Методы расчета изнашивания рабочих органов гидравлических машин - Производство и технологии контрольная работа
Главная
Производство и технологии
Методы расчета изнашивания рабочих органов гидравлических машин
Эрозионная теория изнашивания. Теория гидроабразивного изнашивания при кавитации. Прогнозирование ресурсных показателей гидромашин. Расчет гидроэрозионного изнашивания. Распределение размеров абразивных частиц насоса. Относительная скорость скольжения.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
Методы расчета изнашивания рабочих органов гидравлических машин
3. Расчет окислительного изнашивания
4. Теория гидроабразивного изнашивания при кавитации
5. Расчет гидроэрозионного изнашивания
6. Прогнозирование ресурсных показателей гидромашин
Под термином «абразивный износ» обычно понимают разрушение поверхностей трения под воздействием твердых частиц, присутствующих в зоне трения. Таким образом, к этому виду изнашивания относят износ, вызываемый частицами, отделившимися в процессе трения; износ вследствие попадания извне в зону трения инородных частиц часто минерального происхождения и износ некоторых машин и орудий, которые взаимодействуют непосредственно с массой абразива (почвы, горные породы). Механическое воздействие абразивных частиц на изнашиваемый материал в большой степени зависит от их формы, степени закрепленности и соотношения механических свойств абразивной частицы и изнашиваемой поверхности, а также от действующих нагрузок. По этой причине и сам механизм износа может изменяться от упругого передеформирования до наиболее опасного - микрорезания. М.М. Хрущев и М.И. Бабичев исследовали абразивный износ жестко закрепленным абразивом (изнашивание проводилось по абразивной шкурке). При этом возникают наиболее благоприятные условия для реализации микрорезания. Простейшая модель такого механизма разрушения приводит к следующему соотношению между интенсивностью изнашивания и давлением:
где - высота изношенного слоя; - путь трения; - номинальное давление; - коэффициент пропорциональности; - давление текучести.
При прочих равных условиях относительная износостойкость пропорциональна давлению текучести образца. В качестве параметра, характеризующего давление текучести, авторы приняли твердость по Виккерсу. В качестве эталона ими использован образец из свинцово-оловянистого сплава. Было получено уравнение:
Оказалось, что зависимость (1.2) не имеет универсального характера. В частности, было установлено, что существенное значение для абразивной стойкости имеет то, какими способами достигается твердость. Изменяя твердость сталей путем закалки и последующего отпуска, авторы установили, что
где и - износостойкость и твердость стали в состоянии отжига; - твердость термически обработанной стали; - коэффициент.
Методику расчета износа прецизионных сопряжений типа «плунжер - втулка» приводят У. Икрамов и К.Х. Махкамов в работе [7] на примере топливных насосов. В данной методике используются основные положения теории абразивного изнашивания, созданной И.Г. Крагельским.
Поскольку поршневые и плунжерные пары трения широко применяются не только в объемных гидромашинах, но и в других видах гидроаппаратуры (некоторые виды дросселей, клапанов, золотниковые элементы и др.), то данную методику с большей или меньшей степенью приближения можно использовать для расчета абразивного изнашивания почти всех видов гидроаппаратов.
Согласно [7], рабочий цикл топливного насоса делится на 3 периода, соответствующих впуску топлива (зазор равен исходному S0), нагнетанию (зазор увеличивается до 6 мкм) и впрыскиванию топлива (зазор приобретает исходные размеры). Предполагается, что во время нагнетания в зазор поступают соизмеримые с ним абразивные частицы, а во время впрыскивания топлива происходит взаимодействие абразивных частиц с поверхностями трения и изнашивания. Износ плунжера и втулки, происходящий около впускного отверстия на дуге рад., зависит от размеров абразивных частиц и продолжительности работы насоса. Допускается, что распределение размеров абразивных частиц подчиняется логарифмически нормальному закону, а сами частицы имеют сферическую форму. Абразивная частица разрушается при условии, что:
где Н - микротвердость материала, МПа; R - объемный радиус абразивной частицы, мкм; - критическое напряжение, МПа; - глубина внедрения, соответствующая дроблению абразивной частицы, мкм.
Микрорезание поверхности трения абразивной частицы может наступить при h/R0,31 [3]. Следовательно, при критическом напряжении (=392,4 МПа), соответствующем разрушению частиц кварца и при заданной микротвердости поверхностей трения частицы дробятся до начала процесса микрорезания, т.е. изнашивание поверхностей втулки и плунжера происходит в результате повторных упругих и пластических деформаций материалов. Износом, вызванным упругой деформацией, авторы пренебрегают ввиду его малости. При заданном размере абразивных частиц глубина внедрения частицы, соответствующая моменту дробления, может быть определена по формуле:
Объем металла Vпл, подвергающийся пластическому деформированию, вычисляется из геометрии усеченного конуса, образуемого в результате относительного скольжения и одновременного внедрения абразивной частицы в поверхность трения [3]:
где F - площадь основания усеченного конуса к моменту дробления частицы. Площадь сечения Fупр, соответствующая переходу от упругой деформации к пластической, допуская, что переход происходит при h=0.01R, определится:
Площадь основания усеченного конуса находится следующим образом:
В случае идентичности свойств поверхностей трения авторы допускают, что при дроблении абразивная частица внедряется в обе поверхности на величину и износ равен внедренному объему. С учетом геометрии шарового сегмента объем металла, удаляемого с поверхности трения при дроблении частицы, равен:
где - объем частицы, внедряемой при дроблении, мкм; 2 - длина хорды, определяемая глубиной внедрения и радиусом абразивной частицы, мкм. Объемный износ в результате пластических деформаций определяется по формуле:
а количество циклов, приводящее к разрушению материала, по формуле:
где - относительное удлинение материала при разрыве; - коэффициент фрикционной усталости при пластических деформациях. Объемный износ втулки или плунжера за 1 цикл равен:
где k - коэффициент трения качения, м. При k = 7 износ, вызываемый частицей к моменту ее дробления, увеличивается. Окончательно формула для расчета линейного износа детали за определенное время работы сопряжения плунжер-втулка имеет вид:
где m=573,25- количество циклов за 1 час работы; - угловая скорость рад/с; - время работы насоса, ч; - номинальная площадь трения:
- длины рабочих поверхностей втулки и плунжера соответственно, мкм.
Эрозия или износ поверхностей потоком абразивных частиц - широко распространенный вид износа. Серьезное внимание этому вопросу начали уделять не так давно. Ранние теории эрозионного износа строились на предположении о режущем действии, которое оказывают частицы, соударяясь с изнашиваемой поверхностью. Биттер рассматривал износ, как сумму двух видов разрушения: деформационного и посредством резания. Теория Биттера [3] учитывает способность материалов поглощать сообщаемую энергию и накапливать ее в виде внутренней энергии. Постулировалось существование предельной плотности внутренней энергии, при достижении которой материал разрушается. Нильсон и Гилхрист, используя по существу те же идеи, предложили пользоваться упрощенным вариантом формул Биттера:
где - интенсивность изнашивания при эрозии, равная отношению изношенной массы к массе абразива, вызвавшей износ;
и - предельные значения энергий, необходимых для разрушения единицы массы при деформационном износе и износе микрорезанием соответственно;
- максимальное значение вертикальной компоненты скорости, при которой изнашиваемый материал деформируется упруго;
- горизонтальная компонента скорости абразивной частицы после соударения с изнашиваемой поверхностью;
На зависимость износа от угла атаки существенное влияние оказывают свойства материала. Так, для пластичных материалов деформационная составляющая износа обычно мала и наблюдается максимум износа в области малых углов атаки. Наоборот, для хрупких материалов характерна монотонно возрастающая зависимость с максимумом при. По Биттеру износ невозможен, если соударение частицы с материалом носит характер упругого взаимодействия. Для металлов этот случай является маловероятным. Однако такая концепция приобретает принципиальное значение при объяснении износа эластомеров.
В работе Е.Ф. Непомнящего[3] рассмотрен случай, когда износ происходит не в результате микрорезания, а по причине фрикционной усталости. При упругом взаимодействии частиц с поверхностью усталость поверхностного слоя близка по своей природе к обычной усталости материалов, а при пластическом взаимодействии - к малоцикловой усталости. Расчет проводится для случая одинаковых по размеру и плотности сферических частиц, поток которых составляет угол с изнашиваемой поверхностью, а все частицы движутся с одинаковой скоростью . Возможные повторные соударения частиц с поверхностью исключены из рассмотрения. Кроме того, на взаимодействие каждой из частиц с поверхностью не оказывают влияние даже ее ближайшие соседи. В качестве характеристики износа принимают отношение массы изношенного материала к массе изнашивающего, т.е.:
и - плотности изношенного материала и изнашивающих частиц соответственно;
Число циклов до разрушения описывается следующими соотношениями:
И.В. Крагельский вводит в рассмотрение расчетную схему взаимодействия жесткой сферической абразивной частицы с деформируемой плоскостью. После выполнения ряда преобразований им получены следующие выражения для определения интенсивности изнашивания при эрозии:
Скорость частиц влияет на износ в степени, большей двух. Теория предсказывает независимость износа от размеров частиц. Из результатов экспериментальных исследований известно, что, начиная с некоторой величины, размер частиц перестает влиять на интенсивность изнашивания. Увеличение трения приводит к резкому увеличению износа. Улучшение прочностных и усталостных характеристик () способствует повышению эрозионной износостойкости. Увеличение модуля упругости Е приводит к увеличению износа при (упругий контакт), а увеличение твердости материала - к уменьшению износа (пластический контакт). Угол атаки влияет на износ следующим образом: при и , а при некотором значении износ максимален. Следует отметить, что по мере увеличения угла атаки контактные напряжения или деформация возрастают и могут достичь разрушающих значений. При этом происходит переход от усталостного износа к микрорезанию. Критический угол, при котором наступает такой переход, при пластическом контакте оценивается по формуле:
где - плотность изнашивающих частиц, а при упругом контакте по формуле:
При пользуются формулами (2.8) и (2.11). В противном случае действующие напряжения (деформации) достигают значения разрушающих. Для таких условий надо положить [3].
3.Расчет окислительного изнашивания
По Кубашевскому и Гопкинсу[3], скорость окисления является экспоненциальной функцией температуры:
Тогда для первого случая работа трения
Для второго случая скорость износа должна быть пропорциональна времени контактирования, т.е. :
где относительная скорость скольжения.
Учитывая, что для низких скоростей , а для высоких - , получается с учетом (2) и (3)
Очевидно, при трении скольжения, когда изнашивающие частицы преимущественно направлены параллельно парам трения, т.е. угол атаки приближается к нулю, эрозионным износом можно пренебречь. То же касается и окислительного износа. Согласно расчетам, при наличии в смазывающей среде абразивных частиц абразивный износ на несколько порядков выше, чем окислительный.
4. Теория гидроабразивного изнашивания при кавитации
Фундаментальные исследования в данной области выполнены С.П.Козыревым [14]. В общем виде скорость гидроабразивного изнашивания при кавитации может быть определена по формуле:
А - коэффициент, зависящий от условий испытаний;
n - показатель степени, зависящий от длительности испытаний.
С.П.Козырев отмечает, что основную сложность представляет определение n, т.к. развитие кавитационного процесса во времени при различных скоростях не исследовано. Тем не менее, им приводится формула для определения величины гидроабразивного изнашивания, выведенная на основе экспериментальных данных, полученных в результате испытаний в гидродинамической трубе:
П - процентное содержание абразива по объему;
V1 - скорость потока жидкости в м/с.
С.П. Козырев вводит понятие «инкубационного периода», в течение которого кавитационного износа не происходит.
Показатель степени n в уравнении (4.1) зависит от того, какой вид износа преобладает. При кавитационном износе принимается n=14…6; при абразивном - n= 2. Причем n зависит от содержания абразива следующим образом:
В.М. Коноваловым и др. [30] получены зависимости частоты появления отпечатков , максимальной силы удара и минимальной силы от твердости материала:
где радиус кавитатора; длина кавитатора; линейная скорость движения центра кавитатора; давление жидкости в камере; микротвердость.
На основании зависимостей (4.4 - 4.6) делается вывод, что «чем тверже металл, тем более высокие нагрузки возникают при гидроударе».
В.Г. Неволиным[31] получено уравнение, описывающее эрозию материалов на аккумуляционной и установившейся стадияхкавитационной эрозии:
Если потеря массы в начальный момент , то
где долговечность; эффективная долговечность; время; начальная площадь образца; потеря массы; коэффициент, связывающий прирост поверхности с потерей массы металла.
В работе В.Г. Неволина предложен механизм кавитационной эрозии, согласно которому кавитационное разрушение обусловлено напряжениями, появляющимися в поверхностном слое металла, вследствие возникновения на металле поверхностной волны. Эту волну на граничащей с жидкостью поверхности металла возбуждают звуковые волны, возникающие при схлопывании газовых (кавитационных) пузырьков. Возбуждение волн происходит пороговым образом. Величина порога зависит от акустического сопротивления и вязкости металла. Долговечность металла определяется по формуле С.Н.Журкова:
где параметры прочности материала; напряжение; постоянная Больцмана; температура.
В работе [32] используется структурно-энергетическая теория разрушения при микроударном воздействии применительно к кавитационному изнашиванию в коррозионно-активных средах. По мнению автора, основную трудность представляет определение энергоемкости материалов при коррозионно-механическом разрушении, каким обычно является процесс кавитационного изнашивания. Потеря массы металла при кавитационном изнашивании определялась:
где коэффициент пропорциональности, учитывающий долю энергии внешнего воздействия, которая расходуется на изнашивание металла; удельная энергия внешнего воздействия; плотность материала; соответственно периоды упрочнения и всего цикла упрочнения-разупрочнения; удельная энергоемкость материала.
Энергия искажения, запасенная в ходе деформирования, пропорциональна плотности дислокаций:
где максимальное и минимальное значения уширения линий ФМР на кривых При постоянной энергии внешнего воздействия и времени испытания
А.И. Некозом получено значение . В этой же работе содержится следующее объяснение механизма кавитационного изнашивания. Коррозионно-активная среда, способствуя выходу дислокаций на поверхность, вызывает уменьшение энергоемкости поверхностных слоев металла, которая определяет износостойкость при микроударном нагружении. Большинство работ по кавитационно-эрозионному изнашиванию посвящено изучению механических явлений при разрушении вследствие микроударного воздействия жидкости. В то же время во многих исследованиях установлено, что кавитационно-эрозионное изнашивание является сложным коррозионно-механическим процессом, в котором участвуют коррозионный и механический факторы. По мнению А.И.Некоза, более перспективным является электрохимический метод определения коррозионных процессов, который позволяет разделить коррозионный и механический факторы. В работе дается аналитическая оценка интенсивности этих факторов, которая исходит из положений структурно-энергетической теории изнашивания, кинетической теории прочности твердых тел и кинетики химических реакций.
По С.П.Козыреву, напряжения в поверхностных слоях образцов при соударении со струей пропорциональны скорости соударения :
где количество соударений образца со струей в начале инкубационного периода - до достижения потери массы образцов 1,5 мг; коэффициенты, характеризующие прочностные свойства материала.
А.И. Некозом экспериментально получены зависимости и , имеющие линейный характер, что позволяет предположить термофлуктуационный механизм разрушения металлов при кавитационном изнашивании. По А.И. Некозу, кавитационно-эрозионное изнашивание определяется наложением термофлуктуационного процесса нарушений сплошности металла, развивающегося со скоростью и коррозионного процесса, протекающего со скоростью . Согласно структурно-энергетической теории
где коэффициент, зависящий от условий ( в малоцикловой области и для многоциклового усталостного разрушения).
При интенсивном перемешивании жидкостей, непрерывном разрушении и удалении с поверхности металла продуктов коррозии и большом объеме среды постоянного состава автор полагает, что
где коэффициент, зависящий от состава среды, характера и порядка реакции; энергия активации реакции.
Энергия внешнего воздействия определяется суммированием энергии единичных гидравлических ударов и кумулятивных струй жидкости. При ультразвуковой кавитации возможно аналитическое определение величины :
где частота колебаний; амплитуда колебаний; акустическое сопротивление.
В выражении (4.15) не учтено увеличение химического потенциала вследствие механического микроударного воздействия жидкости. С учетом механохимической активности, а также того, что механическое воздействие не увеличивает термодинамическую активность, уравнение (4.15) приводится к виду:
где избыточное давление; мольный объем.
Величина избыточного давления обусловлена дислокациями, накапливающимися в металле при пластической деформации вследствие микроударногонагружения, и пропорциональна величине упрочнения :
где дисл./см; ; число дислокаций в плоском скоплении; максимально возможное число дислокаций в единице объема [14].
Предложенная А.И.Некозом методика расчета кавитационно-эрозионного изнашивания может быть применена в расчетах изнашивания пар трения, работающих в кавитационном режиме, при условии учета механизма трения. Однако определение ряда величин в уравнениях (4.14 - 4.20) представляет определенную сложность, что затрудняет использование этой методики.
5. Расчет гидроэрозионного изнашивания
Методика расчета гидроэрозионного вида изнашивания основана на физической модели такого изнашивания, рассмотренной в разделе 1 п.8. Алгоритм расчета составлен для определения скорости изнашивания блока поршней аксиально-поршневого насоса. Однако принципиально он может быть применен для поршневых, плунжерных пар других видов гидромашин, а также при некоторых дополнениях может использоваться для расчета скорости изнашивания пластинчатых (шиберных) и шестеренных пар гидромашин.
При увеличении давления в рабочей камере гидромашины растворимость воздуха уменьшается согласно закону Генри:
VГ, Vж - объем газа и жидкости соответственно,
Р1, Р2 - начальное и конечное давление.
Вначале будем считать, что жидкость (ИГП-18) соответствует ТУ. Расчет проводится на 1 м3 жидкости (Vж=1 м3). При растворении воздуха в масле растворяется и вода, находящаяся в воздухе. Масса влаги в парообразном виде, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха (), может быть определена при известной относительной влажности из уравнения Клапейрона:
где РS - давление насыщенных паров при температуре насыщения ТS,
Р1 - давление воздуха (атмосферное). Коэффициент 0,622 получен из соотношения молярных масс водяного пара (18.016) и воздуха (28.95). Расчетные значения при давлении воздуха 1…50*105 Па приведены в таблице 5.1.
По величине VГ определяется масса воды (mв), находящейся в масле:
Как видно из таблицы 5.1, при повышении давления до P2=10*105 Па содержание влаги становится незначительным и с достаточной точностью можно принять, что вся влага выделится в виде капель, рассеянных по всему масляному объему в рабочей камере гидромашины. При этом радиус капель Rк, рассеянных по объему, будет определяться силами поверхностного натяжения:
где - коэффициент поверхностного натяжения.
Количество капель в 1 м3 масла будет равно:
где mк - масса 1 капли воды, - плотность воды.
Расчетные значения массы влаги при различных значениях давления и влажности воздуха.
Известно, что в гидравлических маслах имеются воздушные пузырьки, радиус которых составляет =27 мкм. В расчетах за основу принято среднестатистическое значение =30 мкм.
В процессе сжатия рабочей жидкости температура воздуха в пузырьке повышается до температуры, равной:
где n - показатель политропы сжатия, в расчетах принимается n=1,7.
Количество теплоты, которое затрачено на нагрев воздуха в пузырьке от температуры Т1 до температуры Т2 на основании известных соотношений тепловых процессов, определится:
где - масса воздуха внутри пузырька,
Количество теплоты, необходимое для испарения влаги в воздушном пузырьке, можно определить как
r - скрытая теплота парообразования, зависящая от давления (при Р2=5 МПа, r=1637,8 кДж/кг),
- количество капель в воздушном пузырьке.
Далее проводится сравнение выделенной теплоты и теплоты, затраченной на испарение воды. Если >, то можно определить температуру парообразования Т по известным соотношениям тепловых процессов:
где - масса смеси воздуха и воды внутри воздушного пузырька,
- изобарная теплоемкость этой смеси.
Если температура парообразования окажется больше критической (Т'S>Tкр), принимается Т'S=Tкр, а также другие критические параметры для воды - давление парообразования и объем пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха . При Т'SМетоды расчета изнашивания рабочих органов гидравлических машин контрольная работа. Производство и технологии.
Реферат На Тему Речевая Культура Молодежи
Реферат На Тему Описание Шахты "Черкасская"
Дипломная работа по теме Создание программы интеллектуального преобразователя сигнала
Реферат: Первый законопроект о гомруле
Реферат: Therapeutic Approaches Essay Research Paper This essay
Реферат по теме Термічна обробка металів
Сочинение На Корейском Про Семью
Реферат: Crash Test Dummies Essay Research Paper Crash
Курсовая работа по теме Функции и операции Национального банка Республики Казахстан как Центрального банка страны
Реферат: Marketing Analysis For Nike Essay Research Paper
Дипломная работа: Социальные гарантии военнослужащих
Реферат: Кризис отрочества. Скачать бесплатно и без регистрации
Приложение Будущего Сочинение 3 Класс
Сочинение Делом Крепи
Контрольная работа: Сходства и отличия католиков и православных
Реферат по теме История социалистических учений
Курсовая работа по теме Право собственности юридических лиц
Автореферат На Тему Клініко-Патогенетичні Аспекти Профілактики Та Лікування Постоваріоектомічного Синдрому
Реферат: The Split In Buddhism Essay Research Paper
Реферат: Осуществление ОВД паспортно-регистрационной системы
Работа с файловой системой ОС Windows - Программирование, компьютеры и кибернетика контрольная работа
Правовое положение лиц, отбывающих наказание в виде лишения свободы - Государство и право дипломная работа
Характеристика результатов и организация анализа эффективности инновационной деятельности - Менеджмент и трудовые отношения контрольная работа