z , Vrez , red ); Prez.otst  f (k osl , Z , Vrez , red );   Poper  f ( Prez.oper , Ppog ); Potst  f ( Prez.otst ); P  f ( Poper , Potst );  Qoper.teh  60  Bz  Dsh  Vn    K teh i ; Qok .teh  60  Bz  H pl  Vn    K teh i  Poper P W  ; W  ,  oper 60  B  D  V   60  Bz  H pl  Vn i   z sh n 









где: Ps _ n ,t ,  , , nrez ,  k ,  k , lr , d k  – параметры схемы набора исполнительного органа (  – угол установки резца по диаметру, град; t – шаг резания, см;  – угол наклона резца относительно вектора скорости, град;  – угол установки резца, град; nrez – количество резцов в одной линии резания, шт;  k – конструктивный задний угол резца, град;  k – конструктивный угол заострения резца, град; lr – радиальный вылет резца, см; d k – конструктивный диаметр керна резца, см); Psh Duo , d st , S sr , Bz , Bd , tl  – геометрические параметры исполнительного органа ( Duo – диаметр шнека по резцам, м; d st – диаметр ступицы шнека, м; S sr – средний

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

шаг навивки лопасти шнека, м Bz – ширина захвата шнека по резцам, м Bd – ширина отрезного диска, м; tl – расстояние между соседними лопастями, м); Pr Vrez ,Vn  – режимные параметры работы комбайна ( Vrez – скорость резания шнека, м/с; Vn – скорость подачи очистного комбайна, м/мин); Pk _ ok Rk , hzaz , l zaz , lk , hk _ red , lred , ltr , red – геометрические параметры корпуса





очистного комбайна ( Rk – радиус корпуса качалки, м; hzaz – высота зазора, м; l zaz – длина зазора, м; lk , hk _ red – длина и ширина корпуса редуктора с нерабочей стороны шнека, м; lred – ширина корпуса рукоятки редуктора, м; ltr – расстояние от разгрузочного торца шнека и до полки рештачного става конвейера, м;  red – КПД редуктора резания комбайна, м); Ppl H pl , A p ,  pl , E ,  ,  , fu , f – горно-геологические и горнотехнические пара-





метры разрушаемого горного массива ( H pl – мощность вынимаемого пласта, м; A p – сопротивляемость угля резанию в не отжатом массиве, кН/м;  pl – угол наклона пласта, град; E – степень хрупкости пласта,  – плотность разрушенного угля, т/м3;  – коэффициент разрыхления угля; fu , f – коэффициенты трения угля по углю и по металлической поверхности соответственно [9]); Sok – площадь окна выгрузки, м2 [3-4, 6]; Sval – площадь окна выгрузки, занимаемая валком, м2 [3-4, 6]; n – угол, обусловленный нижней частью корпуса качалки редуктора резания, град [3-4, 6]; v – угол, обусловленный верхней частью корпуса качалки редуктора резания, град [3-4, 6]; ot – угол открытия окна выгрузки, град [3-4, 6];  ok – угол, на котором окно выгрузки остается открытым, рад [3-4, 6]; Vv – выгруженный объем горной массы, который может пройти через окно выгрузки, м3/об [3-4, 6]; Vz – текущий объем разрушенного угля, прошедшего в зазоры, м3/об; V y – текущий объем переброшенного угля, который затянется в рабочий объем шнека и повторно примет участие в процессе погрузки, м3/об [3-4]; V y (sh ) – объем разрушенного угля, за один оборот шнека, м3/об [3-4]; h – текущая толщина стружки, см;  – текущее положение исполнительного органа, град; Prez.koef – параметры коэффициентов, используемых при расчете сил резания

горного массива;  kin ,  kin – текущий кинематический задний и угол резания резца, град [2, 10];

d r – текущее значение диаметра керна резца, контактируемого с забоем, см [2, 10];

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

KY , K Z , K pr , Cn , K otg – текущие коэффициенты, учитывающие влияние кинематического угла резания на удельную энергию резания, обнажения забоя, влияния поворотного резца на силу резания, пропорциональности между силами подачи на затупленном и остром резце, отжим массива [2, 10]; S zat – проекция площади затупления резца на плоскость резания резца, м2 [2, 10]; Z , Y , X – силы резания, подачи и боковые с учетом затупления резца, Н [2, 10]; Vr – объем угля, разрушенный и поступивший в рабочий объем шнека, м3 [3-4]; V y – объем угля разрушенный и поступивший в рабочий объем шнека с учетом переброшенного и затянутого в рабочее пространство шнека м3; Vrab – рабочий объем шнека м3 [3-4]; Vsh – рабочий объем шнека, с учетом переброшенного и затянутого в рабочее пространство угля, м3; hy – высота перемещаемого слоя угля, м3 [5]; Ppog.koef – параметры коэффициентов, используемых при расчете сил дейст-

вующих на лопасти шнека при погрузке, им разрушенной горной массы [3-4]; Pc – нормальное давление угля на лопасть, кПа [3-4]; M pog – момент, формирующийся от погрузки угля шнеком, кН [3-4]; kcir – коэффициент циркуляции угля [3-4]; Prez.oper , Prez.otst – мощности, затраченные на разрушение угля опережающим и отстающим шнеками, приведенные к двигателю привода резания, кВт [2, 10]; Poper , Potst – суммарные мощности, затраченные на разрушение и погрузку разрушенной горной массы опережающим и отстающем шнеками, кВт; P – суммарная мощность, затраченная при работе опережающем и отстающем исполнительных органах очистного комбайна, кВт; Qoper.teh , Qok .teh – техническая производительность опережающего шнека и очистного комбайна, м/час; Kteh – коэффициент технического использования очистного комбайна; Woper , W – удельные энергозатраты на разрушение и погрузку на опережающем исполнительном органе и очистным комбайном в целом, кВт ч/т. 5. Выводы Разработана математическая модель, позволяющая имитировать совместно и одновременно протекающие процессы разрушения и погрузки разрушенной горной массы шнековыми исполнительными органами очистных комбайнов, работающих в условиях тонких пологонаклонных пластов. Представленная модель в существенной мере учитывает специфику рабочего процесса погрузки разрушенной горной массы – циркуляцию, формирование объемного напряженного состояния и другие основные специфические особенности процесса погрузки шнеками малого диаметра.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Модель обеспечивает возможность варьирования исходных данных во всем возможном диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров современных очистных комбайнов для выемки тонких пологонаклонных пластов. Модель ориентирована на использование при создании комбайнов для выемки тонких пологонаклонных пластов высокого технического уровня, исходя их требований минимальной энергоемкости основных рабочих процессов. ЛИТЕРАТУРА: 1. Горные машины для подземной добычи угля: учебное пособие для вузов / П. А. Горбатов, Г. В. Петрушкин, Н. М. Лысенко, С. В. Павленко, В. В. Косарев; под общ. ред. П.А. Горбатова; 2-е, перераб. и доп. – Донецк: Норд Компьютер, 2006. – 669 с.: ил. 2. Моделирование разрушения углей режущими инструментами. АН СССР, ИГД им. А.А. Скочинского. – М.: Наука, 1981. – 181 с. 3. Нечепаев, В. Г. Механо-гидравлические шнековые системы выгрузки и транспортирования. / Нечепаев В.Г. – Донецк: ДонНТУ, 2005. – 215 с. 4. Бойко, Н. Г. Очистные комбайны для тонких пластов / Бойко Н. Г. – Донецк, ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. – 476 с. 5. Ткачев, В. В. Использование имитационного моделирования для исследования системы автоматического управления добычным комбайном. / В. В Ткачев, А.В. Бубликов // МОН Украины, Нац. Горн. Ун-т. – Д.: НГУ, 2015. – 182 с. 6. Тарасевич, В. И. Повышение производительности выгрузки угля очистными комбайнами для тонких пластов со шнековыми исполнительными органами: автореф. дис. … канд. техн. наук / В. И.Тарасевич. – Донецк, 1979. – 21 с. 7. Шабаев, О. Е. Оценка влияния ширины захвата шнекового исполнительного органа очистного комбайна для тонких пологих пластов на энергетические параметры машины / О. Е. Шабаев, Е. Ю. Степаненко, П. П. Зинченко // Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 22-25 мая 2018 г. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Т. 3 / Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов. – С. 47 – 50. 8. Шабаев, О. Е. Методика определения оптимальной ширины захвата шнекового исполнительного органа очистных комбайнов / О. Е. Шабаев, В. Г. Нечепаев, П. П. Зинченко // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XXV международной научно-технической конференции в г. Севастополе 10-16 сентября 2018 г. в 2-х т. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Т. 2 – С. 237-243. 9. Зенков, Р.Л. Механика насыпных грузов / Зенков Р.Л. – Москва: Машиностроение, 1964. – 251 с. 10. КД 12.10.040-99. Изделия угольного машиностроения. Комбайны очистные. Методика выбора параметров и расчета сил резания и подачи на исполнительных органах (взамен ОСТ 12.44.258-84). – Введ. 2000-01-01. – Донецк: Минуглепром Украины, 1999. – 75 с. Поступила в редколлегию 14.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 53.096 Е. В. Овчинников, д-р техн. наук, доцент Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, Беларусь Физико-технический институт НАН Беларуси, Беларусь Тел. / факс: +375 (152) 684108; e-mail: ovchin@grsu.by ВЛИЯНИЕ КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В работе рассмотрены вопросы влияния криогенных температур на физико-механические характеристики композиционных материалов на основе полиамидов, модифицированных нанодисперснымифункционализированными углеродными частицами. Концентрация модификатора варьировалось как в области «допинговых» концентраций, так и в области концентраций, применяемых при промышленном производстве нанокомпозиционных материалов на основе полимерных матриц. Установлено, что применение криогенной обработки исходного полиамида приводит к увеличению физико-механических характеристик. Введение нанодисперсных частиц в области «допинговых» концентраций увеличивает значения прочности и твердости разработанных композиций на основе полиамидной матрицы. Воздействие низких температур приводит к неоднозначных результатам.Увеличение концентрации модификатора в полимерной матрице с последующей обработкой в жидком азоте приводит к возрастанию значений твердости. Криогенная обработка полиамида 6 и его композиций в общем случае приводит к снижению значений коэффициент трения в 1,2 -1,7 раза. Ключевые слова: композиционный материал, структура, прочность, твердость, трение Y. V. Auchynnikau INFLUENCE OF CRYOGENIC TREATMENT ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITE POLYMER MATERIALS. The paper deals with the influence of cryogenic temperatures on the physicomechanical characteristics of composite materials based on polyamides modified with nanodispersed functionalized carbon particles. The concentration of the modifier varied both in the area of “doping” concentrations and in the field of concentrations used in the industrial production of nanocomposite materials based on polymer matrices. It has been established that the use of cryogenic treatment of the starting polyamide leads to an increase in the physicomechanical characteristics. The introduction of nano-dispersed particles in the area of "doping" concentrations increases the strength and hardness values of the developed compositions based on a polyamide matrix. Exposure to low temperatures leads to ambiguous results. Increasing the concentration of the modifier in the polymer matrix, followed by treatment in liquid nitrogen leads to an increase in hardness values. Cryogenic treatment of polyamide 6 and its compositions in general leads to a decrease in the values of the coefficient of friction ы 1.2–1.7 times. Keywords: composite material, structure, strength, hardness, friction.

1. Введение. Композиционные материалы на полимерной матрице, модифицированной различными видами микроразмерных и наноразмерных частиц, относят числу технологических материалов нового функционального поколения. Данные композиты входят в число наиболее успешно внедряемых в производственные процессыразличных видов изготовления изделий и конструкций различного функционального назначения. В связи с этим объем производства данных материалов ежегодно увеличивается, заменяя традиционные виды полимерных материалов и наполненных композиций. Одновременно с развитием вышеуказанной тенденции особую актуальность в современном производстве приобретают энерго-ресурсосберегающие технологии и материалы. В связи с этим интенсифицированы исследования в области разработки и применения различного вида энергетического воздействия для обработки материалов, в том числе получаемых на © Овчинников Е.В.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

полимерной матрице. Согласно имеющихся данных [1-2], применение криогенной обработки позволяет достичь значимых эффектов при модифицировании сплавов на основе железа. Предложен способ криогенной обработки сталей пониженной прокаливаемости, позволяющей создавать повышенную концентрацию в поверхностных слоях мартенсита. Воздействие криогенных температур приводит к распаду остаточного аустенита с образованием наноструктурированного мартенсита. Структурноморфологические трансформации, наблюдающиеся в сталях пониженной прокаливаемости при обработке жидким азотом (Т=77К) оказывают синергическое влияние на физико-механические характеристики. Обработка жидким азотом свыше 60 минут приводит к уменьшению значений коэффициента трения в 1.3-1.5 раза, увеличению значений микротвердости в 1.6 раза [3]. Проведены исследования по изучению влияния криогенных температур на керамические материалы, получаемые в результате плазмохимического осаждения на стальные субстраты в вакууме [4-5].Криогенная обработка покрытий сложного химического состава, полученных по вакуумным технологиям в среде реакционного газа при осаждении на стальных субстратах, приводит к неоднозначным результатам при изучении адгезионного взаимодействия. Согласно данных акустической эмиссии, обработка соединений ZrCN, сформированных на быстрорежущей стали, в жидком азоте приводит к снижению адгезионного взаимодействия с подложкой. Данный эффект проявляется в большей степени при больших временах выдержки покрытия в криогенной жидкости. Термообработка покрытий ZrN, сформированных на стали Р6М5, при небольших временных интервалах воздействия криогенных жидкостей может увеличивать адгезионное взаимодействие в системе «подложка-субстрат». Установлено, что триботехнические характеристики композиционных покрытий на основе карбонитрида циркония существенно изменяются при проведении криогенной обработки. Обработка покрытия карбонитрида цирокония в жидком азоте прималых временах выдержки приводит к увеличению коэффициента трения до значений ~ 0,52 и снижению значений линейного износа до 0,08 мкм по отношению к исходному образцу. Увеличение времени выдержки исследуемых покрытий в криогенной жидкости до 24 ч приводит к уменьшению значений коэффициента трения и линейного износа по отношению к контрольному образцу[4]. Таким образом, влияние низких температур на материалы различной природы и технологии их получения, а также их композиции очевидна. Представляет интерес исследовать воздействие низких температур на композиты, полученные модифицированием полимерных матриц наноразмерными частицами. Целью данной работы является исследование структуры и физико-механических характеристик композиционных материалов на основе полиамидов, модифицированных наноразмернымифункционализированными частицами и подвергнутых воздействию криогенных температур. 2. Методика эксперимента. В качестве образцов получали композиционные материалы на основе полимерной полиамидной матрицы ПА 6 210/310(производство ПТК «Химволокно» ОАО «Гродно Азот», Беларусь), который наполнялся нанодисперсными функционализированными углеродными частицами (НФУЧ). Применялся ультрадисперсный алмаз с размером единичных кластеров 4-6 нм. Процентное содержание наномодификатора в полимерной матрице составляло от 0,17 до 1 масс.%. Предварительно нанодисперсные частицы обрабатывались в растворе фторсодержащего олигомера. Криогенную обработку композиционных материалов проводили при температуре кипения жидкого азо-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

та Т=77,4К путем выдержки исследуемых образцов в криогенной жидкости в течение 120 минут. Композиционные образцы формовались методом литья под давлением на вертикальной литьевой машине производства РУП СКТБ «Металлополимер» (Беларусь). Образцы имели стандартизированные размеры: длина – 10 см, ширина – 1 см, толщина – 0,5 см. Трибоиспытания образцов проводили на машине трения FT-2 по схеме сфера–плоскость. В качестве контртела применяли сталь ШХ15, нагрузка составляла 30 Н, скорость скольжения v = 0,06м/с. Испытания по определению прочностных характеристик проводили на разрывной машине ИР 5047-50 универсального назначения с электронным силоизмерителем для испытания образцов на растяжение, сжатие и изгиб с пределом нагрузки в 50 кН. Образцы материалов устанавливаются между захватами разрывной машины при фиксации концов образца. Перед проведением испытаний, измеряются основные геометрические параметры образцов. Зафиксированные образцы подвергаются растяжению путем перемещения траверсы, на которой закреплен один из захватов и установлен силоизмерительный датчик, фиксирующий значение сопротивления образца при растягивающей нагрузке. Получаемые данные поступают на компьютер и представляются в виде графика зависимости усилия сопротивления образца (Н), а также напряжения (МПа) от перемещения траверсы (растяжения). Также определяются значения величины предельного усилия и напряжения на разрыв образца и относительное удлинение. Для оценки физико-механических характеристик применяли прибор ИПМ-1К. Твердость исследуемых образцов определяли на твердомере типа ТПЦ-4М по шкале «O». 3. Результат исследований. Согласно проведенных исследований[6], введение нанодисперсных частиц в полиамидную матрицу приводит к увеличению физико-механических характеристик. Для повышения износостойкости покрытия на основе ПА-6 его модифицировали «допинговыми» добавками наномодификаторов, выбранных из группы: УДАГ, шунгит, кремень, наночастицы металлов и оксидов металлов (ОМ), гранитная мука, при их содержании от 0,01 до 1,0 мас.%. Благодаря комплексному модифицирующему действию наночастиц повышается адгезия композиционного покрытия к углеродистым и легированным сталям (ст 45, ст 40Х) и показателя износостойкости. Вместе с тем, несмотря на адсорбционное взаимодействие частиц модификаторов с полярными группами полимерной матрицы (амидной группой NHCO), обуславливающих высокие адгезионные характеристики полиамидных покрытий на металлах, сохраняются достаточно высокие значения коэффициента трения покрытий при контактном взаимодействии с металлическим контртелом без подвода внешней смазки (f=0,19-0,22), обусловленные увеличением его деформационной составляющей при повышенном адгезионном взаимодействии[6]. Проведенные исследования по изучению значений прочности, твердости полиамида 6, модифицированного нанодисперсными частицамипоказали увеличение значений данных параметров по сравнению к исходному полимеру (рис.1-3). Данный эффект увеличения прочностных характеристик полиамидных композиций наблюдается при «допинговых» значениях концентраций наномодификатора в полимерной матрице. Увеличение концентрации (0,5-1 масс.%) нанодисперсных частиц в полиамиде приводит к снижению значений предела прочности при растяжении композиционных материалов (рис.2).

Прогрессивные технологии и системы машиностроения 70

55 50 Напряжение [МПа]

45 Напряжение [МПа]

№ 2(65)’2019

40 35 30

45 40 35 30

15 10

10 5

5 0 0

4 5 Перемещение [мм]

а)

10 12 Перемещение [мм]

б)

Рисунок 1. Зависимость напряжения от деформации для композиций на основе полиамида 6: а) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,17 масс.%, б) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,25 масс.% 45

40 40

35 35

30 Напряжение [МПа]

Напряжение [МПа]

15 15

5 0,5

1,5 2 Перемещение [мм]

2,5

0,2

а)

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4 1,6 Перемещение [мм]

1,8

2,2

2,4

2,6

б)

Рисунок 2. Зависимость напряжения от деформации для композиций на основе полиамида 6: а) –концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,5 масс.%, б) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 1 масс.% Обработка в криогенной жидкости исходных полимерных образцов приводит к увеличению значений прочностных характеристик ~ 10-11%. Низкотемпературная обработка нанокомпозиционных материалов на основе полиамидной матрицы приводит к неоднозначным результатам (рис.4-5). Полимерные композиции, содержащие в своем составе «допинговые» концентрации модификатора после термообработке при криогенных температурах снижают значения прочностных характеристик по отношению исходным композициям на 22 - 24% (рис.4).

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

50 Напряжени е [МПа]

Напряжени е [МПа]

№ 2(65)’2019

40 35 30 25

45 40 35 30 25

10 5 5 0 0

5 6 Перемещение [мм]

а)

8 10 Перемещение [мм]

б)

Рисунок 3. Зависимость напряжения от деформации для полиамида 6: а) – исходный, б) – после выдержки в криогенной жидкости в течение 60 минут. 60 55

55 50

50 45

Напряжение [МПа]

0 0

5 6 7 Перемещение [мм]

а)

8 10 Перемещение [мм]

б)

Рисунок 4. Зависимость напряжения от деформации для композиций на основе полиамида 6, после обработке в криогенной жидкости: а) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,17 мас.%, б) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,25 мас.% Криогенная обработка композиций полиамида, содержащего нанодисперсные модификаторы концентрацией 0,5-1 масс.% приводит к увеличению прочностных характеристик исследуемых материалов на 22-24%.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения 60

№ 2(65)’2019

55 45

50 40

45 35

Напряжение [МПа]

40 35 30 25

20 15

15 10

10 5

5 0

20 25 Перемещение [мм]

0,5

а)

1,5

2 2,5 Перемещение [мм]

3,5

б)

Рисунок 5. Зависимость напряжения от деформации для композиций на основе полиамида 6 после обработки в криогенной жидкости: а) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 0,5 мас.%, б) – концентрация наноуглеродного модификатора в полимерной матрице 1 мас.% Неоднозначность влияния криогенной обработки на полимерные композиты показана в работе [7]. Авторы исследовали влияние низких температур на следующие композиции: на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и стеклоткани ЭЗ-200, модифицированной волластонитом; высоконаполненных эластомерных композиций на основе каучука СКД; пластмасс на основе акриловых полимеров. Исследуемые образцы были подвергнуты циклическому криогенному воздействию. Их выдерживали в среде жидкого азота в течение 7 мин, затем извлекали и оставляли при комнатной температуре до полного прогревания. Когда температура образца становилась комнатной, его вновь помещали в жидкий азот. Количество циклов составило соответственно - 0, 4, 8, 16. В работе [7] установлено, что влияние криогенного термоциклирования на структуру и свойства полимерных материалов, может носить как деструктивный характер, так и практически не влиять на последние, а также может приводить к стабильности свойств с увеличением количества циклов. На рис. 5-6 приведены значения динамического модуля упругости полиамида и его композиций до после криогенной обработки. Исходя из полученных данных видно, что значение динамического модуля упругости для полиамида 6 возрастает при криогенной обработке. Введение нанодисперсных модификаторов приводит к снижению значений динамического модуля упругости. Обработка в жидком азоте композиций на основе полиамида 6 приводит к возрастанию значений динамического модуля упругости с последующим их уменьшением при увеличении концентрации модификатора в композиционном материале (рис. 6). Проведенные исследования по изучению твердости разработанных композиций на основе полиамидов 6 показали хорошее согласование с результатами испытаний по определению значений прочности при растяжении для полимерных композиций. Для композиций полиамида, модифицированных нанодисперсными частицами в области малых концентраций модификатора, значения твердости увеличиваются на 22-27%. Дальнейшее увеличение содержания модификатора в композиции приводит к снижению значений прочности. Обработка исходного полиамида в жидком азоте в течение двух часов приводит к увеличению значений твердости на 18-26%. Воздействие низких

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 6. Значения динамического модуля упругости для полиамидных композиций: 1 – полиамид 6 (исходный), 2 – полиамид 6, подвергнутый криогенной обработке; 3 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,17 масс. %; 4 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,25 мас.%; 5 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,5 мас.%; 6 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 1 мас.%.

Рисунок 7. Значения динамического модуля упругости для полиамидных композиций, подвергнутых криогенной обработке: 1 – полиамид 6 (исходный), 2 – полиамид 6, подвергнутый криогенной обработке; 3 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,17 масс. % и подвергнутый криогенной обработке; 4 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,25 мас. % и подвергнутый криогенной обработке; 5 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 0,5 мас.% и подвергнутый криогенной обработке; 6 – полиамид 6, модифицированный нанодисперсными частицами углерода концентрацией 1 мас.% и подвергнутый криогенной обработке. температур на полиамидные композиции, содержащие нанодисперные углеродные частицы, приводят к неоднозначным результатам. При «допинговых» концентрациях модификатора наблюдается уменьшение значений твердости композитов при проведении криогенной обработки. Увеличение концентрации модификатора в полимерной матрице с последующей обработкой в жидком азоте приводит к возрастанию значений твер-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

дости. Криогенная обработка полиамида 6 и его композиций в общем случае приводит к снижению значений коэффициент трения в 1,2 -1,7 раза. Заключение. Таким образом, введение нанодисперсныхфункционализированных частиц углерода приводит к увеличению физико-механических характеристик полиамидных композиций при «допинговых» концентрациях модификатора. Обработка полиамида 6 в жидком азоте в течение 120 минут увеличивает прочностные характеристики материала. Влияние криогенных жидкостей на физико-механические характеристики нанокомпозиционных материалов на основе полиамида 6 приводят к неоднозначным результатам, так полимерные композиции, содержащие в своем составе «допинговые» концентрации модификатора после термообработке при криогенных температурах снижают значения прочностных характеристик по отношению исходным композициям на 22 24%. Криогенная обработка композиций полиамида, содержащего нанодисперсные модификаторы концентрацией 0,5-1 масс.% приводит к увеличению прочностных характеристик исследуемых материалов на 22-24%. Установлено, что при «допинговых» концентрациях модификатора наблюдается уменьшение значений твердости композитов при проведении криогенной обработки. Увеличение концентрации модификатора в полимерной матрице с последующей обработкой в жидком азоте приводит к возрастанию значений твердости. Криогенная обработка полиамида 6 и его композиций в общем случае приводит к снижению значений коэффициент трения ы 1,2 -1,7 раза. ЛИТЕРАТУРА: 1. Овчинников, Е. В. Технология криогенной обработки сталей пониженной прокаливаемости / Е. В. Овчинников, Г. А. Костюкович, И. И. Романчук, К. В. Кравченко // Инновационные технологии в машиностроении: материалы междунар. науч.техн. конф., Новополоцк, 29-30 окт. 2013 г. / Полоц. гос. ун-т; общ. ред. А. И. Гордиенко, В. К. Шелега. – Новополоцк, 2013. – С. 90-93. 2. Приходько, И. Ю. Актуальные области использования криогенных технологий в прокатном производстве / И.Ю. Приходько,П.В. Крот // Металлургические процессы и оборудование. –2009. – №1. – С. 10-16. 3. Овчинников, Е.В. Криогенная технология повышения прочностных характеристик сталей пониженной прокаливаемости / Е.В. Овчинников, В.А. Струк, Е.И. Эйсымонт, К.В. Кравченко, А.Г. Шагойка // Веснік ГрДУ. – Сер. 6. – 2012. – № 3 (137). – С. 49-58. 4. Чекан, Н.М. Гибридные методы формирования тонкослойных вакуумных покрытий / Н.М. Чекан, Е.В. Овчинников, И.П. Акула, Е.И. Эйсымонт // Горная механика и машиностроение. -2019. -№ 1.-С. 80-88. 5. Овчинников, Е.В. Физико-механические характеристики вакуумных покрытий, обработанных при криогенной температуре / Е. В. Овчинников [ и др.] // Веснік ГрДУ імя Янкі Купалы. – Сер 6. – Тэхніка. – 2018. – Т. 8. – № 2. – С.6-164. 6. Рыскулов, А.А. Металлополимерные нанокомпозиты: особенности структуры, технология, применение / А.А. Рыскулов, С.В. Авдейчик, М.В. Ищенко, Е.В. Овчинников; под научн. ред. В.А. Струка, В.А. Лиопо. – Гродно: ГГАУ, 2010. – 335 с. 7. Бетеньков, Ф.М. Исследование влияния циклического воздействиякриогенных температур на вязкоупругие свойства полимерных материалов / Бетеньков Ф. М., Насонов А. Д., Голубь П. Д. // Вестник Бурятского Государственного Университета. Химия. Физика. – 2016. - №1. – С. 39-46. Поступила в редколлегию 02.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 539.3 А. С. Саргсян, аспирант кафедры механики. Ереванский государственный университет Teл.: (+374 77) 124310; E–mail: arsensargsyan777@gmail.com ДИФРАКЦИЯ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ СДВИГОВОЙ ВОЛНЫ НА КРАЕ ПОЛУБЕСКОНЕЧНОЙ ТРЕЩИНЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОСТАВНОЙ СРЕДЕ Рассматривается задача дифракции электроупругой поверхностной волны сдвига на полубесконечной трещине между двумя пьезоэлектрическими полупространствами. На остальной части контактной плоскости имеют место условия полного электромеханического контакта. На границе раздела полупространств склеен электропроводящий металлический тонкий слой. Определение волнового поля сводится к решению функционального уравнения типа Римана на действительной оси, которое решается методом факторизации. Дифракция и наличие пьезоэффекта приводят к распространению поверхностных сдвиговых волнлокализованных у разделительной плоскости контакта. Ключевые слова: пьезоэлектрик, дифракция, сдвиг, трещина, поверхностные волны. A. S. Sargsyan DIFFRACTION OF A LOCALIZED SHEAR WAVE ON THE EDGE OF A SEMI-INFINITE CRACK IN A PIEZOELECTRIC COMPOSITE MEDIUM The problem of diffraction of an electroelastic surface shear wave by a semi-infinite crack between two piezoelectric half-spaces is considered. On the remaining part of the contact plane, the conditions of complete electromechanical contact take place. At the interface of the half-spaces a conductive metallic thin layer is glued together. The definition of the wave field is reduced to solving a functional equation of Riemann type on the real axis, which is solved by the factorization method. Diffraction and the presence of the piezoelectric effect lead to the propagation of surface shear waves located in the separation plane of the contact. Keywords: piezoelectric, diffraction, shear, crack, surface waves.

1. Введение Взаимодействия различных физических полей, пьезоэффект и конструктивная неоднородность существенно влияют на волновое поле в деформируемых твердых средах сложной структуры. Задачи дифракции электроупругих волн на крае трещин и металлических слоев являются актуальными задачами электроупругости. С практической точки зрения эти задачи тесно связаны с развитием прикладных задач механики сплошных сред, электроакустики, пьезотехники и измерительных приборов. Электроупругие локализованные волны в пьезоупругих средах, возникающие при некоторых условиях взаимодействия физических полей и при опредeленных структурных строениях этих сред, имеют фундаментальные значения при изучении волновых процессов [1–5]. В [2,3] рассмотрены задачи дифракции плоской электроупругой волны сдвига падающей из бесконечности на полубесконечный металлический слой или на полубесконечную трещину в пьезоэлектрическом пространстве. Распространение поверхностных сдвиговых волн, локализованных у граничной плоскости раздела двух пьезоэлектрических полупространств склеенных электропроводящим тонким слоем, исследуется в работа [4]. Получено условие распространения электроупругих поверхностных волн при полном контакте полупространств с разными электроупругими характеристиками. Задача дифракции плоской электроупругой сдвиговой волны в среде пьезоэлектрикдиэлектрик на тонком полубесконечном, металлическом слое в диэлектрике без пьезоэффекта рассмотрена в [5]. Этот слой является причиной дифракции электроупругой © Саргсян А.С.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

волны, при этом, в пьезоэлектрическом полупространстве возбуждаются поверхностные волны сдвига и проявляются некоторые особые волновые явления. В пьезоэлектрической среде по причине дифракции возбуждаются поверхностные волны сдвига. Для дальнейшего развития механики сплошных сред и объяснения физико-технических и экспериментальных результатов при проектировании и создании новых приборов и устройств необходимо исследовать задачи распространения сдвиговых волн в слоистых пьезоэлектрических средах в новой постановке, при разных электроупругих условиях на поверхностях разделов сред. В работах [6–8] исследованы задачи распространения электроупругих волн в средах сложной, неоднородной структуры. Изучены процессы дифракции плоских электроупругих волн на полубесконечной трещине между скрепленными по остальной части контактной плоскости диэлектрическими полупространствами. Исследовано линейное взаимодействие электрического и механического полей при контакте двух пьезоэлектрических полупространств, под действием в одном из полупространств линейного источника установивщихся механических возмущений. Очевидно, что повысились возможности современной технологии создания конструктивно неоднородных материалов для инженерной практики. Анизотропия пьезоэлектриков и ряд новых свойств–проявляющихся в результате взаимодействия физических полей разной природы, усложняют исследование волнового процесса, но приводят к важним результатам с теоретической точки зрения математической физики. Исследования процессов распространения электроупругих волн в неоднородной среде обладающей пьезоэффектом, тесно связаны с развитием электроакустики, пьезотехники и измерительных приборов. В данной работе исследуется электроупругое волновое поле сдвига в составном пьезоэлектрическом пространстве при металлическом слое между полупространствами. Выявлены особенности обусловленные наличием пьезоэффекта и дифракцией распространяющейся сдвиговой поверхностной волны на полубесконечной трещине между полупространствами. Результаты рассматриваемой в представленной работе задачи о распространении сдвиговых волн в составном пьезоэлектрическом пространстве, могут быть использованы при изучении прикладных задач распространения электроупругих локализованных и обьемных волн. 2. Постановка задачи В составной пьезоэлектрической среде рассматривается задача дифракции падающей из бесконечности сдвиговой поверхностной электроупругой волны. Рассматриваемая электроупругая среда приведена к декартовой системе координат Oxyz , с разными электроупругими характеристиками пьезоэлектрические полупространства – пьезоэлектрики класса 6mm гексагональной симметрии с совпадающей с осью Oz главной осью кристалла, занимают полупространства y  0 и y  0 . Тонкий металлический слой приклеен к контактной плоскости Oxz , из–за малой толщины пренебрегается жесткость. Электропроводящий слой можно рассматривать как электрод. Пьезоэлектрические полупространства скреплены по плоскости y  0, x  0,   z   , т.е. считаем, что между полупространствами осуществляется акустический контакт только в плоскости Oxz при x  0 . В плоскости Oxz при x  0  y  0, x  0,    z    между пьезоэлектрическими полупространствами взаимодействие происходит без акустического контакта. Принимается, что рассматриваемая составная диэлектрическая среда с пьезоэффектом имеет полубесконечную трещину в плоскости Oxz при x  0 , чем и обусловленна дифракция. Таким образом, в пьезоэлектрическом составном пространстве из

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

бесконечности x  0 распространяется локализованная у контактной плоскости электроупругая поверхностная волна сдвига со следующими значениями амплитудных составляющих перемещения и электрического потенциала, соответственно [2,3]

w1 ( x, y)  e 1 ( x, y) 

 0 2 k12 y i0 x

e1  e 1



0 2  k12 y



 e0 y e i0 x , (1)

w2 ( x, y)  e  2  ( x, y ) 

0 2 k22 y i0 x

e2 e 2



02  k22 y



 e0 y e i0 x ,

Здесь принимается, что при k2  k1 имеет место условие [4,8]

1

k12   c   1 1  2 2  , 2 k2 1  1  c11 

(2)

а при k1  k2

k2 2   c  1  2  2 1  1 1  . (3) k1 1   2  c2  2  Следовательно, может распространяться рассматриваемая поверхностная волна со скоростью  / 0 , где волновое число 0 определяется из соотношения [8] c1 1  1 

 02  k12  0 2  k2 2  c2 1   2   c1 1  c2  2 . 0 0

(4)

Задача заключается в определении волнового поля в пьезоэлектрических полупространствах, учитывая гармоническую зависимость от времени всех составляющих волнового поля – временной множитель e it . Здесь  –частота колебаний, t –параметр (i ) (1  i ) i , i  ei2 ci i –волновое число, скорость распровремени, ki   Ci , Ci  c44 странения объемной сдвиговой электроупругой волны и коэффициент электромеханической связи в пьезоэлектрических средах y  0 и y  0 , соответственно. В этих соот-

(i ) (i ) , i  11 , ei  e15(i ) – упругая, диэлектрическая и пьезоэлектрическая поношениях ci  c44

стоянные в пьезоэлектрических полупространствах , i – плотность, i  1, 2 . Среда находится в условиях антиплоской деформации. Принимаются дифференциальные уравнения динамической теории упругости и уравнения электродинамики в квазистатическом приближении. Для определения амплитуд перемещения и электрического потенциала в полупространствах, имеем следующие уравнения [2–6]:  2 wi  2 wi  2  ki2 wi  0, 2 x y i  1, 2 (5) 2  i  2i 2 ei  2  ki wi  0. x2 y i

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

В приведенных уравнениях w1  x, y  , 1  x, y  функции амплитуд перемещения и электрического потенциала пьезоэлектрика y  0,    x   , а w2  x, y  ,  2  x, y  – пьезоэлектрика y  0,    x   . Амплитуды электрического потенциала из-за наличия металлического слоя в плоскости контакта, удовлетворяют следующим контактным условиям [1,2,5]: 1 ( x, y)   2 ( x, y)  0 при y  0 (6) На берегах трещины для амплитуд напряжений yz1 , yz2 имеем условия [3,7]

w1   e1 1  0, y  0, x  0 y y (7) w2  2 y  0, x  0 2  yz  c2  e2  0. y y Разница перемещений на берегах трещины неизвестная пока величина w 1  x, 0   w 2  x, 0   w0  x  при x  0 (8) Решения уравнений (5) должны удовлетворять контактным условиям скрепления при y  0, x  0 [4–6] yz  c1 1

yz1  x, 0   yz2  x, 0   q0  x  ,

w 1  x, 0   w 2  x, 0  .

(9)

Функции q  x   q0  x    x  и    x   w0  x     x  ,   x  – функция Хевисайда, представляют касательное напряжение при y  0 и разницу перемещений на y  0 , соответственно. Контактные условия на граничной плоскости раздела полупространств (7)– (9) принимают вид w  w  2 c1 1  e1 1  c2 2  e2  q  x  , y y y y при y  0 (10)

w1  x, 0  w2  x, 0      x  Задача определения дифрагированного электроупругого волнового поля в составном пьезоэлектрическом пространстве при дифракции падающей из бесконечности локализованной электроупругой волны сдвига (1) сведена к решению дифференциальных уравнений (5) при контактных условиях (6), (10). 3. Решение задачи Применяется интегральное преобразование Фурье по переменной x , и выражения для искомых функций амплитуд перемещения и электрического потенциала в полупространствах получим после обратного преобразования Фурье в виде  1 wi ( x, y )  wi (, y )eix d ,  2  i  1, 2 (11)  1  ix i ( x, y)   i (, y)e d , 2  где трансформанты Фурье искомых функций представляются в виде

w1 (, y )  A1 ()e

 2 k12 y

1 (, y)  B1 ()e

y



e

 0 2 k12 y

, y0

e1 w1 , 1

(12)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

w2 (, y)  A2 ()e  2 (, y)  B2 ()e

 2 k22 y

y



e

0 2 k22 y

№ 2(65)’2019

, y0

e2 w2 , 2

(13)

здесь A1   

c2 K 2        , c1 K1    c2 K 2  

A2    A1       ,

B1    

e1 A1   , 1

(14)

e B2     2 A2   2



1    e  ix dx – функция Дирака.  2   Трансформанты функций амплитуд перемещения и потенциала электрического поля для пьезоэлектрических полупространств удовлетворяют как соответствующим уравнениям, так и следующим контактным условиям на плоскости раздела двух сред

w1   0  w2  , 0      , c1

dw1 d 1 dw d 2  e1  c2 2  e2  q   , dy dy dy dy

при y  0

(15)

1  , 0   2  , 0   0.     , q   трансформанты Фурье функций    x  и q  x  . Характеристические функции K1   , K 2   , как известно [1–3], представляются в виде

K1    1  1 

 2  k12  1 , 

K 2    1   2 

 2  k22  2 . 

(16)

Выполняя условия уходящей волны, принимается, что 1      ,  2      при    , действительная ось обходит точки ветвления   k1 ,   k2 сверху, а

  k1 ,   k2 –снизу, 1     2  k12  i k12  2 ,  2     2  k22  i k22  2 [9]. Относительно функций     , q   получим из (15) следующее уравнение c1c2  K1   K 2        q    2 c1 0 K1  0      0   0 (17)  c1  c2  K   здесь характеристическая функция данной задачи, со смешанным условием на контактной плоскости, имеет вид [4,8] c K    c2 K 2   K    1 1 c1  c2 Функциональное уравнение (17) рассматривается как краевая задача типа Римана в теории аналитических функций на действительной оси. Функции K1   , K 2   имеют

нули только в точках 1 и  2 , соответственно, при этом [1–3] 1  i i  1, 2 i  ki  ki  0 1  2i

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Функция K   имеет нули только в точках  0 [4,8],  0  единственный положительный корень уравнения K    0, при   0  k2  k1  0 , если имеет место условие (2), а при

k1  k2 , 0  k1

условие имеет вид (3). Рассматривая области монотонности

функций K   , K1   , K 2   доказывается, что 1  0  2 или 2  0  1 . Для определения искомых функций q   ,    функциональное уравнение (17) решается используя методику развитую в [5–8], решения строятся факторизуя функцию    , представляя ее в виде  ()    ()   (), (18) K  K2     1 . K  функции K ()  1, K1 ( )  1, K 2 ()  1, при   ,

K i  ()  1, K ()  1 при   , где функции  (),     i регулярны и не имеют нулей при Im   0 и Im   0 , соответственно.  () граничные значения этих функций     (  )  exp( F  (  )) ,  ()  exp( F ()), 

  F  ()   F ( x)eix (i 0) dx , F ()  F () , 0 

1   ln ()e ix d  ,  ()   ().  2  При решении функционального уравнения (17) и факторизации функции    приниF ( x) 

мается, что действительная ось обходит, как точки ветвления k1 , k2 функций 1    ,  2    , так и нули функций K   , K1   , K 2    0 , 1 и  2 , т.е. действи-

   0 ,    1 ,    1 сверху, а    0 ,    1 ,    1 –снизу, обеспечивая условия уходящей волны [2,3,8,9].

тельная

ось

обходит

точки

Аналитическое продолжение функции  в комплексной плоскости представляется    при Re   0 ,    при Re   0 . При контурном интегрировании имеется в виду, что 1 1 2i(  0 )     0  i 0    0  i 0 Имея в виду (18) и представление 1

    i0  2   i0  2 выражения искомых функций принимают вид  c1  c2  b      , 1/2 c1c2   i 0        0  i0  1/2

b   i0      q     ,    0  i0

(19)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

где

b

ic1  0 K1  0 

   0  Функции амплитуд перемещения в пьезоэлектрических полупространствах при x  0 принимают вид  2  k 2 y

1/ 2

 1 d    i 0    ()e ix e b w1 ( x, y )  ,  2c1   K1 ( )(   0  i 0)

w2 ( x, y ) 

b 2c2

1/ 2

   i0 







 ( )e

 ix

2  k 22 y

 K 2 ( )(   0  i 0)



d

(20)

а при x  0 w1 ( x, y )  e

 0 2  k12 y  i0 x

w2 ( x, y )  e

0 2  k 22 y  i0 x

 2  k 2 y



1 b K 2 ( )e ix e d  , 1/ 2   2c1     i 0  K ()  ( )(   0  i0)



b 2c2



K1 ( )e

    i0

1/2



 ix

 2  k2 2 y

d



K ( )  ()(  0  i 0)

(21)

Интегралы преобразуются методом контурного интегрирования в комплексной плоскости     i . Путь интегрирования при x  0 замыкается в верхней полуплоскости комплексной плоскости и действительная ось обходит точки  1 ,  2 сверху и снизу, соответственно для полупространств y  0 и y  0 . Аналитические продолжения функций K1 ( ) , K 2 ( ) , т.е. функции K1 ( ) , K 2 ( ) не имеют чисто мнимых, а также комплексных нулей, это следует из постановки задачи (принцип уходящей волны). Особые точки являются простыми полюсами    1 и    2 . Интеграл представляется в виде суммы регулярных интегралов [7,8]. Волновое поле состоит из дифрагированных затухающих объемных волн, а также дифрагированной поверхностной волны Гуляева– Блюстейна, локализованной у контактной плоскости w1* ( x, y )  A*(1) e (2)

w2* ( x, y )  A* e

12  k12 y  i1 x

 2 2  k2 2 y  i  2 x

A*(1)   A*

(2)

y 0 y0

, ,

(22)

ib  (1 ) c1 1 K1 (1 )(1  0 )

 c2

ib  (2 ) 2 K 2 (2 )(2  0 )

Эта волна распространяется по оси x с волновым числом 1 и  2 , скоростью   1 и

  2 в полупространствах y  0 и y  0 , соответственно, и затухает при y   . Дифрагированные волны обусловлены наличием полубесконечной трещины, а появление поверхностной волны обусловлено также пьезоэффектом. Асимптотическое представление перемещений на граничной плоскости y  0 при x   имеет вид

Прогрессивные технологии и системы машиностроения  i ( k1 x  )

i x

4 w1 ( x, 0)  A*(1)e 1  e O( k1 x а на граничной плоскости y  0 при x  

w2 ( x,0)  A*(2) e

i2 x

e

 i ( k2 x ) 4

O( k2 x

№ 2(65)’2019 

3 2



)  O( k1 x

3 2



)  O( k2 x

3 2



)

3 2

)

Функция перемещений точек полупространства x  0 представляется в виде суммы регулярных интегралов, падающей и дифрагированной поверхостной волны локализованной у контактной плоскости w10 ( x, y )  A0 e

  02  k12 y i 0 x

w20 ( x, y )  A0 e

 0 2  k 2 2 y i 0 x

A0  

2c10

y 0 y0

(23)

ibK 2 (0 ) 0 K  (0 )  (0 )

Действительная ось обходит точки  0 сверху и снизу, соответственно. При некоторых значениях электроупругих характеристик составного пространства–условия (2), (3)  0 является корнем уравнения K ( )  0 . Путь интегрирования замыкается в нижней полуплоскости комплексной плоскости [7,8]. Аналитическое продолжение подынтегральной функции при таких разрезах в комплексной плоскости имеет только единственную особую точку – простой полюс    0 . Асимптотическое представление на контактной плоскости y  0 , при x  

w1 ( x,0)  e i0 x  A0ei0 x  e

 i ( k1 x  ) 4



O((k1 x) 2 )  O((k1 x) 2 ).

Волновое поле перемещений состоит из падающей волны, дифрагированных затухающих обьемных волн, и распространяющаяся по направлению x к  со скоростю   0 (  0 – волновое число) локализованной волны. Следует отметить, что

 /  1   /  0   /  2 , если  1   2 и  /  2   /  0   /  1 , если  2   1 , т.е. если локализованная сдвиговая волна существует – электромеханические характеристики удовлетворяют условиям (2), (3), то значение ее скорости распространения находится между значениями скоростей поверхностной волны Гуляева–Блюстейна w1* ( x, y ) и w2* ( x, y) распространяющаяся по x к  , когда между полупространствами отсутствует акустический контакт. Как видно из (20), (21) и асимптотических представлений, вместе с цилиндрической волной появляется и волна, распространяющаяся от контактной плоскости и имеющая неволновой характер на этой плоскости. Конструктивная неоднородность (слоистость) анизотропных твердых сред – обладающих свойством пьезоэффекта, существенно влияет на классическую теорию электроупругих волн. 4. Заключение Наличием пьезоэффекта обусловлены распространения поверхностных волн со смещениями частиц в направлении симметрии кристалла. У поверхностных волн отно-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

сительно малая скорость распространения, и при этом возбуждаются волны в пьезоэлектриках с малыми потерями. Результаты работы могут быть использованы при рассмотрении других задач механики твердых сред и объяснения физико-технических и экспериментальных результатов при создании новых инженерных устройств. Дифракция падающей сдвиговой волны на полубесконечной трещине приводит к появлению сдвиговых поверхностных – локализованных у контактной плоскости, электроупругих волн с разными скоростями распространения, а также появляются цилиндрическая волна и волна, распространяющаяся от контактной плоскости и имеющая не волновой характер на этой плоскости. Проблема взаимодействия различных полей физического происхождения в твердых телах интересна с точки зрения механики и математической физики, и конечно очень важна при проектировании инженерно-физических приборов, при изучении принципов работы новых современных акустоэлектрических устройств и прикладных задач о системах обработки информации. ЛИТЕРАТУРА: 1. Балакирев, М. К. Волны в пьезокристаллах / М.К. Балакирев, И.А. Гилинский. – Новосибирск: Наука, 1982. – 240 с. 2. Григорян, Э.Х. Дифракция сдвиговой плоской волны в пьезоэлектрическом пространстве на краю полубесконечного металлического слоя / Э. Х. Григорян, А.С. Мелкумян // Известия НАН Армении. Механика. – 2004. – Т.57. – №4. – С.43–52. 3. Григорян, Э.Х. Дифракция плоской сдвиговой волны на полубесконечной трещине в пьезоэлектрическом пространстве / Э.Х. Григорян, С.А. Джилавян //Известия НАН Армении. Механика. – 2005. – Т.58. – №1. – С. 38–50. 4. Аветисян, А. С. Электроупругие поверхностные волны сдвига на границе раздела двух пьезоэлектрических полупространств. / А.С. Аветисян, Дж.М. Маргарян //Известия НАН Армении. Механика. – 1994. – Т.47. – №34. – С. 31–36. 5. Джилавян, С.А. Дифракция плоской сдвиговой волны в пьезоэлектрическом полупространстве при полубесконечном металлическом слое в диэлектрике / С.А. Джилавян, А.А Казарян // Известия НАН Армении. Механика. – 2015. – Т.68. – №1. – С. 45–56. 6. Григорян, Э.Х. Дифракция сдвиговой плоской волны на полубесконечной трещине в пространстве пьезоэлектрик–диэлектрик / Э.Х. Григорян, С.А. Джилавян, А.А. Казарян // Труды 7-ой международ. конф. «Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред». – Ереван: 2011. – С. 137–143. 7. Джилавян, С. А. Сдвиговые колебания в составном пьезоэлектрическом пространстве / С.А. Джилавян, А.С. Саргсян // Вестник НПУА. Механика, машиноведение, машиностроение, 2018. – № 2. – С. 29-38. 8. Джилавян, С.А. Дифракция плоской волны сдвига в составном пьезоэлектрическом пространстве / С.А. Джилавян, А.С. Саргсян // Известия НАН Армении. Механика. – 2019. – Т.72. – № 1. – С. 35-48. 9. Нобль, Б. Метод Винера / Б. Нобль // Хопфа. – М.: Мир, 1962. – 294 с. Поступила в редколлегию 22.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.793 1

И. А. Сосновский, 2 К. Е. Белявин, д-р техн. наук, проф., М. А. Белоцерковский, д-р техн. наук, доцент, 1 А. А. Курилёнок, канд. техн. наук 1 Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, Минск, РБ, Тел.: 284-15-42, факс: 284-08-90, E-mail: sos3@tut.by; 2 Белорусский национальный технический университет, Минск, РБ, Тел.: 293-95-18, факс: 296-67-85, E-mail: dz-m@tut.by 1

ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКИ МНОГОСЛОЙНЫХ И ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ Разработан инженерный метод расчета термических режимов центробежной индукционной наплавки (ЦИН) композиционных порошковых материалов для толстослойных и многослойных покрытий. В результате анализа технологического процесса ЦИН толстослойных и многослойных покрытий на стадии изотермической выдержки в рамках разработанной теплофизической модели математически строго установлено, что толщина порошкового слоя не оказывает влияния на выбор термических режимов изотермической выдержки в процессе ЦИН. Термические режимы изотермической выдержки ЦИН многослойных покрытий не зависят от количества слоев, их толщин, теплопроводности используемых материалов, а для их расчета можно пользоваться расчетными соотношениями для ЦИН тонкослойных покрытий. Ключевые слова: центробежная индукционная наплавка, толстослойные покрытия, многослойные покрытия, температура, время. I. A. Sosnovsky, K. E. Belyavin, M. A. Belotserkovsky, A. A. Kurilyonok ENGINEERING CALCULATION OF THERMAL CONDITIONS OF THE PROCESS OF CENTRIFUGAL INDUCTION SURFACING OF MULTI-LAYER AND THICK-LAYER POWDER COATINGS The engineering method for calculating the thermal regimes of centrifugal induction surfacing (CIS) of thicklayer and multi-layer powder coatings is developed. As a result of analysis of the CIS thick-layer and multi-layer coatings technological process under isothermal soaking within the developed thermophysical model is strictly mathematically determined that the thickness of the powder layer has no influence on the thermal regime of isothermal soaking the CIS. Thermal regimes of isothermal soaking of multilayer coatings CIS does not depend on the number of layers, their thicknesses, the thermal conductivity of the used materials, and for their calculation we can use the calculated ratios for CIS of thin-layer coatings. Keywords: centrifugal induction surfacing, thick-layer coatings, multi-layer coatings, temperature, time.

1. Основные предположения и допущения Анализ основных особенностей технологии центробежной индукционной наплавки (ЦИН) [1-4] для толстослойных и многослойных покрытий позволяет сделать вывод, что наиболее важной стадией технологического процесса, определяющей физико-механические и эксплуатационные свойства получаемых двухслойных изделий, является изотермическая выдержка при температуре плавления порошкового материала. Основная техническая задача на этой стадии – поддержание заданной средней температуры порошкового слоя (температуры плавления) в течение определенного промежутка времени (времени плавления). При этом термические режимы на предыдущих стадиях нагрева не оказывают существенного влияния на кинетику процесса наплавки порошкового слоя к подложке. Свободную внутреннюю поверхность порошкового слоя и торцы двухслойного цилиндра можно считать теплоизолированными. Следовательно, термическим сопро© Сосновский И.А., Белявин К.Е., Белоцерковский М.А., Курилёнок А.А.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

тивлением порошкового слоя можно пренебречь, а распределение температуры по ее толщине считать однородным и равным температуре внутренней поверхности подложки. При этом, начиная с определенного значения критерия Фурье, наступает квазистационарный режим теплопроводности, когда распределение температуры в подложке не изменяется по форме, но температура в каждой точке растет во времени с постоянной относительной скоростью. По достижении внутренней поверхностью цилиндрической заготовки температуры плавления порошкового материала температуру этой поверхности поддерживают постоянной путем управления мощностью источника нагрева (генератора токов высокой частоты). При этом распределение температуры по толщине заготовки является стационарным, а мощность, выделяемая внутренними источниками равна тепловому потоку с наружной поверхности заготовки, который обусловлен конвективным и лучистым теплообменом с окружающей средой. Осуществление контроля и регулирования температуры внутренней поверхности вращающейся заготовки или порошкового слоя в технологическом процессе ЦИН является технически сложной задачей, рациональное решение которой возможно только при экспериментальных исследованиях. Поэтому на практике, как правило, используется контроль температуры наружной поверхности бесконтактными пирометрическими методами. Таким образом, для поддержания заданной температуры порошкового слоя на стадии режима плавления требуется определить температурный перепад по толщине заготовки путем решения стационарной задачи теплопроводности для полого цилиндра с наружным источником тепла. При этом, так как на практике толщина стенки цилиндра существенно меньше его диаметра и перепад температуры относительно мал (меньше 25 К), зависимостью теплопроводности от температуры можно пренебречь. Целью настоящей работы являлась разработка теплофизической модели для определения термических режимов процесса центробежной индукционной наплавки толстослойных и многослойных порошковых покрытий. 2. Решение тепловой задачи Рассмотрим процесс ЦИН толстослойного покрытия (рис.1). Толстослойным будем считать такое покрытие, в котором распределением температуры по его толщине при расчете параметров режима нагрева нельзя пренебрегать. Дифференциальное уравнение теплопроводности с учетом сделанных допущений запишется так:  d  dT  (1) R   qv  0 , R dR  dR  где Т – температура, К; R – радиальная координата, м; qv – удельная мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3; λ – коэффициент теплопроводности материала заготовки при температуре плавления порошка (Тсп), Вт/(м·К). Общее решение этого уравнения в том случае, когда внутренние источники теплоты зависят от координаты, имеет вид: dR dR Т  А B (2)  qv RdR , R R где А и В – постоянные интегрирования.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 1. Схема ЦИН толстослойных покрытий: 1 – индуктор; 2 – заготовка; 3 – порошок Перейдем к безразмерной координате R с помощью замены переменной R R , (3) R3 где R3 – радиус наружной поверхности заготовки. Тогда решение (2) с учетом того, что λ=const, можно записать в виде:

R32 dR А dR T  B (4)   qv R dR .  R  R Наносимое покрытие из порошковых бронзовых шихт является парамагнитным, в то время как материал заготовки (сталь) – ферромагнитным. Учитывая это, тепловыделением в материале покрытия при наружном индукционном нагреве можно пренебречь по сравнению с тепловыделением в заготовке. На основании этого, исходя из (4), распределение температуры t, по толщине покрытия описывается выражением А dR t1  1   B1 , (5) 1 R а распределение температуры t2 по толщине заготовки – выражением R 2 dR А dR (6) t2  2   B2  3   qv R dR , 2 R 2 R где А1, А2, В1 и В2 – постоянные интегрирования; λ1 – коэффициент теплопроводности материала покрытия; λ2 – коэффициент теплопроводности материала заготовки. Граничные условия на внешних поверхностях составной системы имеют вид dt1 0 (7) dR R  R1 R3

t2 R 1  T3 , где Т3 – температура наружной поверхности заготовки. Условия сопряжения на границе раздела слоев имеют вид:

(8)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

t1 R  R2  t 2 R  R2 R3

(9)

1

dt1 dt  2 2 . R dR R  2 dR R  R2 R3

(10)

Подставив решения (5) и (6) в граничные условия (7) – (10), получим систему из четырех алгебраических уравнений с четырьмя неизвестными А1, А2, В1 и В2: A1 R3 0; (11)  R1

B2  C R 1  T3 ;

(12)

A2 R2 A1 R2 ln  B2  C ln  B1 ; R2   2 R3 1 R3 R

(13)

A2 R3 dC A1 R3 ln  B2  , R2   2 R2 dR R   R2

(14)

где R 2 dR C (R )  3   qv R dR . 2 R

(15)

Отсюда: А1=0;

(16)

R dC А2   2 2 R ; R3 dR R  2

(17)

B2  C R 1  T3 ;

(18)

R R dC B1  2 ln 2 R  C R 1  T3 . R3 R3 dR R  2

(19)

Таким образом, общее решение поставленной тепловой задачи для заготовки с толстослойным покрытием получается подстановкой формул (16) – (19) в уравнения (5) и (6) и имеет вид:

R R dC T1  2 ln 2 R  C R 1  T3 ; R3 R3 dR R  2

(20)

R dC T2  2 ln R R  C  C R 1  T3 . R3 dR R  2

(21)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

dC Значения С, C R 1 , R можно рассчитать по методике, разработанной в dR R  2 R3

работе [5]. Анализ решения (20) – (21) позволяет сделать следующие выводы: 1) Температура наплавляемого порошкового слоя постоянна по его сечению и не зависит от толщины слоя и его теплопроводности. 2) Распределение температуры по сечению заготовки не зависит от толщины порошкового слоя и его теплопроводности. 3) Температура порошкового слоя равна температуре внутренней поверхности заготовки. Таким образом, на основании проведенного анализа основных особенностей технологии ЦИН и сделанных допущений математически строго показано, что толщина порошкового слоя не оказывает влияния на термические режимы изотермической выдержки в процессе ЦИН. Следовательно, для расчета термических режимов ЦИН толстослойных покрытий можно пользоваться расчетными соотношениями для ЦИН тонкослойных покрытий [5]. Рассмотрим теперь процесс ЦИН многослойного покрытия (рис. 2), используя при этом приведенный выше анализ ЦИН толстослойного покрытия.

Рисунок 2. Схема ЦИН многослойных покрытий Многослойное покрытие, состоящее из k слоев различной толщины и теплопроводности, можно рассматривать как однослойное покрытие толщиной h=Rk+1 – R1 из материала с некоторым эффективным коэффициентом теплопроводности λэфф. Тогда и в этом случае справедливы выводы, полученные ранее для ЦИН толстослойных покрытий. Т.е. термические режимы изотермической выдержки не будут зависеть от количества слоев, их толщины, теплопроводности используемых материалов, а для их расчета также можно пользоваться расчетными соотношениями для ЦИН тонкослойных покрытий. 3. Заключение В результате анализа технологического процесса центробежной индукционной наплавки (ЦИН) толстослойных и многослойных порошковых покрытий на стадии изо-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

термической выдержки в рамках разработанной теплофизической модели математически строго установлено следующее: - температура наплавляемого порошкового слоя постоянна по его сечению и не зависит от толщины слоя и его теплопроводности; - распределение температуры по сечению заготовки не зависит от толщины порошкового слоя и его теплопроводности; - температура порошкового слоя равна температуре внутренней поверхности заготовки. На основании проведенного анализа основных особенностей технологии ЦИН и сделанных допущений математически строго показано, что толщина порошкового слоя не оказывает влияния на выбор термических режимов изотермической выдержки в процессе ЦИН. Следовательно, для расчета термических режимов ЦИН толстослойных покрытий можно пользоваться расчетными соотношениями для ЦИН тонкослойных покрытий. Термические режимы изотермической выдержки ЦИН многослойных покрытий не зависят от количества слоев, их толщин, теплопроводности используемых материалов, а для их расчета можно пользоваться расчетными соотношениями для ЦИН тонкослойных покрытий. ЛИТЕРАТУРА: 1. Белявин, К. Е. Индукционное упрочнение быстроизнашивающихся деталей узлов трения порошковыми покрытиями / К. Е. Белявин, И. А. Сосновский, А. Л. Худолей // Актуальные проблемы прочности: монография. В 2-х т. / под ред. В. В. Рубаника. – Витебск: УО «ВГТУ», 2018. – Т. 1. – С. 272-290. 2. Сосновский, И. А. Контроль и регулирование режимов нагрева в процессе центробежной индукционной наплавки порошковых покрытий / И. А. Сосновский, К. Е. Белявин, М. А. Белоцерковский, А. А. Курилёнок, О. О. Кузнечик // Инновационные технологии, автоматизация и мехатроника в машино- и приборостроении: материалы VI международной научно-практической конференции / ред.кол.: Маляревич А. М. (гл.ред.) [и др.]. – Минск: Бизнесофсет, 2018. – С. 21-22. 3. Белоцерковский, М. А. Технологические оcобенности изготовления разъемных биметаллических подшипников скольжения, получаемых центробежным индукционным методом / М.А. Белоцерковский, К.Е. Белявин К.Е., И.А. Сосновский, А.Л. Худолей, А.А. Куриленок // Актуальные вопросы машиноведения; cб. научн.тр. / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси; редкол.: С.Н. Поддубко [и др.]. – Минск, 2018. – Вып. 7. – С. 134-137. 4. Белоцерковский, М. А. Особенности индукционной наплавки антифрикционных порошковых шихт с добавками наноразмерных компонентов / М. А. Белоцерковский, А. А. Курилёнок, И. А. Сосновский, А. Е. Черепко // Актуальные вопросы машиноведения; cб.научн.тр. / Объедин. ин-т машиностроения НАН Беларуси; редкол.: С. Н. Поддубко [и др.]. – Минск, 2014. – Вып. 3. – С. 374-376. 5. Сосновский, И. А. Термические параметры центробежного индукционного нанесения порошковых покрытий / И. А. Сосновский, Ю. Н. Гафо. – Инженернофизический журнал. – 2011. – Т. 84. – № 6. – С. 1135-1142. Поступила в редколлегию 25.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.791.052.8:622.692 А. М. Файрушин, канд. техн. наук, доцент, Д. Н. Яковлева, магистрант Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия Тел./Факс: +79177556131; E-mail: tna_ugntu@mail.ru ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЗЛОВ ОТВЕТВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С УКРЕПЛЯЮЩИМИ (НАКЛАДНЫМИ) КОЛЬЦАМИ В данной статье рассмотрена одна из актуальных проблем безопасной эксплуатации трубопроводов. Опасные участки трубопровода – это тройниковые узлы, подверженные динамическим нагрузкам, воздействию агрессивных сред и внешних условий. Проведен анализ прочности и обеспечения работоспособности на основе существующих способов их обеспечения, а также предложены технические решения, направленные на увеличение прочности узла опасного участка. Исследования предлагаемых решений, проведенные в работе, показывают положительные результаты и возможность их внедрения в производство. Ключевые слова: накладное кольцо, ответвление, врезка, трубопровод, трубопроводная система, тройниковое соединение. А. M. Fairushin, D. N. Yakovleva INCREASING SAFETY IN THE OPERATION OF THE NODES OF THE BRANCH PIPELINE WITH REINFORCING (PATCH) RINGS In this article one of the actual problems of safe operation of pipelines is considered. Dangerous sections of the pipeline are T-joint connections exposed to dynamic loads, aggressive environments and external conditions. The analysis of strength and performance on the basis of existing methods of their provision, as well as the proposed technical solutions aimed at increasing the strength of the node of the dangerous area. Studies of the proposed solutions carried out in the work show positive results and the possibility of their implementation in production. Key words: laid on ring, branch, tie-ins, pipeline, pipeline system, T-joint connection.

1. Введение Существование угроз безопасной эксплуатации трубопровода, основные из которых дефекты и отсутствие термообработки сварных швов, оставляет актуальным вопрособеспечения безопасности [1,2].Если рассматривать сосуды давления, то существует схожий с трубопроводной системой участок – отверстие под штуцер. Около 70 % разрушений сосудов давления приходится именно на эту зону [3]. Для укрепления опасного участка трубопровода существуют различные конструкции (плоские накладные кольца, воротник, плоские, охватывающие всю трубу, заплечики, кольцо в виде воротника, косынки и ребро, три ребра). Однако наиболее распространен именно способ укрепления накладным кольцом. Дефекты, которые приводят к разрушению: – трещины; – укороченный горизонтальный катет углового сварного шва «труба-кольцо»; –непровар швов; – зазор между корпусом и накладкой. Все это провоцирует появление области повышенной концентрации напряжений. На сегодняшний день остаются не решенными задачи обеспечения достаточной прочности и надежности места опасных участков трубопровода, таких как тройниковое © Файрушин А.М., Яковлева Д.Н.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

соединение. Одним из ярких и трагичных примеров является авария на нефтебазе Шесхарис. Разрушение трубопровода и розлив нефти произошел как раз из-за разрыва тройника в зоне приварки накладного кольца к трубе [4,5]. Потому целью исследования является разработка технических решений для увеличения работоспособности и прочности узла. 2. Основное содержание и результаты работы Первое техническое решение – это конструкция с применением двух накладных колец. Это уменьшит зону термического влияния швов (ЗТВ) и перераспределит сварочные напряжения с основной трубы [6]. При дальнейшем моделировании и расчетах неизвестными являются диаметры будущих колец и их соотношение между собой. Согласно отраслевым стандартам ПАО «Газпром» диаметр накладки берется в 2 раза больше диаметра отверстия, которое укрепляется. Толщина накладного кольца должна составлять 100 % от толщины стенки трубопровода. Поэтому толщина наших 2 колец в сумме тоже должна составить 100 % от толщины стенки трубопроводов. Для численного моделирования взята модель основной трубы диаметром 820 мм, патрубка диаметром 200 мм. Исследуемые модели – это модели со следующими диаметрами накладных колец: Модель 1 (350 мм/ 450 мм, S1 = S2 = 5 мм); Модель 2 (350 мм/ 400 мм, S1 = S2 = 5 мм (рисунок 1)); Модель 3 (300 мм/ 500 мм, S1 = S2 = 5 мм); Модель с одним кольцом для сравнения результатов диаметром (400 мм;S = 10 мм).

Рисунок 1. Схема модели 2 тройникового соединения трубопровода Моделирование и прочностной расчет проводились в программе ANSYS. Для расчетов необходимо создать достаточно регулярную сетку близ колец с минимально возможным размером и нагрузить модель. Модель нагружалась внутренним давлением 2 МПа и перемещением патрубка по оси Y для моделирования динамики процесса. Эта нагрузка показала максимальную концентрацию напряжений в ЗТВ (рис. 2).

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 2. Распределение напряжений модели 2 Модель с одним кольцом показала максимальные напряжения в сравнении с моделями с двумя накладными кольцами. Для анализа результатов были выбраны точки для построения графиков напряжений вдоль поперечного сечения трубопровода, так как именно здесь необходимо проанализировать нагрузку. Наилучший результат, т.е. наименьшие напряжения в ЗТВ, наблюдаются на модель с накладными кольцами диаметрами 450-350 мм (рис. 3). То есть разность между диаметрами 100 мм [7].

а – Модель 1 (350 мм/ 450 мм, S1 = S2 = 5 мм; б – Модель 2 (350 мм/ 400 мм, S1 = S2 = 5 мм); в – Модель 3 (300 мм/ 500 мм, S1 = S2 = 5 мм); г – Модель с одним кольцом (400 мм; S = 10 мм). Рисунок 3. Графики эквивалентных напряжений в поперечном сечении трубопровода

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

На общем графике можно также сравнить полученные напряжения на моделях (рис. 4). Напряжение, которое испытывает трубопровод, работающий под давлением 2 МПа, равно 68 МПа. На тройнике рассчитывается коэффициент интенсификации и составляет он для тройника с накладными кольцами 4,8. Именно во столько раз напряжение на тройнике больше, чем на основном трубопроводе и составляет оно 328 МПа, когда предел текучести 343 МПа для стали 09Г2С. Модель с двумя накладными кольцами с разностью диаметров в 100 мм показали минимальные напряжения, приходящиеся на ЗТВ.

Рисунок 4. График эквивалентных напряжений в поперечном сечении трубопровода Именно эта модель была использована для вывода коэффициента расчета диаметров накладных колец. Конструкция узла тройникового соединения трубопровода, включающая в себя патрубок, соосно на котором расположен прилегающий кольцевой элемент, сваренный с трубопроводом и патрубком угловыми кольцевыми сварными швами. Кольцевой элемент представляет собой два накладных кольца, сумма толщины стенок которых равна толщине стенки трубопровода. При этом диаметры накладных колец по полученному в исследовании выводу определяют по следующим соотношениям: Dб = k1 ∙ Dп, Dм = k2 ∙ Dп, где Dб – диаметр большего накладного кольца, мм; k1 – коэффициент, который характеризует отношение диаметров большего накладного кольца и патрубка, k1 = 2,2; Dп – диаметр патрубка, мм; Dм – диаметр меньшего накладного кольца, мм; k2 – коэффициент, который характеризует отношение диаметров меньшего накладного кольца и патрубка, k2 = 1,7. Таким образом, подобрать накладные кольца для тройникового соединения можно для любого его типоразмера (рис. 5).

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

1 – основная труба; 2 – патрубок; 3, 4 – накладные кольца большего и меньшего диаметра Рисунок 5. Схема конструктивного решения применения двух накладных колец Следующее, что предлагается – это использование современных материалов, а именно нанесение накладного элемента из поликарбамида. Конструкция из поликарбамида представляет собой эластичное монолитное покрытие, которое, затвердевая после нанесения, представляет собой толстую пленку. Наносится на любые поверхности резервуаров, емкостей, трубопроводов. Применение этого материала исключает сварной шов. Для того, чтобы смоделировать данный узел, необходимо точно ввести свойства поликарбамида в библиотеку материалов ANSYS. Из нагрузок задавалось давление в трубе. Остается путем численного моделирования определить оптимальные радиус размеры нанесения покрытия. Были созданы 3 модели, аналогичные предыдущему расчету, толщина покрытия бралась равной толщине стенки основной трубы, различными брались диаметр покрытия на основной трубе и высота покрытия на патрубке: Модель 1 (D = 350 мм, H = 100 мм); Модель 2 (D = 400 мм, H = 150 мм); Модель 3 (D = 450 мм, H = 200 мм). По результатам расчетной модели был получен график эквивалентных напряжений на поперечном сечении трубопровода (рис. 6). Как видно, максимальная нагрузка приходится на область перехода от покрытия к трубе с наименьшим диаметром покрытия. Оптимальным вариантом является модель с диаметром покрытия в два раза больше диаметра патрубка и высотой 150 мм. Таким образом, предполагается путем нанесения поликарбамида уменьшить напряженно-деформированного состояния узла тройникового соединения. На основе полученных результатов выведены формулы расчета геометрии размеров наносимого покрытия для любого типоразмера тройника (рис. 7).

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Рисунок 6. График эквивалентных напряжений в поперечном сечении трубопровода с применением конструкции из поликарбамида

где

Dпокр = 2∙dпат ; Sпокр = Sосн ; Hпокр = 0,75 ∙ dпат, Dпокр – диаметр покрытия, мм; dпат – диаметр патрубка, мм; Sпокр – толщина покрытия, мм; Sосн – толщина основной трубы, мм; Hпокр – высота покрытия.

1 – основная труба; 2 – конструкция из поликарбамида; 3 – патрубок Рисунок 7. Схема технического решения применения конструкции из поликарбамида

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

3. Заключение Основные угрозы безопасности, связанные с потерей герметичности узла, могут быть устранены путем применения следующих технических решений, исследование которых дало положительные результаты: использования двух накладных колец вместо одного и конструкции из накладного кольца из поликарбамида. Данные технические решения направлены на уменьшение уровня напряженнодеформированного состояния тройникового соединения – опасного участка трубопровода и увеличение его прочности, надежности и работоспособности узла. Основные выводы работы поисследованию опасных участков трубопровода и возможных технических решений заключаются в следующем: 1. Проведено моделирование напряженно-деформированного состояния тройникового соединения трубопровода с применением программного обеспечения ANSYS, на основании которого оптимизированы конструкции накладных колец; 2. Разработан и полученпатент на полезную модель предлагаемого технического решенияконструкции с двумя накладными кольцами на тройниковом узле трубопровода; 3. Разработаны рекомендации к применению конструкции из поликарбамида на узле тройникового соединения трубопровода и возможности внедрения ее в производство. ЛИТЕРАТУРА: 1. Хасанов, Р.Р. Напряженно-деформированное состояние и обеспечение надежности тройников подземных трубопроводов: монография / Р.Р. Хасанов, С.М. Султанмагомедов. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – 100 с. 2. Ерофеев, В.В. Оценка остаточного ресурса сварных соединительных узлов магистральных трубопроводов на базе данных технической диагностики / В.В. Ерофеев // Сборник научных трудов. – Челябинск, 2012. – С. 24-31. 3. Аписов, И.В. Анализ напряженного состояния укрепленного накладным кольцом штуцерного узла с учетом дефектов сборки / И.В. Аписов, О.В. Четверткова, Д.В. Каретников, И.Г. Ибрагимов, Т.Э. Закиров // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» – 2014. – № 5. – С. 223-237. 4. Гумеров, А.К. Механизмы разрушения магистральных трубопроводов с приварными элементами / А.К. Гумеров, А.К. Шмаков, Ф.Ш. Хайрутдинов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2007. – №1. – С. 1-5. 5. Гумеров, А.Г. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов: научное издание / А.Г. Гумеров, Р.С. Гумеров, К.М Гумеров. – М.: «НедраБизнесцентр», 2003. – 310 с. 6. Файрушин, А.М. Разработка рекомендаций по применению локально укрепленных штуцерных узлов с ребрами жесткости / А.М. Файрушин, М.З. Зарипов, Д.В. Каретников, Д.Н. Яковлева, А.В. Исламова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» – 2017. – №6. – С. 76-95. 7.Яковлева, Д.Н. Повышение безопасности при эксплуатации узлов ответвления трубопроводов с помощью укрепляющих (накладных) колец / Д.Н. Яковлева, А.М. Файрушин // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2018. – №6. Поступила в редколлегию 25.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.01(06) 1 Т.

В. Хавлин, соискатель, 2 Д. А. Михайлов, канд. техн. наук, доцент, Н. Михайлов, д-р техн. наук, проф. 1 ГОО ВПО «Донецкая академия внутренних дел МВД ДНР», 2 ГОУ ВПО «Академия гражданской защиты», ДНР, 3 ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», ДНР, Тел./факс: +38(071)3122392; E-mail: strana.sovetov.80@mail.ru 3 А.

МЕТОД РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРА ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В данной статье выполняется изучение подхода к выбору условий определяющих последовательность действий технолога при разработке технологического решения для создания технологического процесса связанного с повышением ресурса лопаток турбин, изучается материальнотехническое обеспечение процесса обработки поверхностей и технические характеристики абразивного инструмента Ключевые слова: лопатка турбины, технологические решения, функциональноориентированные технологии, обработка поверхности. T. V. Khavlin, D. A. Mikhailov, A. N. Mikhailov A METHOD OF DEVELOPING A FUNCTIONALLY-ORIENTED TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR SURFACE TREATMENT OF THE PEN TURBINE BLADES OF GAS TURBINE ENGINES This article deals with the study of the approach to the choice of conditions determining the sequence of actions of the technologist in the development of technological solutions for the creation of technological process associated with the increase in the resource of turbine blades, studied the material and technical support of the surface treatment process and technical characteristics of abrasive tool. Keywords: turbine blade, technological solutions, functional-oriented technologies, surface treatment.

1.Введение В современном машиностроении особое место занимают функциональноориентированные технологии (ФОТ) необходимость применения которых опирается на интеллектуальные и материальные итоги комплексного анализа существующих потребностей (проблем). Продуктом этой аналитики становится реакция, в виде трансформации технологического процесса, призванного сформировать новые свойства и меру полезности изделий [1], по средствам создания универсального технологического процесса (процесса) повышения их ресурса. В нашей работе планируется применить ФОТ для создания такого процесса, главной целью которого будет повышение ресурса деталей турбин газотурбинных двигателей (ГТД). Например, авиационных (ТВ2-117, ТВ3-117, ВК-2500 и т.д.), судовых, установок топливно-энергетического комплекса (ГТЭС-2,5 и т.д.), а также боевых машин (ГТД-1000Т, перспективный ГТД для БМП «Рыцарь») и т.д. Эффективность применения именно ФОТ, для решения вопросов, связанных с повышением ресурса деталей ГТД, например, таких как лопатки турбины оправдывается самим подходом. А именно возможностью осуществления глубокого (прецизионного) анализа процесса разрушения пера лопатки с последующей разработкой общих принципов и подходов в создании технологии изготовления и

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

восстановления лопатки турбины на основе применения защитных покрытий [2, 3, 4, 5, 6]. Ориентируясь на изложенное выше, можно определиться с целью данной работы – это проектирование процесса для повышения ресурса лопаток турбины ГТД и разработка технологических решений (решений) по обработке поверхностей пера. Для осуществления данной задачи выполняется изучение ряда вопросов, например, таких как: 1. Определение определяющих условий (условий) построения процесса. 2. Изучение функционально-ориентированного материального обеспечения (ФОМО), как части алгоритма организации процесса. 3. Подбор предложений для повышения эффективности проектирования процесса. Учитывая, что цель данной работы – проектирование универсального технологического процесса для повышения ресурса лопаток турбин ГТД, мы проведем ряд целевых исследований, направленных на решение следующих задач: 1. Определения условий построения процесса, и рассмотрение методики прецизионного изучения их множеств и подмножеств, организационных связей между ними. 2. Изучения ФОМО, рассмотрение процедуры создания базы обеспечения на основе существующих (перспективных) или правильно сказать функциональноориентирующих запросов (проблем, условий, функций, подфункций и т.д.) с учётом возможностей производственных сфер. 3. Подбора предложений для повышения эффективности проектирования процесса для чего осуществим выбор и изучение абразивных способностей (АС) материалов применимых для обработки поверхностей. 2. Основное содержание и результаты роботы по определению условий влияющих на выбор технологических решений В процессе обработки поверхности пера лопатки турбины, следует обратить внимание на некоторые условия построения процесса, которые, в сущности, будут определять структуру и набор технологических операций. Перечень возможных условий отображен на рис. 1.

Рисунок 1. Начальные условия для процесса подбора технологических решений. Среди них: - условия обработки поверхностей пера лопатки (Cm), ориентирующие технолога на свойства жаропрочных материалов (никелевых, кобальтовых, титановых, легированных, металлокерамических и др.) без покрытия[7, 8, 9].

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

- условия обработки поверхности (Cl), ориентирующие технолога на свойства защитных покрытий пера лопатки (способ нанесения, толщина слоя, применяемый материал, геометрия слоя и др.)[7, 8, 9]. - условия (Cd), ориентирующие на особенности одновременной обработки сложной структуры поверхности или материалов с различными свойствами систем (метал –покрытие, покрытие традиционное – покрытие функциональноориентированное) и др. [7, 8, 9]. Множество данных условий может быть представлено следующим выражением [1]: ,

(1)

где E – общий объём множества условий для разрабатываемого процесса;Cm – множество условий, ориентирующих технолога по средствам свойств основного материала;Cl –множество условий, ориентирующих технолога по средствам свойств защитных покрытий; Cd – множество условий, ориентирующих технолога по средствам сложной структуры поверхности или материалов с различными свойствами систем; Cn – мощность многовариантного кортежа условий управляющих выбором решения. Также данные условия можно отобразить множеством кортежей элементарного типа ( ) характерных, например для какого-либо j – ого иерархического уровня деления свойств поверхности (пространства) для которой подбираются варианты решений. Такое множество элементарных кортежей условий свойств поверхности (пространства) j – ого иерархического уровня деления можно записать следующим образом [1]: (2) В свою очередь, особенность ФОТ требует учитывать необходимость ориентирования при выборе технологических решений на уровни глубины технологии, и на примере множества условий, ориентирующих технолога по средствам свойств основного материала (Cm) можно представить элементарным кортежем j –ого иерархического уровня данных условий, следующим образом [1]:

(3) где -порядки множеств элементарных условий возникающих на j –ом уровне свойств основного материала;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

-i – е элементарное подмножество начальных условий j – го уровня глубины изучения свойств основного материала; - мощность множеств каждого из

порядка

множеств. Подобно Cm происходит реализация, изучение, преобразование, деление, объединение Cl и Cd. Процесс прецизионного изучения множеств и подмножеств начальных условий, организационных связей между ними (прямых и обратных), а также их деление, объединение и классификация происходит до требуемого уровня глубины технологии [1]. В соответствии с организационными, техническими, технологическими, потребительскими и т.д. запросами (условиями, требованиями) в той или иной сфере использования ГТД, такой процесс стремиться создать инвариант решения наиболее отображающего существующую перспективу для выбранного (любого) изделия. В этом и заключается универсальность создаваемого технологического процесса. Модель подбора решений на любом уровне можно представить в следующем виде (рис. 2), где пунктиром выделена гипотетически существующая область вариантов множеств начальных условий. Модель, опирающаяся на принцип вычисление полусуммы теоретически возможных показателей (величин) воздействий, ресурсов (модулей, коэффициентов и т.д.) следующих множеств (условий):Cm – множество условий ориентирующих технолога по средствам свойств основного материала; Cl – множество условий ориентирующих технолога по средствам свойств защитных покрытий; Cd – множество условий ориентирующих технолога по средствам сложной структуры поверхности или материалов с различными свойствами систем; Cn – мощность многовариантного кортежа условий управляющих выбором решения; SC – внешнее условие связанное с наличием химической коррозии; ME – условие механической эрозии; HTO –условие высокотемпературного окисления.

Рисунок 2. Модель итерации процесса изучения множеств условий.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Такой процесс оперирования начальными условиями должен происходить до предела функций, т.е. стремиться к максимальной точности изучения и выбора. Поле композиций технологических решений на уровне микро, макро и даже нано структур образующееся в результате изучения начальных условий, а именно выполнения математических операций можно представить в виде следующего выражения [1]:

S t (i +1) = С m  C l  C d  C n ,

(4)

где – технологическое решение (i+1) – го уровня глубины технологии формируемое пересечением множеств начальных условий для любого единичного участка поверхности обрабатываемой детали. Учитывая, тот факт, что в результате технического прогресса происходят изменения в эксплуатационных условиях, технологиях и т.д. существует прямая вероятность возникновения новшеств, в производстве и условиях эксплуатации и поэтому условия ориентиры так же изменят вид, мощность, размерность, степень, т.е. станут новыми или будут являться прогнозируемыми. Этот вывод можно отобразить в виде следующего выражения [1]: cv (5) E p =  C nj , j =1

где Ep – перспективно новый объем условий; Cnj – j-е множество условий n – го уровня исследования свойств обрабатываемой среды (поверхности); cv – мощность подмножества перспективно новых начальных условий. 3. Изучение ФОМО, как части процесса организации УТП Следующим шагом формирования технологического процесса станет вопрос организации его обеспечения требующее обратить внимание на следующее: - функционально-ориентированный подбор материалов для обработки поверхности лопатки с учётом возможного изменения свойств основного материала (метал, металл/покрытие, керамика, керамика/покрытие и др.); - функционально-ориентированный подбор материалов для обработки поверхности лопатки с учётом возможного изменения свойств нанесенного покрытия (покрытие однослойное, покрытие многослойное, покрытие многомодульное и др.); - функционально-ориентированный подбор инструмента для обработки поверхности лопатки с учётом возможного изменения геометрии поверхности (входная кромка, выходная кромка, корыто, спинка, переходные поверхности, элементы системы охлаждения и др.); - функционально-ориентированный выбор режимов обработки (скорость, усилие, способ отвода тепла, наличие ингибиторов и т.д.) и продолжительности технологических воздействий на обрабатываемую поверхность (единовременное, непрерывное, прерывистое, комплексные варианты); - другое. Всё это в свою очередь указывает на необходимость создания ФОМО для выбора решений на основе методики рассмотренной выше.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Главным направлением (факторами, аспектами, функциями и т.д.) в работе по изучению и в дальнейшем применению ФОМО (видов, способов, методов, процессов, материалов, особенностей и т.д.) должно быть его правильно выполненный функционально-ориентированный подбор и внедрение в процесс создания технологического процесса. Так, например, при создании системы обеспечения следует учитывать то, что материалы, с которыми придется столкнуться при обработке той же поверхности пера лопатки ГТД, имеют свойства, позволяющие работать им в условиях, обобщающих в себе высокие нагрузки, давление, скорости вращения, температуру и её перепады, а также химически активную среду. В связи с чем, сложность обрабатываемости материала пера лопатки, будет начальным условием, указывающим на необходимость использования тех или иных средств обработки. С этой целью мы в своей работе выполнили формирование основы для последовательности и системности в подборе материальных, энергетических, и информационных ресурсов (потоков) процесса, отобразив это в базовой функционально-ориентированной схеме-классификации материального обеспечения с учётом различных аспектов (рис.3). Здесь: ТП – технологический процесс; УТП – универсальный технологический процесс; I – общий информационный поток определяющий набор технологических решений; i = 1, 2, 3,…, n – информационные потоки обратной связи по результатам контроля качества.

Рисунок 3. Схема-классификация ФОМО УТП.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

На данной схеме выполнена классификация функционально-ориентированного материального обеспечения по следующим аспектам: - по организационным особенностям процесса повышения ресурса лопаток турбин (маршрутная карта, операционная карта, технологическая карта, производственная программа и т.д.); - по функции процесса повышения ресурса лопаток турбин (изготовление, ремонт, модернизация и т.д.); - по виду (критерию, степени) процесса повышения ресурса лопаток турбин (степень унификации, назначение, детализация и т.д.); - по методу процесса повышения ресурса лопаток турбин (обработка, контроль, маркирование, упаковывание и т.д.); - по форме обрабатываемой поверхности лопаток турбин (точка, линия, поверхность, объёмы и т.д.); - по элементам процесса повышения ресурса лопаток турбин (установ, переход, базирование и т.д.); - по характеристике процесса повышения ресурса лопаток турбин (такт, ритм, режим, припуск и т.д.); - по нормам процесса повышения ресурса лопаток турбин (энергетические ресурсы, материальные ресурсы, информационные ресурсы и т.д.) - по средствам повышения ресурса лопаток турбин для 3-х стадий процесса (средства, оборудование, оснастка, инструмент, приспособления, функциональноориентированные изобретения/внедрения и т.д.); - по особенностям материала пера лопатки (тип и свойства материала заготовки, тип и свойства материала детали и т.д.); - по набору функционально-ориентированных операций ремонта лопатки турбины (снятие нагара и отложений, заполировка раковин/сколов/прогаров, снятие/обработка полное/частичное покрытия, обработка покрытия традиционного/специального и т.д.); - по набору функционально-ориентированных операций подготовки поверхности новых лопаток турбин (подготовка новой поверхности с учетом материала подложки традиционная, подготовка новой поверхности с учетом материала подложки функционально-ориентированная и т.д.); - по набору функционально-ориентированных операций обработки специальных покрытий (подготовка новой поверхности с учетом материала покрытия, геометрии покрытия и т.д.); - по особенностям материала покрытия (тип и свойства материала имеющегося покрытия, наличие функционально-ориентированных особенностей покрытия и т.д.); - по набору функционально-ориентированных операций на разных уровнях глубины технологии (на уровне функциональных элементов, частей, зон, микрозон, макрозон, нанозон). 3. Подбор предложений для повышения эффективности проектирования процесса Конкретизируя изложенное выше, мы предлагаем в первую очередь для проектирования рассматриваемого процесса выполнять следующее: - подбор и изучение абразивных способностей материалов применимых для обработки пера ЛТ ГТД; - изучение спектра применяемых инструментов для обработки ЛТ ГТД;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

- изучение возможности создания и внедрения способа и устройства для обработки пера лопатки турбины (полировальник ориентированной абразивной способности); - изучение особенностей обработки жаропрочных сплавов на никелевой (кобальтовой) основе (метал, метал и покрытие, покрытие) и др. Результатом реализации указанной последовательности, на начальном этапе исследования, станет совершенствование структуры процесса обработки лопатки турбины ГТД с применением выбранных решений. Что необходимо для обеспечения разноуровневой равноэффективной готовности (ОРРГ) поверхности к нанесению защитного покрытия (1 стадия УТП) и в дальнейшем разноуровневой равноэффективной защиты (ОРРЗ) [4] поверхности (3 стадия УТП) к эксплуатации в сложных условиях. Так же, для более качественного подбора решений следует обратить внимание на тот факт, что качество поверхностного слоя (реальной поверхности) во многом определяет износостойкость детали. Само же качество поверхности – это, безусловно, совокупность физических, химических, а лучше сказать комплексных свойств обработанной поверхности, в нашем случае пера лопатки турбины ГТД. Условно комплекс приобретаемых свойств после обработки (подготовки) можно разделить на[10, 11]: - геометрические свойства или характеристики поверхности; - физико-механические свойства или характеристики поверхности. Из общего перечня можно выделить некоторые свойства (характеристики), которые в первую очередь должны быть приданы поверхностям (частям, элементам, зонам и т.д.) лопатки турбины ориентируясь на неравномерно действующие эксплуатационные нагрузки с целью функционального ориентирования, процесса обработки пера лопатки [3, 4]. Конкретнее, технолога на этапе выбора решений должен интересовать вопрос возможности обеспечения качественных свойств на уровне микро и макрогеометрии. Лопатки турбин газотурбинных двигателей в современном производстве изготавливаются по различным технологиям, о чём говорит выполненная в [12]классификация. В качестве материала в основном используется (использовались) сплавы на никелевой основе (ВЖМ1-ВЖМ8, ВЖЛ20, ЖС30М, ЖС32, ЖС36, ЖС40, ЖС47 и т.д.) при этом в большинстве случаев поверхности пера лопаток подвергаются процедуре повышения ресурса за счёт нанесения защитных покрытий мощным энергетическим воздействием, например, применяется ионно-плазменное напыление [3, 5], но несмотря на это, при эксплуатации лопаток турбин происходит их специфическое разрушение, изученное в [4]. С учетом свойств основного материала, свойств материала покрытия, специфику разрушения пера лопатки, обработка (полировка) поверхности пера лопатки турбины будет иметь несколько вариантов исполнения: - подвергающиеся обработке поверхности пера лопатки (функциональные элементы) изготовлены из никелевого (другого) жаропрочного (термостойкого) сплава, поэтому обработка будет производиться исключительно никелевого (другого) сплава опираясь на начальные условия возникающие, например, на фоне свойств сплава; - подвергающиеся обработке поверхности пера лопатки (функциональные элементы) изготовлены из никелевого жаропрочного (термостойкого) сплава имеют

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

защитные покрытия (электронно-лучевое испарение, ионно-плазменное напыление, детонационное напыление, и др.), поэтому обработка будет производиться исключительно самого покрытия [13] с учётом начальных условий возникающих, например, на фоне свойств покрытия; - полное снятие (выполировка) выполняется только покрытий, либо 1-й, 2-й, 3й,…, n – й слоёв модульного покрытия; - подвергающиеся обработке поверхности пера лопатки (функциональные элементы) изготовлены из никелевого (другого) жаропрочного (термостойкого) сплава имеют защитные покрытия и обработка, при наличии неоднородностей разрушения, будет производиться одновременно и покрытия, и основного металла, с учётом начальных условий возникающих, например, на фоне свойств покрытия и металла (комбинированная обработка). Следующим шагом в подборе предложений по повышению эффективности процесса обработки лопаток будет изучение материалов и инструмента для обработки. Так, например, при выборе паст и суспензий (смазочно-охлаждающих жидкостей) необходимо изучать условия, которые будут сопровождать весь процесс (наличие различных химически-активных вставок и жидкостей, степень вязкости основы и т.д.). При их приготовления процентное соотношение микропорошка (тонкого микропорошка) и основы (1:5, 1:3, 1:1 и т.д.), должно определяться начальными условиями, работающими перспективу в придании требуемых свойств поверхности металла (Cm) и свойств покрытию (Cl). При изучении вопроса выбора инструмента для полирования, предлагается выполнять такую технологическую операцию с помощью полировального круга, инструмента, выполненного из определенного материала способного с одной стороны обладать достаточной прочностью, а с другой обладать эластичностью, легкостью и способностью удерживать абразивную композицию. Материалом для изготовления полировальных кругов может служить войлок, фетр, резина, полимерные композиции, ткани и др. В перспективе, возможно, следует изучить вопрос применения ориентированных полировальников для предотвращения неравномерного полирования поверхностей из двух материалов имеющих различную микротвердость в связи с возможным возникновением продавливания менее твердого материала. Обработка поверхностей лопатки турбины должно выполнятся в течение нескольких последовательных технологических операций. Так для получения шероховатости Rz = 0,025 … 0,032 мкм, при исходном параметре шероховатости Ra = 0,25 … 0,32 мкм необходимо выполнить четыре и более технологических операций, по полировке поверхности, а в случае удаления защитного покрытия с поверхности пера лопатки в следующем порядке: 1. Снятие покрытия (припуск – 0,050 … 0,070 мм), Ra = 0,08 … 0,125 мкм. 2. Предварительное полирование (припуск – 0,010 … 0,015 мм), Ra = 0,04 … 0,063 мкм. 3. Окончательное полирование (припуск – 0,005 … 0,007мм), Ra= 0,02 … 0,025 мкм. 4. Глянцевание (припуск – 0,0005 … 0,001 мм), Rz = 0,025 … 0,032 мкм.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Для снижения погрешности на обработку реальной поверхности пера лопатки выбор припусков на обработку можно просчитать с применением формулы по расчёту коэффициентов уточнения, n  K еR = k1R k 2R  k nR =  k iR , i =1  n h h h h K е = k1 k 2  k n =  k ih ,   i =1  n       K е = k1 k 2  k n =  k i ,  i =1 n  T TT T T K е = k1 2  k n =  k i ;  i =1 

(6)

где - единые коэффициенты уточнения параметров реальной поверхности обрабатываемой детали, соответственно высоты неровностей профиля, глубины слоя дефекта, суммарного отклонения расположения поверхности и допуска по размеру; - коэффициенты уточненияi-х параметров реальной поверхности, а именно всех соответствующих параметров. Здесь:

где TA 0 , TA n , TA i - допустимые параметры размера заготовки, детали (реальной поверхности с i-м технологическим процессом или его частью (операция, переход), соответственно [14]; Rz (i −1) - высота микрогеометрии поверхности на предшествующей части технологической операции; h( i −1) - глубина микрогеометрии поверхности (слоя) на предшествующей части технологической операции;   ( i −1) - результирующие

отклонения

различия

расположения

форм

поверхностного слоя предшествующей части технологической операции. Коэффициенты уточнения величины ориентируемые, их цифровые отображения могут иметь различное значение, т.к. ориентируются в основном на способы механического воздействия при обработке.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

В ходе нашей работы принято решение считать, что наиболее оптимальными значения коэффициентов уточнения для процессов полировки различных поверхностей лопатки турбины будут следующие значения: - механическая обработка поверхности с нанесённым защитным покрытием – ki≥2,5 … 4,0; - предварительная выполировка поверхности (покрытия) –ki = 2,0 … 2,5; - окончательная выполировка поверхности (покрытия) – ki = 1,5 … 1,8; - зеркальная выполировка поверхности - ki = 1,2 … 1,5. В качестве технических параметров воздействия полировального инструмента на обрабатываемую поверхность мы рекомендуем использовать следующие показатели: - частота вращения полировальника – ≤ 2800 об/мин; - усилие прижима для предварительного полирования – 5 … 15 кг/см2; - усилие прижима для глянцевания – 2 … 5 кг/см2. Кроме этого, при полировании, операции обработки необходимо осуществлять с постепенным уменьшением зернистости абразивного материала. Такой подход в целом будет способствовать повышению ресурса лопаток турбин на различных уровнях, а именно: - на уровне обеспечения хорошей адгезии материалов на границе сплав– покрытие (ориентируясь на возможность использования различных материалов, как при изготовлении лопатки, так и покрытия); - на уровне повышения качества поверхности с нанесённым защитным покрытием (замедлит процесс нивелирования поверхности под механическим воздействием, предотвратит налипание пыли, частиц песка и т.д.). 4. Выводы В ходе проведённой работы было выполнено следующее: 1. Определено наличие неких факторов, которые нами обозначены как начальные условия построения процесса, предложена методика прецизионного изучения множеств и подмножеств начальных условий, организационных связей между ними (прямых и обратных), а также их деление, объединение и классификация. 2. Проведено изучение ФОМО, как части организации универсального технологического процесса. 3. Выполнена начальная часть исследования абразивных способностей с целью подбора материалов и режимов, применимых для обработки поверхностей пера лопатки. ЛИТЕРАТУРА: 1. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А. Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 347 с. 2. Хавлин, Т. В. Актуальность функционально-ориентированного подхода в повышении свойств изделий / Т. В. Хавлин // Сборник трудов международной научнотехнической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века». – Донецк: ДонНТУ, 2016. – Т. 2 . – С. 149-150. 3. Михайлов, А. Н. Особенности технологического процесса повышения ресурса лопаток турбины авиационных двигателя на базе функционально-ориентированной технологии / А. Н. Михайлов, Т. В. Хавлин // Международный сборник научных трудов

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

«Прогрессивные технологии и системы машиностроения». – Донецк: ДонНТУ, 2017. – Вып.1 (56). – С. 84-100. 4. Хавлин, Т. В. Исследование особенностей разрушения лопаток турбин авиационных двигателей / Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов, Д. А. Михайлов, А. П. Недашковский, В. В. Ткач, Е. С. Зиборов // Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей технологии и виброволновых технологий (Электронный ресурс): сборник трудов международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., почётного профессора ДГТУ А.П. Бабичева Ростов-на-Дону, 27 - 28 февраля 2018г. – Ростов-наДону: ДГТУ, 2018. – С. 182-185. 5. Михайлов, В. А. Повышение структурной надежности вертолетных газотурбинных двигателей / В. А. Михайлов, А. П. Пичко, Т. В. Хавлин, А. А. Колодяжный, Д. А. Михайлов, Е. А. Шейко, А. Гитуни, А. Н. Михайлов // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Т. 2 . – С. 62-66. 6. Пичко, А. П. К определению структурной надежности газотурбинных установок нефтегазовой промышленности / А. П. Пичко, В. А. Михайлов, А. А. Колодяжный, Д. А. Михайлов, Е. А. Шейко, Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов // Международный сборник научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения». – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 2 (61). – С. 64-74. 7. Абраимов, Н. В. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин / Н. В. Абраимов. – М.: Машиностроение, 1993.– 336 с. 8. Шальнов, В. А. Шлифование и полирование высокопрочных материалов / В. А. Шальнов. – М.: Машиностроение, 1972. – 272 с. 9. Абраимов, Н. В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов: Учебное пособие для авиационных вузов / Н. В. Абраимов, Ю. С. Елисеев, В.В. Крымов – М.:Высш. школа, 1998. – 444 с. 10. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – М.: Машиностроение. – Т. 1, 1986. – 656 с.; Т. 2, 1985. – 496 с. 11. Кремень, З.И. Технология шлифования в машиностроении / З. И. Кремень, В. Г. Юрьев, А. Ф. Бабошкин – СПб.: Политехника, 2007. – 424 с. 12. Хавлин, Т.В. Создание функционально-ориентированной технологии повышения ресурса лопаток турбин авиационных двигателей / Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов, Д. А. Михайлов, В. А. Михайлов, С. В. Глухов // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: материалы Международной научнотехнической конференции 17–19 октября 2018 г.: в 2 ч. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2019. – Ч. 2. – 152 с. 13. Качанов, Е. Б. Покрытия для защиты лопаток турбин от сульфидной коррозии. Защита от коррозии. Покрытия / Е. Б. Качанов, Ю. А. Тамарин // Технология легких сплавов: Научно-технический журнал . – Москва: ВИЛС, 2005. – № 1-4. – С. 171-180. 14. Журавлев, А. Н. Допуски и технические измерения / А. Н. Журавлев. – М.: Высш. школа, 1981. – 256 с. Поступила в редколлегию 26.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 658.018.562.012 В. А. Шабайкович, д-р техн. наук, проф., Н. С.Григорьева, д-р техн. наук, проф. Луцкий национальный технический университет, Украина Тел./Факс: +38 (063) 7141115;E-mail: vik_shabajkin@ukr.net ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКЦИИ В статье определены основные причины низкой конкурентоспособности продукции: разрыв внутренних и внешних связей между предприятиями, отраслями; ваучерная приватизация; бездеятельность большинства производственников; развал производства; неоказание помощи производству региональными и высшими органами власти; плохое законодательство; низкая духовность; плохой социальный и психологический климат; обогащение любой ценой; двойные стандарты; игнорирование зарубежного опыта; деформированные рыночные отношения, фактически их отсутствие. Создалась черная триада: неумелое руководство, нехватка специалистов и руководителей, настоящих собственников, дилетантство, развал производства и экономики. Ключевые слова: продукция, предприятие, конкурентоспособность, управление, инвестиции. B. A. Shabaykovich, N. S. Grigorieva ENSURING THE COMPETITIVENESS OF MANUFACTURING PRODUCTS The article identifies the main reasons for low competitiveness of products: the rupture of internal and external relations between enterprises and industries; voucher privatization; inactivity of the majority of production workers; the collapse of production; failure to assist production by regional and higher authorities; bad legislation; low spirituality; poor social and psychological climate; enrichment at any cost; double standards; ignoring foreign experience; distorted market relations, in fact, their absence.The black hole has formed: inept leadership, lack of specialists and managers, real owners, amateurishness, the collapse of production and the economy. Keywords: products, enterprises, competitiveness, management, investment.

1. Введение. Обеспечению конкурентоспособности продукции в условиях рыночной экономики и глобализации является важной проблемой, которая имеет большое народнохозяйственное значение. В силу целого ряда причин сложилось положение, когда страна, согласно мировым рейтингам по глобальной конкуренции, занимает последние места в мире и находится по соседству со слаборазвитыми странами Африки, хотя при этом Украина имеет значительно больший потенциал, а значит и возможность занятия лучших мест. Анализируя такой провальный упадок экономики, становится понятным, что причины лежат, по крайней мере, в разных плоскостях, но в первую очередь – экономической, политической и социальной. Во второй половине 90-х годов власть имущие построили такую систему управления, которая обрекла страну на бедность, а их на дикое обогащение. Здесь переплелись и «прихватизация», коррупция, отмывание денег, неуплата налогов, вывод денег в офшоры, разворовывание бюджета и многое другое, т.е. инструмент обогащения. Теперь только официальные состояния 100 украинских олигархов равны уже 38% ВВП. Только за последних 10 лет с Украины по данным “GlobalFinancialIntegrity” нелегально было вывезено 116,762 млрд. долларов в офшоры, т.е. в среднем по 11,76 млрд долларов в год. А ведь это фактически украденные деньги, которых вполне бы хватило на восстановление экономики и обеспечение конкурентоспособности продукции. Однако никому в мире не нужны вторые США, Англия, Франция, Германия и т.п., нужны только рынки сбыта их конкурентоспособной продукции. Остальное относится к демагогии и маскировке своих целей. © Шабайкович В.А., Григорьева Н.С.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

2. Основное содержание работы. Конкурентоспособности украинской продукции было нанесено и продолжает наноситься ряд сознательных ударов возможно с целью превращения страны в колониальную, т.е. рынок сбыта зарубежнойконкурентной продукции. Звучит странно, но, к сожалению, очень похоже. Однако все требует серьезного системного исследования, но замалчивать это сейчас, как часто делается, значит ничего конкретного о конкурентоспособности продукции, предприятий, отраслей да и страны в целом не сказать, а главное - не получить никакой практической пользы[1]. Первый удар конкурентоспособности был нанесен при развале экономики страны в начале обретения независимости в 90-х годах. Были разорваны внутренние и внешние связи между предприятиями. Значительно уменьшился выпуск самой продукции, а к ее конкурентоспособности никому не было дела – все были заняты быстрым обогащением. Второй удар нанесла ваучерная приватизация, последовавшая «прихватизация» предприятий, третий – нанесли производственники, которые на фоне общего развала экономики страны не сумели сохранить производство. Большинство специалистов ушли в бизнес, выехали за границу или вышли на пенсию, оборудование и оснащение было разворовано, продано или сдано на металлолом. Разрушилась специализация и кооперирование, поставки материалов, полуфабрикатов, комплектующих и любая производственная деятельность. Такого не было даже со времен войны. Четвертый удар был нанесен региональной и верховной властью непредставлением никакой помощи разваливающемуся производству. Исчезли инвестиции, заказы на продукцию (рынка еще не было!), возможность приобретения необходимого технологического оборудования, оснастки и т.п. Пятый удар нанесло законодательство, поскольку проблем открылось много, а специалистов-законодателей было мало, то все просто захлебнулось в мутном потоке и в первую очередь за счет дилетантства и болтовни. Шестой удар по конкурентоспособности продукции нанесла низкая духовность, плохой социально-психологический климат, смена ценностей, страсть обогащения любой ценой. Седьмой удар нанесло неиспользование и полное игнорирование зарубежного опыта. Это богатый опыт Японии, США, стран Западной Европы, Сингапура, хотя бы близкой Польши и стран Прибалтики и других, которые сумели создать эффективные модели экономики и обеспечить конкурентоспособность выпускаемой продукции. Таким образом, в результате сложилась черная триада: неумелое руководство из-за отсутствия специалистов, настоящих хозяев и дилетантство, развал экономики страны и упадок производства. Из приведенного видно, что проблема чрезвычайно сложная, запущенная, связанная с множеством факторов, но ее необходимо будет решить. Без этого никакого повышения конкурентоспособности продукции не будет! С помощью системного подхода разработаны начала концептуальных основ конкурентоспособности, впервые названы факторы, способствующие ее практическому повышению, раскрыт механизм обеспечения конкурентоспособности продукции. Уделено внимание формированию конкурентоспособности с применением компьютеризации и современных высокоэффективных методик, таких как маркетинг, кластеры, предпринимательство, логистическое управление, инновационные решения, нанотехнология, модульность конструкций и технологий[2] и т.п., что почти не применяется. В начале, определяются внутренние факторы, отрицательное влияние которых следует постоянно уменьшать, сводя его к нулю, что потребует значительных сроков. К таким факторам можно отнести: отсутствие разработок современной продукции; отсутствие применения новейших материалов и технологий изготовления новой продукции; устарелость и изношенность материально-технической базы; несовременная организация производства; отсутствие технологической дисциплины; слабое кадровое обеспе-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

чение; низкий профессиональный уровень специалистов, рабочих, служащих; малопригодность руководящего звена предприятия, преследующая цели обогащение, слабый контроль выполнения принятых решений; большая затратность производства; большие отпускные цены на оборудование, материалы, сырье, покупные изделия и т.д. Непомерно высокие цены на энергоносители; отсутствие обучения персонала, низкое качество продукции и производительность труда; отсутствие средств на восстановление производства; систематические и ненужные проверки контрольными органами; низкая производственная дисциплина[3]. К внешним факторам, существенно понижающим конкурентоспособность, можно отнести: олигархо-люмпенскую модель экономики; низкий ее уровень; несостоятельность проведенной приватизации; отсутствие инвестиций; проведение нелепых реформ; сосредоточенность на политической борьбе; влияние политики на экономику; неэффективность власти; нижайший ее уровень руководства; бюрократизация; огромные налоги и дополнительные платежи; отсутствие поддержки малого и среднего бизнеса; коррупция; взяточничество; откаты; рейдерство; хищения бюджетных средств; несостоятельность приватизации, фактическая «прихватизация»; распространение неправдивой информации на разных уровнях и в разных источниках; низкий уровень зарплат, реальных доходов населения; принцип мгновенного обогащения; плохой социально-психологический климат общества; необоснованность цен, прибылей; круговая порука власти, олигархов, кланов; стихийность рынков; плохое законодательство; не стимулирование конкурентоспособности продукции; вывод олигархами капитала за границу и многое другое. На основе выводов американской торговой палаты украинскому правительству были предложены такие рекомендации по повышению конкурентоспособности страны посредством информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) [4]: 1. Определить ответственных за разработку четкой концепции электронного управления и плана действий с учетом мнения бизнеса, различных органов власти и экспертов; ее внедрения в Украине с учетом лучшего международного опыта в реальный, но достаточно короткий промежуток времени. 2. Разработать единые стандарты и рамочные условия для обмена информацией между различными государственными учреждениями, правительством и бизнесом, правительством и гражданами в целях взаимодействия и связи между различными местными, региональными и национальными системами. 3. Поддержать и расширить имеющиеся региональные и местные инициативы по внедрению электронного правительства, в частности, проекты Киевской городской государственной администрации «Стратегия развития Киева до 2025 года», Днепровской области «Открытая власть», проекта электронного правительства в Винницкой государственной администрации и разработать план Национальной программы электронного управления. 4. Создать единый стандарт для электронной подписи и уполномочить единое государственное учреждение, которое бы отвечало за этот процесс. 5. Внедрить электронное правительство путем включения обучения ИКТ в программы подготовки и повышения квалификации государственных служащих на центральном и местном уровнях. Обучение ИКТ и соответствующее тестирование должны также быть обязательными элементами для подготовки преподавателей и программ повышения их квалификации. 6. Способствовать широкой доступности ИКТ путем внедрения национальной программы, расширение доступа к Интернету благодаря расширению покрытия WiFi,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

предоставление доступа к Интернету в общественных местах, в частности, в библиотеках, школах и общественных центрах. 7. Разработать программы государственно-частного партнерства с финансовыми учреждениями, производителями оборудования и программного обеспечения, телекоммуникационными операторами и другими заинтересованными сторонами с целью субсидирования и предоставления дешевых компьютеров с доступом в Интернет преподавателям, ученикам, другим работникам бюджетной сферы и уязвимым группам населения, за которые они будут платить путем внесения пониженных месячных платежей. Для доступа в ИКТ препятствия следует устранять с помощью развития и расширения программ бесплатного общественного доступа. 8. Предоставить приоритет модернизации инфраструктуры ИКТ школ, чтобы подключить их к скоростному Интернету, предоставить каждой школе современное оборудование и лицензионное программное обеспечение. 9. Обновить стандарты для начального и среднего образования для включения положений о доступе в ИКТ и их использования в учебном процессе, цифровые материалы, дистанционное обучение, что поддерживается единственными системами управления обучением, управления материалами и управления школой. Следует устранить препятствия для использования ИКТ в классах, включая устаревшие санитарные нормы, ограничивающие ежедневное применение ИКТ учениками. 10. Проводить тренинги, направленные на повышение компьютерной грамотности, чтобы люди могли найти работу. Следует уделять больше внимания уязвимым группам населения (молодежь, безработные, пожилые работники, люди с ограниченными возможностями). На пути выполнения этих требований стоят высокие цены на Интернет, телефонию, отсутствие любых льгот, отсутствие финансирования, низкий уровень патриотизма (не путать с национализмом), знакомый принцип обогащения превыше всего и т.п. Из рекомендованного ничего выполнено не было, просто проигнорировано. Управление конкурентоспособностью продукции является достаточно сложной проблемой, базирующейся на комплексном анализе производственно-хозяйственной деятельности предприятия. Известно много подходов к управлению конкурентоспособностью, которые проявляются в виде взаимосвязанных между собой процессов подготовки, принятия и организации выполнения решений, которые образуют технологию процесса управления и определяют конкурентоспособность. К таким действиям относятся определение цели, сбор и анализ данных по конкурентоспособности продукции, расчет и оценка ее уровня, влияние переменных факторов на конкурентоспособность, выбор приемов и методов управления и т.п. Этапами этого процесса является анализ конкурентоспособности и пути ее повышения. Такой комплексный подход заключается в обеспечении уровня конкурентоспособности продукции на основании анализа факторов производства и сбыта, особенностей производственной кооперации, стратегии, структуры и характера конкуренции на рынке, формирования конкурентной среды. Можно сделать вывод о необходимости разработки единой лучшей интегрированной методики, приспособленной к существующим условиям конкуренции с учетом влияния внутренней и внешней среды. При этом обязательным является решение кадровой проблемы, особенно повышения квалификации конкурентологов [4]. Полученные результаты исследования конкурентоспособности не являются окончательными и требуют дальнейшего усовершенствования как в направлении решения отдельных частей и задач, так и особенно разработки концептуальных основ конкурентоспособности. Но задачи усложняются, поскольку разработки должны про-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

ходить в условиях будущего компьютерно-интегрированного производства (CIM) и его систем CIMS[5], особенно в сборке продукции. Поэтому внимание должно будет уделяться таким атрибутам: логистическому, техническому, информационному, программному и другим видам обеспечения. Можно отметить основные направления развития работ: научно-теоретическое, конструкторское, технологическое, программное, организационное и эксплуатационное. Все возникающие проблемы взаимосвязаны между собой, одна проблема влияет на другую или является ее следствием. Но без надлежащего финансирования вряд ли можно будет чего-то достичь. В США на развитие науки и техники выделяется приблизительно 3,5% национального дохода, Великобритании – 2,4%, ФРГ – 2,6%. Можно с уверенностью полагать, что страны, выделяющие на эти цели менее 1%, (Украина выделяет лишь 0,3%), полностью полагаются на случайность и в этом плане не имеют никаких шансов на успех. Пожалуй, самый интересный вопрос: когда можно ожидать существенного улучшения ситуации с конкурентоспособностью украинских предприятий и продукции ? Если активно начать устранять указанные негативные факторы, влияющие на конкурентоспособность, то это может занять десятилетия, если же ситуация останется сегодняшней, то видимо в далеком будущем. Это подтверждается рейтингами, которые показывают снижение конкурентоспособности продукции и главных техникоэкономических показателей. При этом возникнет большая проблема формирования команды, которая действительно сможет это решить. Ответ также однозначен: это должны быть высококвалифицированные специалисты, которые в прошлом не приводили к упадку экономики страны за время ее независимости, не замешаны в коррупции и являются настоящими патриотами и хозяевами. Пока что ни такой команды, ни лидеров нет! Это особо, а может и в основном, относится к высшим ступеням местной и государственной власти. Все нужно и можно преобразовать разумно и справедливо. Главная задача обеспечении конкурентоспособности продукции подразделяется на две последовательные подзадачи: первая - устранение указанных причин выпуска некачественной продукции и вторая – дальнейшая разработка концептуальных основ конкурентоспособности, новых высокоэффективных методов и способов ее обеспечения. Если в первой подзадаче главным является разработка и обязательная модернизация экономической системы, без чего вообще ничего не получится, то во второй – дальнейшая разработка на современном уровне с использованием системного подхода механизма обеспечения высокой конкурентоспособности продукции с дальнейшей доработкой ее концептуальных основ. Естественно подлежит рассмотрению проблема качества, как главного фактора конкурентоспособности, существенного уменьшения затрат при изготовлении продукции (Lean Production), основ управления конкурентоспособностью и методики ее разработки, более точных способов оценки, законодательного сопровождения, кадрового обеспечения. При этом обязательным является решение кадровой проблемы. С одной стороны необходимо наладить в вузах выпуск высококвалифицированных специалистов, с другой – заняться вопросами повышения квалификации конкурентологов непосредственно на производстве. Проблема чрезвычайно сложная, запущенная, связана с экономическими, социальными и политическими факторами. Путь один: выявить и сформировать факторы негативного влияния на конкурентоспособность продукции и начать их постепенно устранять. Другого пути просто нет и удивительно, что этого не понимается. При этом надо почти все переделать, устранив отрицательное влияние факторов на конкурентоспособность украинской продукции, но в первую очередь устранить олигархо-люмпенскую модель экономики. Здесь кстати, полезными будут слова древне-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

греческого философа Антисфена из Афин «Самая необходимая наука - это наука забывать ненужное», а его у нас много. Известны различные методики получения конкурентоспособной продукции. Так перед разработкой продукции необходимо проведение маркетинговых исследований рынка. Здесь, правда, имеется также серьезная задержка - отсутствие специалистов как по маркетингу, так и инженеров-проектировщиков, конструкторов, технологов, менеджеров и т.п. Для успешного выполнения таких задач необходимо будет менять всю организацию работ, как разработки продукции, так и изготовления и эксплуатации. При этом, ничего не нужно будет дополнительно разрабатывать или изобретать: известны проверенные образцы всего, необходимо вначале их перенести и то без «нагибания» в национальные особенности или чего-то другого. Практика уже показала отрицательные результаты такого «усовершенствования», которое фактически направлено на дальнейшее быстрое обогащение. 3. Заключение. Пожалуй, самый интересный вопрос: когда можно ожидать существенного улучшения ситуации с конкурентоспособностью украинской продукции? Если активно начать устранять указанные негативные факторы, влияют на конкурентоспособность, то это может занять десятилетия. При этом возникнет большая проблема формирования команды, которая действительно сможет это решить. Ответ также однозначен: это должны быть настоящие патриоты, квалифицированные специалисты, которые не привели к упадку экономики страны за время ее независимости. Решается это отстранением старой гвардии от управления конкурентоспособностью вначале на законодательном уровне, затем исполнительном по величине причиненного ущерба. Это особо, а может и в основном, относится к высшим ступеням местной и государственной власти. Такие примеры также известные в мировой практике, но их использование в современных условиях стало уже невозможно, поскольку власть и в дальнейшем принадлежит им и в этом направлении ничего не делается. Можно отметить также применение двойных стандартов и разрыва между тем, что декларируется и делается, избирательность законодательства и многое другое. Все нужно и можно сделать разумно и справедливо. Слабая надежда на улучшение ситуации связана с переизбранием президента, квалифицированного и работоспособного парламента и правительства. ЛИТЕРАТУРА: 1. Шабайкович, В. А. Управління забезпеченням конкурентоспроможності продукції / В. А. Шабайкович. – Луцьк: ЛНТУ, 2014. – 284 с. – ISBN658-018-562-012. 2. Григор’єва, Н. С.Науково-технологічні основи гнучкого модульного автоматичного складання виробів / Н. С. Григор’єва // Монографія – Луцьк: Надстир’я, 2008. – 520 с. – ISBN 978-966-517-618-3. 3. Шабайкович, В. А. Управління забезпеченням якості продукції / В. А. Шабайкович. – Львів: ЛІМ. СПДФО «Марусич М. М.», 2015. – 329 с. 4. Шабайкович, В. А. Сучасне виробництво продукції. / В. А.Шабайкович. – Львів: ЛІМ. СПДФО «Марусич М.М.», 2014. – 235 с. 5. Технология автоматической сборки / А. Г. Холодкова, М. Г. Кришталь, Б. Л. Штриков [и др.] – М.: Машиностроение, 2010. – 560 с. ISBN 978-5-217-03412-3. Поступила в редколлегию 16.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

УДК 621.01 1 Chereches

Tudor, 1Lixandru Paul, , 2 Mazuru Sergiu, , 2 Cosovschi Pavel SC UPS PILOT ARM SRL, Dragomiresti, zip code 137210, ROMANIA 2 UTM FIMIT, Str. Studentilor, 9, Blocul de Studii nr. 6, MD-2045, Chisinau, Republica Moldova tudor.chereches@yahoo.com, s_mazuru@mail.utm.md, c.pashag@gmail.com, 1

NUMERICAL SIMULATION OF PLASTIC DEFORMATION PROCESS OF THE GLASS MOLDS CAST IRON The most important indicator of the effectiveness of surface hardening by plastic deformation is the degree of plastic deformation of the surface layer and the remaining tensions. It is also important to understand the depth of their distribution of the surface layer and thereby determine its most dangerous sections. As well as forecasting the necessary modes for the desired result of surface deformation processing and conditions guaranteeing the non-destruction of the treated surface. Keywords: numerical simulation, LS-DYNA, remaining tensions, depth of distribution, numerical solution Т. Керекеш, П. Ликсандру, С. Мазуру, П. Косовский КОМПЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЧУГУНА ФОРМОКОМПЛЕКТОВ СТЕКЛОТАРЫ Важнейшим показателем эффективности поверхностного упрочнения при пластической деформации является степень пластической деформации поверхностного слоя и величину остаточных напряжений. Также важно знать глубину их распределения по поверхностному слою и тем самым влиять на наиболее опасные участки. А также подобрать необходимые режимы обработки для требуемой степени пластической деформации поверхностного слоя и величину остаточных напряжений, гарантирующих неразрушение обработанной поверхности. Ключевые слова: компьютерное моделирование, LS-DYNA, остаточные напряжения, глубина распространения, численное решение.

1. Introduction In the conditions of the modern trend of production, namely the constant growth of the production rate of glass containers and the increasing requirements for quality of molds become a vital search for new design solutions [1,2,3] and the search for new technological approaches to solving the problem of the quality of the surface layer while simultaneously increasing its durability. Modern molds for the production of glass containers are complex and expensive tools with a huge amount of combined machining, with a large number of different systems for vacuuming, vertical and axial cooling of various zones and sometimes special blocking of heat transfer [2, 3]. High requirements for durability of molds make it necessary to use expensive and very high quality materials such as lamellar cast iron and sometimes bronze. All these nuances make a very important scientific approach to building a process of quality improvement and ensuring high durability. The numerical simulation of plastic deformation process of the glass molds cast iron means increasing the technological capabilities of the process and its application in areas where previously it was not possible. At the same time, the application of the described method [4] makes it possible to achieve the desired result on the residual stresses in the treated layer without spending a huge amount of expensive material, using expensive equipment and a large amount of time to search for optimal modes. Without the introduction of modern computer technology, it is not possible to provide constant in© Керекеш Т. , Ликсандру П. , Мазуру С. , Косовский П.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

dicators of the quality of the processing process for different batches of materials since the area of work is very limited. 2 . Completing of simulated model. Improving the mechanical properties of the parts and increasing the quality of plastic deformation surfaces in the smoothing process can be determined by using numerical simulation methods by thoroughly analyzing the layer in which the plastic deformations occur. The in-depth analysis of the plastic deformation layer on the smoothing operation is based on the model defined in [5, 6], with some of the improvements specified below. Under the surface undergoing the smoothing process a control layer was delineated, the thickness of which was suggested by the preliminary simulations. In these simulations, it has been found that the thickness of the plastic deformation layer by spherical head grooving does not exceed 0.8 mm, even if the radial working force takes the maximum value of 1000N. This layer, consisting of 4 rows of elements, with varying thicknesses according to the radius is shown in figure 1. The symmetry of the problem allowed the circumferential development of the control layer on a single row of elements. The control layer contains a set of control elements and a set of control nodes. The situation in detail is outlined in Figure 2 together with a very suggestive scheme of identifying the elements and control knots on the rows.

Figure 1. Control layer In the simulation program solving algorithm - LS-DYNA - control elements and nodes occupy a privileged position. In addition to the general solution to the problem, the numerical simulations underpinning the deformed plastic layer focus particularly on the history of field functions, displacements, deformations and stresses in control elements and nodes, provided that they are declared in command file. Initial rust on the surface subjected to processing was randomly generated, corresponding to the raw turning operation. The material model was improved by replacing the ap-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

proximate Johnson-Cook with a real plastic material characteristic, determined by its own experimental determinations as outlined in Figure 3. The material curve is also associated with the material's viscosity effect, which is most strongly felt in the tool contact area, when its spherical head passes over the material. Quantitatively, the viscosity effect is introduced by the Cowper-Symond method, with the coefficients set forth in sub: C = 7200 s-1 and p = 3.32. The flow-rate scaling method was used. The characteristic plastic curve, determined by compression tests, up to the yield limit ɛpl = 0.25, was added an extension that provided the material resistance up to at least ɛpl = 0.4. This correction is justified for the stresses that occur in the smoothing operation - compression in the three directions, as is the case with the BRINELL hardness tests analyzed in [4, 5], where the values of the actual plastic deformation over 0.4 without the material yielding. Considering that the process benefits from optimal lubrication, the friction coefficient between the material and the sphere head of the tool was reduced from 0.08 to 0.05. In order to increase productivity and to reduce simulation calculation effort, the axial feed was increased from 0.09 mm / turn to 0.16 mm / rot. The plastic deformed layer was analyzed by numerical simulation for two power steps, 500 N and 1000 N, following several important aspects such as:

Figure 2. Control layer - control elements and nodes.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Fig. 3. Average plasticity characteristic for batch no. 1 Figure 3. Average plasticity characteristic for batch no. 1 • In-depth production and development of plasticity; • residual tensions status; • the tensions status in the contact area; • Improving surface quality by smoothing. Production and in-depth development of the plasticity in the control layer Was the analysis performed for each test case considering two deformation states an intermediate state and a final state. Figures 4 and 5 are the actual plastic deformations produced at 500 N smoothing. It is found that in the superficial layer - the first row of elements - the field of plastic deformations is relatively inhomogeneous. One of the causes of deformation of the superficial layer with variable intensities is the presence of asperities. As plastic deformation penetrates in depth, the degree of homogeneity of the field increases. The edge effect is obvious. The free, front surfaces of the blank give freedom of axial movement, which reduces the intensity of effective plastic deformation. Except for the edge areas of the blank, it can be considered that the smoothing operation solves the problem of hardening of the material on the surface with a working force of 500 N. Thus, on this surface the flow tensions increases from an initial value of 215 MPa to at least 400 MPa in the weakest areas. On the detail in Figure 5 it can be noticed that the plastic deformation varies monotonously, decreasing as intensity as it penetrates into the material. For this work force, the last row of items is very little affected. The results obtained at the 1000N force simulation, graphically represented in Figures 6 and 7, highlight the same edge effect. In terms of homogeneity, there is an improvement in the first row of elements. With 1000 N force, the hardening on the outer surface increases accordingly to a min. 420 MPa, according to the material curve. However, this is a remarkable fact, namely that the maximum intensity of the actual plastic deformation is achieved in the substrate. On the details of the two figures we can see a concentration of effective plastic deformations at the level of the second row of nodes. In this working regime, effective plastic deformation no longer decreases monotonously by thick-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

ness, because it has a maximum in the substrate. This time, the last row of elements is also plasticized.

Figure 4. Superficially deformed plastic layer in the smoothing process with Fr = 500 N - intermediate state.

Figure 5. Superficially deformed plastic layer in the smoothing process with Fr = 500 N - final state.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

The importance of having maximum values below the surface of the surface will be analyzed later on as a whole with the tensions state. Referring to the findings of the Brinell hardness test on the strength of the material in the predominantly compressive stress state, it can be determined that the plastic deformation process that occurs during the smoothing operation with forces up to 1000 N is not dangerous if ensures good lubrication. After this analysis one can find that one of the purposes of the smoothing process improvement of the mechanical characteristics, strength and hardness - is achieved due to the plastic deformation of the superficial layer. The higher the plastic deformations, the harder the material becomes (the ecruise is produced). For the 4 mm radius spherical head tool, it can be determined from this analysis that 1000N force machining has the best mechanical effects without compromising the integrity of the machined parts. The production of plasticity and its evolution over time in the superficial layer of the blank can be analyzed on the graphs in Figures 8 and 9. In these graphs the time functions of the actual plastic deformation are plotted on a part of the control elements chosen in four equidistant groups, each containing four elements per thickness. To be more suggestive, the graphs are oriented after the tool moves, the abscissa being related to the position of the center of the spherical head. A clearer emphasis on the variation in the depth of the control layer was represented by the representation of the deformation values, not on the nodes as before, but in the center of the elements. In the representations of the fields in Figures 8 and 9, the integer element was assigned the value calculated in its center without interpolation. The analysis of these graphical representations reveals that the plastic deformations increase in stages at equal intervals with the axial feed of 0.16 mm /tur. Deformations vary only during the interaction between the elements and the ball head of the tool. In charts, the elements on the same row are represented by the same color, close to the predominant representation of the actual plastic deformation field on the elements. Generally, charts are well grouped in color, which shows good homogeneity. As has been noted, the in-line ranges have a better homogeneity. The graphs of the two figures show much more clearly from the previous representations of the variation of effective plastic deformation over the thickness of the control layer. If the deformation decreases monotonously when machining with a work force of 500N, the highest values taken outwardly at the 1000N force processing result in a reset of the maximum values. In figure 9, it is clear from both the deformation field and the graph that the maximum values occur in the substrate, that is, at the level of the discretization adopted, in the second row. Some quantitative assessments can be made on the graph. Thus, if in the elements adjacent to the processed surface the actual plastic deformations do not exceed the value of 0.3, increments up to 0.38 are made in the next following items. As mentioned above, the problem of the increase of plastic deformation in the substrate will be addressed together with the problem of the local tension state. 3. Residual stresses in cylindrical semifinished products after the smoothing operation For bodies with axial symmetry, the stresses in the cylindrical coordinates are relevant. The cylindrical system adopted for the representation of tensions keeps the z axis of the Cartesian system, the r and t axes being in the xoy plane, the polar angle, measured from the Ox axis, being α.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Figure 6. Superficially deformed plastic layer in the smoothing process with Fr = 1000 N - intermediate state

Figure 7. Superficially deformed plastic layer in the smoothing process with Fr = 1000 N - final state.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Figure 8. Production of plasticity in the superficial layer of the blank during the smoothing process with force Fr = 1000 N - representation on the control elements.

Figure 9. Production of plasticity in the superficial layer of the blank during the smoothing process with force Fr = 500 N - representation on the control elements.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

The LS-DYNA code, through which numerical simulations have been performed, provides field functions in the Cartesian coordinates, for tensions σx, σy, σz, τxy, τyz, τζx.For the transformation of these tensions in the cylindrical coordinates we use the relations: ; (1) ;

(2) (3) ;

;

(4) (5)

(6)

In the spreadsheets, the stresses taken from the simulated solutions from the Stage_Rem-500 and Stage_Rem-1000 files and the center coordinates from the CENT-500 and CENT-1000 files were introduced. Tensions in cylindrical coordinates were calculated on columns, using relations (3). The calculated data was eventually transferred to graphical representation files for both Sr, St, Trt, Trz and Ttz variants. The file for σ_z, Sz was taken unchanged. Residual tensions states in the blank in the cylindrical coordinates are represented in figure 10 for Fr = 500 N and figure 11 for Fr = 1000 N. In these figures, each tension has its own scale of representation. For the clarity of the images, stairs have been adjusted, rounding the values from the ends to the tens. It is found, in the analysis of both figures, that the remaining tensions are concentrated in the vicinity of the processed surface and on it. There is a rapid decrease in tension intensity as far as the plastic deformation layer is concerned. Here, as in the case of the plasticizing layer analysis, the edge effect which negatively influences the homogeneity of the residual stresses and consequently the mechanical properties is noticeable. For simulation with a force of 1000 N, the extreme circumferential stress in the substrate is detected, along with other previous findings in this respect. In conclusion, the tension fields remaining after the smoothing operation show that it achieves one of the main purposes in which it is applied - the superficial hardening of the material. 4. Local stress analysis In the contact area between the sphere head of the tool and the material of the blank, a local dynamic state of tension is produced which results in elastoplastic deformations. When the local action of the contact forces ceases as a result of the movement of the two bodies, the material remains in the deformation and tension states. The stress state analysis that produces plastic deformation is necessary to highlight some properties characteristic of elastoplastic dynamic contact. For the analysis, an intermediate sequence of the smoothing operation (t = 6.71 s) was retained, provided that the theoretical contact point overlaps on a node of the blanket network, a condition allowing the realization of the interpretational representation sections. The analysis of this problem was done only for the case of smoothing with maximum force Fr = 1000 N. In Figure 12, in the central part, the contact pattern in action is represented. In order to

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Figure 10. Remaining tensions after the 500 N force-sweeping operation represented in cylindrical coordinates [MPa]

Figure 11. Rendering stresses after the 1000 N smoothing operation represented in cylindrical coordinates [MPa]

clearly illustrate the local effect of the contact, a limited portion was extracted from the sectioned piece at several rows of elements, large enough to accommodate the variation of the tensions field. The representations of the fields of these tensions, centered on the contact, allow several conclusions to be drawn for this analysis. First, it is found that the three main stresses

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

produce compressions in the three directions with intensities (640 MPa, 780 MPa, 1220 MPa) that exceed the unidirectional resistance of the material even three times. Working simultaneously, the three main stresses produce a hydrostatic majority state at a maximum pressure of 880 MPa. For this condition, the stresses that give resistance to the Sig_vM and Tau_max material, affected and viscosity, have the maximum values on the material curve. Consequently, for the predominantly compressive stress that occurs at the contact between the tool and the work piece, at smoothing with a force of 1000 N, respecting the conditions of good lubrication (coefficient of friction of 0.05), the resistance of the material can not be considered to be impaired. Secondly, it can be clearly seen, on the representations of the stresses Sig_vM and Tau_max, that their maximum values are realized in the substrate. This stress distribution based on the failure criteria, effective tension and maximum tangential tension suggests the risk of milling, thawing, micro expression or short pitting. Pitting occurs under certain working conditions when the work force limit has been exceeded or when working with inappropriate lubrication, or worse, when there is no lubrication. This undesirable phenomenon occurs as a result of the relative sliding of the layers of material, mainly produced by the maximum tangential stress. When this size exceeds the yield value, particulate matter is released in the form of scales. This explanation, as a consequence of the numerical simulations, supports the experimental finding of the grinding of the processed surface when the working regime is out of the parameters. In preventing pitting, proper lubrication plays a determining role. Another finding, visible on the larger scale representations in Figure 12, is to improve the surface quality of the surface by smoothing. A quantitative approach to this effect will be made in the next paragraph. With the evaluation of the surface quality subjected to the smoothing process, the analysis by numerical simulation of the plastic deformed layer ends with the following conclusions: • the smoothing process applied to the cast iron parts has the effect of increasing mechanical properties on the surface, making them more resistant to mechanical stresses and wear; • by smoothing the roughness is greatly reduced and consequently interaction between the parts subjected to this process and the conjugate medium (e.g., the glass paste) is done with reduced friction forces, thereby reducing adhesion; • Under certain working conditions, pitting can occur during the smoothing process. This undesirable phenomenon can be avoided by limiting work forces and providing optimal lubrication; • Some measures are required to reduce the edge effect such as: rounding or edging of edges, strength control, design of continuous and smooth shapes. 5. Conclusion 1. In these simulations, the maximum thickness of the deformed plastic layer by spherical smoothing is found to be very thin and does not exceed 0.8 mm, even if the radial work force takes the maximum value of 1000N. 2. This simulation highlights a remarkable fact, namely that the maximum intensity of the actual plastic deformation is achieved in substrate causing exfoliation. 3. Two-fold increase in processing power (from 500 N to 1000 N) provides flow tensions increases only 5 percent. 4. This simulation makes it possible to estimate as a percentage the numerical value of the actual plastic deformations.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Figure 12. Tension state in the contact area produced by the force Fr = 1000 N - representations on details centered on the contact [MPa].

REFERENCES: 1. Cosovschi P. Îmbunătăţirea răcirii componentelor seturilor de forme pentru formarea sticlelor // Buletinul institutului politehnic din Iaşi. – 2008, vol liv. – p. 45-48. 2. Mazuru Sergiu, Cosovschi Pavel. Brevet Nr. MD 4143. Dispozitiv pentru turnarea produselor din sticlă prin metoda de aspiraţie cu vacuum, B2 2011.12.31. 3. Mazuru Sergiu, Cosovschi Pavel. Brevet Nr. MD 358. Echipament de prefasonare pentru maşina automată de formare a produselor din sticlă cu gât îngust, Y 2011.04.30. 4. Cherecheş T., Lixandru P., Mazuru S., Cosovschi P., Dragnea D. Numerical simulation of plastic deformation process of the glass mold parts // „Applied mechanics and materials”. – vol 657. – pp 126-131. – 2014 trans tech publications, Switzerland. 5. Cherecheş T., Lixandru P., Mazuru S., Cosovschi P., Dragnea D. Numerical simulation of plastic deformation processes from cast iron parts, Academic journal of manufacturing engineering, 2014. – vol. 12. – issue 2. – p. 29-36. 6. Cosovschi P. Simularea numerică a procedeelor de netezire şi de durificare// Fizica şi tehnică, 2013. – vol.2. – p. 28-33, or.Bălți. Поступила в редколлегию 17.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

К 621.85.05-034 M. G. Harutyunyan, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, S. D. Ghazaryan, Candidate of Technical Sciences, N.B.Zakaryan, Candidate of Technical Sciences, S.S. Shahinyan, Candidate of Technical Sciences. National Polytechnic University of Armenia, Yerevan, Armenia. Tel / Fax: +374 (093) 998840; E-mail: mharut@seua.am PASSIVE BALANCING SOLUTION FOR A HUMAN WALKING AND SITTING ASSISTIVE EXOSKELETON The design results and comparative analysis of statically balanced wearable assistive exoskeleton for human walking and sitting are outlined: their advantages, disadvantages and development prospects are indicated.A new constructive scheme of the controlled exoskeleton for passive balance during walking and sitting is described.The portability and compactness of the device are achieved by reducing the quantity ofbalancing elements. The application of new constructive solutionsallows both to use the same elementsfor implementing various functions and to switch the device into the required mode of operation easier. The designed device can be used for the human musculoskeletal system assisting and for its physiotherapy. Moreover, the proposed approach to the balancing devices design is universal and can be applied not only for assistive devices designing, but also for manipulating devices with leverageswinging links, in general. Keywords: rehabilitation device, static balancing, exoskeleton, leverage mechanism, spring. М. Г. Арутюнян, С. Д. Казарян, Н. Б. Закарян, С. С.Шагинян АССИСТИРУЮЩИЙ ЭКЗОСКЕЛЕТОН ДЛЯ ПАССИВНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПРИ ПРИСЕДАНИИ И ХОДЬБЕ ЧЕЛОВЕКА Изложены результаты проектирования и сравнительный анализстатически уравновешенных одеваемых ассистирующих устройств для ходьбы и приседания человека, указаны их преимущества, недостатки и перспективы усовершенствования. Описана новая конструктивная схема регулируемого экзоскелетона для пассивного уравновешения при ходьбе и приседании. Портативность и компактность устройства достигнуты путем сокращения числа уравновешивающих элементов, а применение новых конструктивных решений обеспечивает как использование одних и тех же элементов для реализации различных функций, так и легкость переключения устройства в нужный режим работы. Спроектированное устройство может быть применено как для ассистирования опорнодвигательной системе человека, так и его физиотерапии. Более того, предложенный подход к проектированию уравновешивающих устройств универсален и может быть применен при проектировании не только ассистирующих, но и вообще для манипуляционных устройств с рычажными качающимися звеньями. Ключевые слова: реабилитационное устройство, статическое уравновешивание, экзоскелетон, эластичный элемент, пружина,

1. Introduction. The assistive devices such as passive exoskeletons and orthoses, designed to rehabilitate and support the human musculoskeletal system functions, are basically performed by the leverage mechanisms [1-9].Their use forms a biomechanical system of device and human body. The gravitational forces and their moments act on the system links. The gravitybalancing of these links plays a significant role in these systems design and application process. The authors have proposed a gamma of assistive balancing devices for human walking [2] and sitting [3,6], as well as universal devices-assistants for walking and sitting [4, 5-9] (Fig. 1), in which the cylindrical springs where used.Moreover, in the view of spring’s contra directional action during walking and sitting, the authors have suggested two ways for design© Harutyunyan M.G., Ghazaryan S.D., Zakaryan N.B., Shahinyan S.S.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

ing the constructions for the last group of assistant devices. The first construction includes individual springs for each mode of operation [4], andthese springs are connecting and disconnecting to the biomechanical system alternately. The second scheme uses single spring and an element, e.g. cam [7], roller [7,8] or semi-roller [9], regulating spring orientation. Analysis of the proposed devices revealed their advantages and disadvantages, particularly, despite the schemes simplicity and the possibility to achieve the human legs exact static balancing during walking, they provide only human body partial balance during sitting. Based on the human walking and sitting assistive devices design experience and human body biomechanics empirical correlations, it can be statedthat the ratio between leg segment’s total gravity moment relative to the hip joint and the body total gravity moment relative to the knee joint is approximatelyone to three in average statistics.It is obvious that the balancing spring’s moments and forces must comply with this ratio. Thus, human body exact balancing at sitting is possible in principle, but we must have three times more cumbersome spring than for walking, which is an obvious disadvantage of the presented schemes.

a) [2,4]

2 3

b) [3,6]

c) [4,5]

e)[7,8]

f)[9]

6 B

5' О r1

C lsp

d) [7]

Figure 1. Assistive devices: a - for walking; b - for sitting; c - for walking and sitting with two cylindrical springs; d, e, f- for walking and sitting with one cylindrical spring and a regulating mechanism: d - with a cam, e - with a roller, f - with a semi-roller.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Another disadvantage of proposed devices is that significant effort is required from this device user when switching balancing modes, since during switching the initial tension of the balancing spring was reduced to zero. The aim of this work is to design a new portable passive balancing exoskeleton for human walking and sitting, which uses a spring with the possibly lowest stiffness coefficient and dimensions, and also ensures the device switching into each of its operation modeseasier. 2. Human balancing by means of the adjustable portable exoskeleton. Let's consider the structural scheme of the device-assistant of human walking and sitting.It is a three-links flat leveragemechanism with rotational kinematic pairs, superimposed on the human body from each of its sides, and with balancing cylindrical tension springs. The similar leveragesystems were repeatedly presented by authors in their previously published papers [2-9]. Here, the system is equipped with the regulating slider mechanism 6 to convert the directions of springs’actions and forces. Due to its mirror symmetry, the device is described only on the one side (Fig. 2). With each mode of operation, the system can be simplified and considered as a 1-DOF swinging link with reduced mass at its free end, i.e., where the thigh link 2 swings relative to the hip joint O on an angle , the shin together with the foot are represented by a concentrated mass, or the thigh link 2 swings relative to the knee joint D, and the mass of one arm and half mass of the torso and head are given by massof the link 1. In the second mode of operation (sitting), in order to device becomes a single-motion mechanism, it is necessary to add a telescopic link 7 to connect links 1 and 3, the length of which should be fixed by fixator 8 only during sitting.

а)

б)

Figure 2. Walking and sitting assistive devices with a regulating slider: a - in walking mode; b - in sitting mode. 1, 2, 3 — device links, 4 — spring, 5 — cable, 6 — adjusting slider, 7 — additional telescopic link used for sitting. To balance the system, we use a linear cylindrical tension spring of non-zero free length, the stiffness coefficient of which is chosen from the condition of leg segments’ exact balancing in walking mode.The spring is fixed along the thigh link from the knee side and to

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

its free end the cable 5 is connected, which by passing through point A is retracted to the regulating slide (point B) and fixed behind it (see Fig. 2).Here, the stiffness coefficient value is regulated by the ratio of the OAB triangle sides OA and OB, and if they are not equal, then the cable must be pulled out of the slider and fixed at the distance of their difference (OAOB).Herewith, for this balancing system we obtain the power characteristics close to the version where zero free length springs were used [1, 2]. With such a structure, the leg is indifferently balanced throughout the swinging angle variation in entire range of angle . In walking mode the maximum force developed by the spring reaches in the human standing position. Exactly and only in the standing position the slider easily moves to point Cputting the device into a sitting mode and further forcing the system to change its balancing direction and partially balance the human body during sitting. By the distance of slider fixation point the system inevitable partial imbalance desired limits are regulated. The spring maximum tension of the walking mode becomes the initial tension for the sitting mode, this effect is used for approximate balancing of the effective gravitational moments during sitting. If we don’t provide such a tension (for cable and spring), the exact static balance during sitting still can be done, but it will be necessary to increase the distance OC three times, which is not so acceptable when designing a small-sized assistive device. 3. Conclusion. We consider a number of constrictive schemes of portable assistive devices for human walking and sitting which arestatically balanced by cylindrical tension springs. Advantages, disadvantages and development prospects of these devices are shown. The new improved constrictive scheme of the controlled exoskeleton is proposed.It passively balances the user's body during sitting and walking, and has slider controllers which ensuring ease switching of operation modes. The telescopic link is added to the design to ensure the comfort and smoothness positioning for human during sitting. The cylindrical tension spring use in the construction suggests the possibility to realize the leg’s exact static balance during walking and bodypartial balance during sitting.Relative to the previous ones, such a scheme does not require a high rigidity spring for system balancing, however, it requires a rather large stretch range. In the future, constructive solutions with a spring arrangement allowing to eliminate this disadvantage will be presented. Designed device can be used both for assisting the human musculoskeletal system and its physiotherapy. Moreover, the proposed design approach is quite universal and can be used in designing not only assistive, but also other manipulation devices with swinging arms (links). The main achieved advantages of the device are its versatility, compactness, adjustability and comfort in comparison with the known analogues, also ensuring the loads and angular displacements ranges dosing, i.e., the high efficiency during human physiotherapy. The constructive design (figuration), prototype model preparation, experimental research and testing of the proposed device are assumed at the next stages of the ongoing project. The work was performed in the framework of the project 18T-2D236, funded by the State Committee on Science under the Ministry of Education and Science of the Republic of Armenia.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

REFERENCES: 1. Agrawal Sunil K., Fattah Abbas. Gravity Balancing of a Human Leg using an External Orthosis [Text] // IEEE International Conference on Robotics and Automation. – Roma, Italy, 10-14 April, 2007.– P. 3755-3760. 2. Arakelian V., Ghazaryan S. Gravity balancing of the human leg taking into account the spring mass. Proceedings of the 9th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), Brussels, Belgium, 12-14 September 2006.– P. 630-635. 3. Ghazaryan, S.D. The design of exoskeleton-assistant of human sit-to-stand / S.D. Ghazaryan, S.A. Sargsyan, Harutyunyan, V.H. Arakelyan // Proceedings of Academy of Armenia and SEUA (Polytechnic). – Yerevan, Armenia, 2011. –-LXIV. – No.2. – P. 121-128. (Rus.) 4.Sargsyan S.A., Ghazaryan S.D., Arakelyan V.H., Harutyunyan M.G. The design of exoskeleton-assistant of human walk and sit-to-stand // Proceedings of Academy of Armenia and SEUA (Polytechnic), - Yerevan, Armenia, 2011.-LXIV, No.4, P. 343-349. (Rus.) 5.Harutyunyan M.G., Ghazaryan S.D., Sargsyan S.A., Arakelyan V.H. Balancing of exoskeleton-assistant of walking and sitting // Mechanical Engineering and Technosphere of the XXI century // Proceedings of the XVIII International Scientific Conference in Sevastopol, 12-17 September 2011 in 4 volumes. - Donetsk: Donetsk National Technical University, 2011. T. 4. On the 37-40. (Rus.) 6. Ghazaryan, S.D. Design concepts of quasi-static balanced multipurpose exoskeletons / S.D. Ghazaryan, M.G. Harutyunyan, V.H. Arakelyan // Proceedings of Engineering Academy of Armenia, Issue 16. – № 2 – Yerevan, 2013 – pp. 46-50. (Rus.) 7.Ghazaryan, S.D. Разработка конструкций портативного ортеза для ходьбы и приседания. / S. D. Ghazaryan, M. G. Arutyunyan // Вестник НПУА. “Механика, машиноведение, машиностроение”. – Ереван, 2017. – №2. – С. 43-52. 8.Ghazaryan S.D., Arutyunyan M.G. Development of a portable orthosis for human walking and sitting // Proceedings of National Polytechnic University of Armenia. Collection of scientific articles. – Yerevan, 2018. – N2. – P. 435-439 (Rus). 9.Ghazaryan S. D., Harutyunyan M. G. The Designof Multi-purpose Portable Movable Orthosis // ROMANSY 2018. 22nd CISM IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control, June 25-28, 2018, Rennes, France. – P. 296-303. Поступила в редколлегию 20.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

СОДЕРЖАНИЕ Амбросимов С.К., Морозова А.В. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАЗРУШЕНИЯ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ СНИЖЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИ УПРОЧНЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

Богуцкий В. Б., Шрон Л. Б. О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ С ПРЕРЫВИСТЫМ ПРОФИЛЕМ НА ОПЕРАЦИЯХ ПЛОСКОГО ШЛИФОВАНИЯ …………….…………………….......................................................

Михайлов Д. А., Пичко А. П., Шейко Е. А., Михайлов А.Н. МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ……………………...

Нечепаев В. Г., Шабаев О. Е., Степаненко Е. Ю., Зинченко П. П. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЫЕМКИ ТОНКИХ ПОЛОГОНАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ………………………………………………… 26 Овчинников Е. В. ВЛИЯНИЕ КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.. 35 Саргсян А. С. ДИФРАКЦИЯ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ СДВИГОВОЙ ВОЛНЫ НА КРАЕ ПОЛУБЕСКОНЕЧНОЙ ТРЕЩИНЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОСТАВНОЙ СРЕДЕ……………………………...…………………………………

Сосновский И. А., Белявин К. Е., Белоцерковский М. А., Курилёнок А. А. ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКИ МНОГОСЛОЙНЫХ И ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ………………………………

Файрушин А. М., Яковлева Д. Н. ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЗЛОВ ОТВЕТВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С УКРЕПЛЯЮЩИМИ (НАКЛАДНЫМИ) КОЛЬЦАМИ……………………………………………………………………………

Хавлин Т. В., Михайлов Д. А., Михайлов А. Н. МЕТОД РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРА ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ…………………

Шабайкович В. А., Григорьева Н. С. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКЦИИ………………………………………………………………………….

100

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 2(65)’2019

Chereches T., Lixandru P., Mazuru S., Cosovschi P. NUMERICAL SIMULATION OF PLASTIC DEFORMATION PROCESS OF THE GLASS MOLDS CAST IRON …………………………………………………………

Harutyunyan M.G., Ghazaryan S.D., Zakaryan N.B., Shahinyan S.S PASSIVE BALANCING SOLUTION FOR A HUMAN WALKING AND SITTING ASSISTIVE EXOSKELETON…………………………………………………………

101

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

Амбросимов С. К. Белоцерковский М. А. Белявин К. Е. Богуцкий В. Б. Григорьева Н. С. Зинченко П. П. Курилёнок А. А. Михайлов А. Н. Михайлов Д. А. Морозова А.В. Нечепаев В. Г. Овчинников Е. В. Пичко А. П. Саргсян А. С. Сосновский И. А. Степаненко Е. Ю. Файрушин А. М. Хавлин Т. В. Шабаев О. Е. Шабайкович В. А. Шейко Е. А. Шрон Л. Б. Яковлева Д. Н. Chereches T. Cosovschi P. Ghazaryan S.D. Harutyunyan M.G. Lixandru P. Mazuru S. Shahinyan S.S. Zakaryan N.B

3 52 52 10 77 26 52 16, 65 16, 65 3 26 35 16 43 52 26 58 65 26 77 16 10 58 83 83 95 95 83 83 95 95

102

№1(64)’2019

ПРАВИЛА представления материалов в международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ» Международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» издается с 1994 года. В этом сборнике публикуются ученые и специалисты более чем из 30 стран мира. Сборник научных трудов является специальным изданием, научно-технические статьи которого проходят обязательное рецензирование. Данный сборник включен в следующие программы: 1. В сборнике могут публиковаться научно-технические статьи и результаты диссертационных работ. 2. Сборник включен в перечень ВАК ДНР (приказ № 774 от 24.07.2017 г.). 3. Сборник имеет сайт http://ptsm.donntu.org, а также размещен на сайте кафедры «Технология машиностроения» ДонНТУ, г. Донецк: http://tm.donntu.org 4. Сборник включен базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.) и размещен на сайте НЭБ (Научная электронная библиотека, г. Москва, Россия, http://elibrary.ru 5. Данный сборник имеет международную индексацию ISSN 2073-3216 (печат-

ная версия) и ISSN 2518-7120 (сетевое издание) Статьи представляемые в данный сборник должны отвечать следующим требованиям. Содержание статей должно отражать новые достижения науки и техники в области машиностроения, их практическое значение, соответствовать технической направленности сборника и представлять интерес для широкого круга специалистов. В статье должно быть кратко изложено то новое и оригинальное, что разработано авторами, показано преимущество перед аналогами предлагаемых разработок, описаны их особенности и практическая значимость. Результаты работы не должны представляться в виде тезисов. Ответственность за нарушение авторских прав, за несоблюдение действующих стандартов и за недостоверность в статье данных полностью несут авторы статьи. Присланные в редакционную коллегию статьи подвергаются обязательному рецензированию. Редакционная коллегия оставляет за собой право вносить в текст статьи изменения редакционного характера без согласования с авторами, а также не публиковать статьи, которые не отвечают нашим требованиям. Языки представления рукописей: русский, украинский и английский. ОСНОВНАЯ ТЕМАТИКА СБОРНИКА Тематика представляемых статей должна основываться на проблемах машиностроения (механики) и представляться в рамках следующих направлений: 1. Практика и перспективы создания и применения прогрессивных и нетрадиционных технологий машиностроения. Интегрированные технологии. Сборка в машино и приборостроении. Абразивные и виброабразивные технологии. Гибридные и комбинированные технологии машиностроения. 2. Механизация и автоматизация производственных процессов машиностроения. Прогрессивное оборудование машиностроительных производств.

103

3. Комплексная автоматизация проектирования, подготовки и управления машиностроительным производством. 4. Проблемы создания и применения прогрессивных инструментов и инструментальных материалов в машиностроении. 5. Управление качеством продукции и технических систем машиностроения. Проблемы инженерии поверхностного слоя изделий. 6. Современные проблемы машиноведения и деталей машин. 7. Современные проблемы инженерии материалов. Упрочняющие технологии и покрытия изделий машиностроения. Наноматериалы и нанотехнологии в машиностроении. 8. Вопросы моделирования и расчетов сложных технологических систем машиностроения. В рамках сборника можно представлять рекламу продукции, которая будет помещена после рукописей статей. СОДЕРЖАНИЕ СТАТЕЙ Научно-технические статьи, представляемые в данный сборник должны иметь следующие элементы: - постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими заданиями; - анализ последних достижений и публикаций, в которых начато решение данной проблемы, выделение нерешенных раньше частей общей проблемы, которым посвящается данная статья; - формулирование цели и постановка задач работы; - представление основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов, формулирование рекомендаций; - выводы по данному исследованию и перспективы дальнейшего развития данного направления. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Для принятия решения о включении материалов Вашей статьи в сборник необходимо выслать в адрес редакционной коллегии следующее:  заявку и сведения об авторах статьи;  материалы статьи;  экспертное заключение о возможности публикации статьи в открытой печати;  все материалы отправляются по E-mail по адресам: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru . ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ 1. Текст статьи выполняется объемом от 5 до 10 страниц (обязательно полные страницы), формат А4 (210х297 мм) с полями: верхнее и нижнее – 30 мм, а левое и правое - 25 мм. Страницы не нумеровать. Статьи оформить с применением редактора WinWord (не ниже версии 6,0) шрифтом Times New Roman, выполненным в соответствии с образцом оформления, межстрочный интервал - 1,0, шрифт – 12pt. Материалы представить в электронном виде. 2. Порядок оформления. Материалы должны отвечать следующей структурной схеме: УДК, инициалы и фамилии авторов, ученая степень и звание (сокращение по ГОСТ 7.11 и 7.12), полное название организаций и стран, тел./факс, E-mail, название статьи, аннотация на языке статьи, ключевые слова, основной текст, заключение или выво-

104

ды, список литературы, дополнительные аннотации на других языках c ключевыми словами, внизу первой страницы необходимо указать авторский знак - ©. УДК печатать прописными (жирными) буквами в верхнем правом углу не отступая от верхнего поля. На следующей строке слева жирными строчными буквами – инициалы и фамилии авторов с учеными степенями и званиями, на следующих строках – полное название организаций и стран (через запятую, слева). На следующей строке курсивом слева – тел./факс и электронный адрес одного из авторов. Через один интервал - название статьи, печатать прописными (жирными) буквами, без переносов, центрировать по ширине, максимально три строки. Через один интервал - аннотации с ключевыми словами (слово аннотация не пишется) на двух языках шрифтом 10 pt, курсивом. Через один интервал – материалы статьи, шрифт 12 pt (язык изложения – по выбору авторов, межстрочный интервал 1,0). Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Между соответствующими разделами статьи необходимо делать интервал. (См. образец оформления материалов). Абзац текста – 1,25. 3. Графический материал (рисунки, графики, схемы) следует выполнять в формате  .bmp, .gif,  .pсx, .dwg, .jpg - размерами не менее 60х60 мм внедренными объектами (по ходу материалов). Все позиции, обозначенные на рисунке, должны быть объяснены в тексте. Позиции на рисунке должны располагаться по часовой стрелке. Под каждым рисунком указывается его номер и название, например: Рисунок 3. Схема устройства. Текст названия рисунка группируется с рисунком. Каждый рисунок должен иметь один интервал сверху и снизу. 4. Формулы и математические знаки должны быть понятны. Показатели, степени и индексы должны быть меньше основных знаков и выполняться в соответствии с редактором формул Microsoft Equation. Формулы номеруются (справа в круглых скобках, не отступая от правого поля), только в том случае, если на них в тексте имеются ссылки. Между крайними знаками формулы и текстом должен выполняться один интервал. Формулы выполняются курсивом. Стиль формул для Microsoft Equation: Full - 12 pt, Subscript/Superscript - 10 pt, Sub-Subscript/Superscript - 8 pt, Symbol - 12 pt, Sub-Symbol - 10 pt. 5. Все таблицы должны иметь название и порядковый номер и располагаться после упоминания по тексту, например: Таблица 2. Классификация муфт. Каждая таблица должна иметь один интервал сверху и снизу. 6. Список литературы должен быть приведен в конце статьи в соответствии с ГОСТ 7.1-2003 . Перечень ссылок должен быть составлен в порядке упоминания в тексте. Ссылки на литературу заключается в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет. 7. Файл со статьей необходимо назвать по фамилиям и инициалам авторов в соответствии с работой (например: Иванов И.И., Петренко П.П.) 8. Материалы статьи представляются в электронном виде. 9. Материалы, не отвечающие перечисленным требованиям и тематике данного сборника, а также поступившие в редакционную коллегию с опозданием, опубликованы не будут.

105

СТАТЬИ ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ СЛЕДУЮЩУЮ СТРУКТУРУ:

1. УДК (Например, УДК 621.01) (располагать вверху справа, шрифт жирный, 12 pt). 2. Инициалы и фамилии авторов (cлева, шрифт жирный, 12 pt), ученая степень и звание, затем на следующей строке - полное название организаций и стран (слева, 12 pt), на следующей строке – Тел./факс и электронный адрес (слева, курсив, 12 pt). 3. Название статьи (слева, шрифт жирный, 12 pt, максимум три строки). 4. Пустые строки, межстрочный интервал и размеры шрифта статьи. Пустые строки выполняются между названием статьи - вверху и внизу, перед соответствующими разделами работы (один пробел) и списком литературы, а также между дополнительной аннотацией вверху и внизу. Межстрочный интервал – 1,0. Размер шрифта статьи - 12 pt, размер шрифта аннотаций и авторского знака - 10 pt. 5. Аннотации (Abstract) (слово аннотация не пишется), (курсив, 10 pt). Первая аннотация пишется на языке статьи, а вторая на английском, если статья на английском языке, первая аннотация пишется на английском языке, а вторая – на русском языке. В аннотации приводятся краткие сведения о всей статье в целом на языке статьи. Объем аннотаций приблизительно до 10 строк, аннотация выполняется курсивом. 6. Ключевые слова (Keywords) (приводится 5-6 ключевых слов статьи), выполняются курсивом на следующей строке от аннотации. (курсив, 10 pt) 7. Введение (Introduction). (12 pt) Во введении приводится аналитический (исторический) обзор современного состояния вопроса исследования, выполняется постановка проблемы исследования или показывается актуальность данного исследования (работы). Здесь нужно обязательно указать результаты последних исследований других авторов. А также сформулировать цель и задачи исследований. 8. Основное содержание и результаты работы (The main contents and outcomes of activity). (Авторы могут дополнять работу другими разделами) (12 pt). В данном разделе излагаются и подробно разъясняются полученные авторами теоретические положения и практические результаты. Приводятся принятые гипотезы и используемые допущения, разъясняются малоизвестные термины, аббревиатуры и условные обозначения. Для теоретических положений приводятся их доказательства и необходимые математические преобразования. Для экспериментальных исследований кратко описываются методики их проведения, способы обработки данных и результаты проверок адекватности и достоверности результатов. 9. Авторский знак. Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Например: © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2017 (10 pt). 10. Заключение (Conclusion) (12 pt) В заключении излагаются выводы по полученным авторами результатам, описываются примеры их практического применения, предлагаются рекомендации относительно их использования, приводятся выводы, а также указываются перспективы дальнейших исследований по данной проблематике. 11. Литература (References). (12 pt) Список литературных источников должен быть составлен в порядке ссылок на них. Ссылки на литературу в тексте статьи заключаются в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5-6, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет.

106

АДРЕС РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ: ДНР, 283001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДонНТУ, кафедра «Технология машиностроения», Редакционная коллегия сборника. Тел./факс: +38 062 305-01-04. E-mail: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru http://ptsm.donntu.ru

 Публикация статей в международном сборнике научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» - выполняется бесплатно

Образец оформления материалов

УДК 621.85.05-034(12 pt) И. И. Иванов, д-р техн. наук, проф., П. П. Петренко, асcист. (12 pt) Донецкий национальный технический университет, ДНР (12 pt) Брянский государственный технический университет, Россия (12 pt) Тел./Факс: +38 (062) 3050104; E-mail: tm@fimm.donntu.org (курсив, 12 pt) (пустая строка - 12 pt) ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ (слева, 12 PT, ЖИРНЫМ, ЗАГЛАВИЕ МАКСИМУМ ТРИ СТРОКИ) (пустая строка - 12 pt) В статье приведены данные по структурному синтезу сборочных ……………………………………... ………… уравнений описывающих процесс сборки изделий. (курсив, 10 pt, до 10 строк). Ключевые слова: структура технологии, синтез, процесс, технология, сборка. (курсив, 10 pt, 5 …6 слов) (пустая строка - 10 pt) I. I. Ivanov, P. P. Petrenko (10 pt) (10 pt) BASES OF THE STRUCTURED SYNTHESES OF THE ASSEMBLY SYSTEMS (10 pt) The efficient design of assembly machinery is vitally important …………………………………………………………….. …………………………………………as noun description of functions of presented in the paper. Keywords: structured syntheses, process of the assembly, technological system. (курсив,10 pt)

(пустая строка - 12 pt) 1. Введение (12 pt) Сборочные системы являются сложными иерархическими системами. Одним из условий [1] повышения производительности … сборочных технологических систем (рис. 5). Технологические системы …………………………………………………………………... (пустая строка - 12 pt) 2. Основное содержание и результаты работы (12 pt) Для сборки изделий широко применяются технологические системы ……………… информационные и другие потоки могут быть описаны следующим образом:

kт  a 2  b 2 ,

(1)

где km - элемент множества; …………………………………………………….……………………………………………….

107

……………….. позволили разработать общие алгоритмы функционирования системы. (пустая строка - 12 pt) 3. Общий алгоритм и рекомендации (12 pt) Выполненные исследования позволили разработать общий алгоритм ……………… ………………………………………………. основывается на итерационном подходе. (пустая строка - 12 pt) 4. Цифровые модели (12 pt) В работе разработаны цифровые структурно-логические модели структуры сборочных систем, выполненные с применением основных положений алгебры структур …... (пустая строка - 12 pt) 5. Заключение (12 pt) Таким образом, выполненные исследования позволили реализовать следующее: 1. Разработать методику синтеза структурных вариантов ………………………….... ……………………………….. отличительной особенностью данной методики. 2. Установить закономерности ………………………………………………………..... ………………………………… позволили произвести процесс итерации. 3. Разработать рекомендации …………………………………………………………… © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2016 (приводится внизу первой страницы статьи, 10 pt))

…………………………………. внедрить на производстве. (пустая строка - 12 pt) ЛИТЕРАТУРА: (центрировать,12 pt, не менее 5 … 6 библиографических источников)

1. Ким, И. П. Исследование эффективности роторных машин / И. П. Ким. – К: КПИ, 1985. – 123 с. ISBN 966-7907-22-8. 2. Устюгов, А. В. Надежность технологических машин / А. В. Устюглв. – Донецк: ДонНТУ, 1998. – 425 с. ISBN 966-7907-23-6. 3. Савельев, А. А. Сборка машин / А. А. Савельев – М.: Наука, 2009. - 342 с. ISBN 966-7907-26-9. 4. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий /А. Н. Михайлов – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. ISBN 966-7907-24-4. 5. Базров, Б. М. Модульные технологии / Б. М. Базров. – М.: Машиностроение, 2000. – 368 с. ISBN 5-217-03061-5. 6. Сидоров, И. А. Учет переменности параметров процесса точения фасонных поверхностей при определении оптимальных режимов резания / И.А. Сидоров, А.Н. Алехин //Наукоемкие технологии в машиностроении: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – М: Машиностроение. – 2014. - № 9. – С. 11-17. 7. Любшин, А. Н. Особенности полировки лопаток с коррозионными разрушениями покрытий /А. Н. Любшин, А. Н. Шейко, Б. Л. Недашковский // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных работ. – Донецк: ДонНТУ, 2013. – Вып. 1 (25). – С. 207-212 пустая строка - 12 pt) Поступила в редколлегию _____________________ (дата поступления статьи, 10 pt)

108

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ Выпуск 2 (65)’ 2019

Главный редактор д-р техн. наук, проф. А.Н. Михайлов E-mail: tm@fimm.donntu.org Технический редактор Л. Б. Ступакова

Учредитель и издатель – Донецкий национальный технический университет Адрес издателя: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ГОУ ВПО «ДонНТУ», +38 (062) 337-17-33, 335-75-62 Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, тел. +38 (071) 306-08-79, +38 (062) 301-08-05. E-mail: tm@fimm.donntu.org Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Народной Республики.