Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

Таким характеристикам сопротивления МнЦУ, как число циклов до разрушения N и предел выносливости σR, свойственно большое рассеяние [1]. Одной из возможных причин повышения разброса характеристикматериалаявляется анизотропиясвойств в заготовке.

В данной работе была предпринята попытка проверить влияние направления проката титановой плиты на предел выносливости образцов, вырезанных из нее. Для оценки влияния направления проката на предел выносливости проведены испытания партии цилиндрических (корсетных, d = 5 мм, r = 30 мм) образцов, вырезанных из титановой плиты вдоль и поперек направления проката. Рабочая часть образцов подвергалась шлифовке и полировке в осевом направлении до выведения поперечных рисок, видимых при 20-крат- ном увеличении. Внешний вид и качество поверхности рабочей зоны цилиндрических образцов, используемых на ОАО «Авиадвигатель», при испытаниях по определению характеристик МнЦУ материалов показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид образца (рабочей зоны) после полировки

Испытания цилиндрических (корсетных) образцов на МнЦУ проведены на установке типа Testronic-100 швейцарской фирмы RUMUL. Испытания выполненыпринормальнойтемпературеt = 20 °С и коэффициентах асимметрии цикла R = 0; –1 на базе N = 108 циклов. Образцыиспытаны в соответствии со стандартами [2, 3].

В качестве модели, описывающей экспериментальные данные, принята линейная зависимость логарифма циклической долговечности lg(N) от логарифма амплитуд напряжений lg(σ ) [2].

По результатам испытаний на сопротивление МнЦУ определены коэффициенты уравнений кривых усталости (вдоль и поперек

81

проката и обобщенных кривых для каждой асимметрии цикла), а также значения пределов выносливости для каждого направления при каждой асимметрии цикла. Статистическими методами установлено следующее:

– при испытаниях с коэффициентом асимметрии цикла R = –1 направление вырезки образцов из заготовки практически не оказывает влияния на значение предела выносливости образцов. Все образцы могут быть объединены в одну выборку, что увеличит статистическую значимость кривой сопротивления МнЦУ. Обобщенная кривая усталости при испытаниях с коэффициентом R = –1 представлена на рис. 2;

Рис. 2. Обобщенная кривая усталости при R = –1

– при испытаниях с коэффициентом асимметрии цикла R = 0 направление вырезки образцов из заготовки оказывает влияние на значение предела выносливости образцов (разница составляет ~10 %).

82

Это обстоятельство необходимо учитывать при выполнении прочностных расчетов деталей, изготавливаемых из данного сплава. Обобщенная кривая усталости при испытаниях с коэффициентом R = 0 представлена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная кривая усталости при R = 0

Список литературы

1.Когаев В.П. Расчет на прочность при напряжениях, переменных во времени / под ред. А.П. Гусенкова. – 2-е изд., перераб.

идоп. – М.: Машиностроение, 1993. – 364 с.

2.ГОСТ 25.502. Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на усталость. – М., 2002.

3.ASTM E-466. Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials.

83

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОРЕНИЯ АЭРОВЗВЕСИ АЛЮМИНИЯ С УЧЕТОМ РЕАКЦИИ АЗОТИРОВАНИЯ

А.Ю. Крюков, В.И. Малинин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: alexkryukov@list.ru; malininvi@mail.ru

Представлено определение термодинамических параметров для реакции азотирования в структуре математической модели горения алюминия в переобогащенных металловоздушных смесях. Для азотирования алюминия приведены методы расчета теплоты реакции, энтальпии исходных и образующихся веществ. На основании справочных данных определены формы и параметры зависимостей для расчета константы скорости реакции взаимодействия металла с азотом при различных температурах, приведены формулы аппроксимации ее справочных значений.

Математическое моделирование процессов горения металлов на основе универсальных принципов, которые позволяют учитывать динамику процесса с определением текущего состава веществ, участвующих в реакциях, и скоростей их расхода, требует адекватного и точного расчета термодинамических параметров, влияющих на скорость физико-химических превращений, характеристики процессов тепло- и массообмена и состав продуктов сгорания.

В работе [1] представлена математическая модель горения алюминия, включающая описание взаимодействия металла и воздуха с образованием оксида Al2O3 и нитрида AlN. Разработка выполнена на основе модернизации модели образования оксида при горении порошка алюминия [2], которая учитывает кинетические ограничения на скорости химических реакций, неравновесность процессов, особенности накопления оксида в системе.

Новая модель [1] была получена добавлением к исходной [2] соотношений, определяющих вклад азотирования в процессы горения. С целью учета образования нитрида в структуру модели вве-

84

дена реакция азотирования паров алюминия (разложения) нитрида, которая в соответствии с принятыми допущениями протекает в объеме потока на поверхности ультрадисперсных частиц,

Введение данной химической реакции в каждый момент времени требует проведения расчетов термодинамических параметров, которые входят в уравнения баланса для газового потока, теплоемкости газовой смеси, движения газа. В частности, требуется рассчитывать теплоту реакцииQNV иконстантускоростиреакцииазотированияметалла.

Теплота реакции азотирования определяется как алгебраическая сумма энтальпий исходных для данной реакции веществ и продуктов сгорания:

где IAl – текущее значение энтальпии алюминия; IN2 – текущее значение энтальпии азота; IAlN – текущее значение энтальпии нитрида, определяемые как функции температуры T:

где СAl(T), СN2(T), CAlN(T) – зависимости теплоемкостей от температур; IAl0 , IN0 2 , IAlN0 – значения энтальпий соответствующих веществ при

начальной температуре T0.

Зависимости теплоемкостей от температур определялись согласно данным справочника [3]. При этом для нитрида алюминия ввиду слабой зависимости от температуры при значениях, в пределах которых реакция азотирования имеет место, принято, что

85

CAlN = 1341 Дж/(кг К) при T 2800 K (твердая фаза) и CAlN = = 1596 Дж/(кг К) при T > 2800 K (жидкая фаза).

Далее определялась зависимость константы скорости реакции азотирования от температуры. Исходные данные [3] представлены в таблице.

Исходные данные и результаты расчетов константы скорости реакции азотирования

С помощью функций системы компьютерной математики MathCAD 14 [4] зависимость K(T) аппроксимировалась набором непрерывных функций Ka(T) для соответствующих диапазонов температур процесса. Эти функции имели вид

Соответственно, при расчетах определялись константы A и B. Были получены следующие результаты в виде расчетных формул в соответствующих диапазонах температур:

На рисунке представлен график зависимости константы скорости от температуры с нанесенными табличными значениями. Для удобства по оси ординат отложены значения десятичных логарифмов константы скорости.

Рис. Зависимость константы скорости от температуры;

– табличные значения lg(K)

За счет разбивки интервала температур на отдельные участки согласно (5) и вычисления коэффициентов аппроксимации A и B в формуле (4) на каждом интервале независимо погрешность предложенной аппроксимации не превышает 10 %, а при высоких температурах, при которых протекание реакции азотирования наиболее вероятно, не превышает 4,5 %.

Таким образом, для математической модели [1] были определены термодинамические параметры и их функциональные зависимости от температуры (а следовательно, от времени t и продольной координаты движения потока x), которые позволяют замкнуть используемую систему уравнений и включить азотирование металла в общую структуру физико-химических процессов и в компьютерные программы расчета процесса горения алюминия с образованием не только оксида, но и нитрида.

Список литературы

1. Крюков А.Ю., Малинин В.И. Математическая модель горения полифракционной аэровзвеси алюминия с учетом реакции азо-

87

тирования // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 36 (1). – С. 95–118.

2.Математическое моделирование воспламенения и горения частиц алюминия за ударными волнами, учитывающее кинетику процессов и особенности накопления окисла / В.И. Малинин, Е.И. Коломин, И.С. Антипин, В.Л. Рылов // Химическая физика. – 2001. – Т.20, №6. – С. 75–83.

3.Термодинамические свойства индивидуальных веществ / под ред. В.П. Глушко. – М.: Наука, 1981. – Т.3, кн. 2. – 400 с.

4.Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров. – СПб.: БХВ-Петербург, 2009. – 498 с.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СПЕЦИАЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

В.Ф. Макаров1, А.Е. Мешкас2

1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

2ОАО «Пермский завод “Машиностроитель”», Пермь, Россия

Представлены основные проблемы, возникающие при механической обработке (сверлении, разрезке, точении, фрезеровании) полимерных композиционных материалов, а также пути их решения.

ОАО «Пермский завод “Машиностроитель”» изготавливает продукцию гражданского назначения (узлы ГПА, узлы двигателей ПС-90А и их модификаций), проводит НИОКР по изготовлению перспективного авиационного двигателя ПД-14, кроме того, изготавливает продукцию специального назначения по ГОЗ (госзаказу), включая серийные поставки изделий, экспортные поставки, НИОКР.

Сегодня для предприятия на первый план по изготовлению продукции гражданского назначения, а также продукции специального назначения по государственному оборонному заказу выходит изготовление узлов из композиционных материалов нового поко-

88

ления. Узлы из композиционных материалов применяются в авиационных двигателях ПС-90А (и их модификациях) в качестве звукопоглощающих конструкций, производимых на ОАО «Пермский моторный завод». Использование узлов из композиционных материалов обусловлено тем, что сегодня предъявляются более высокие требования к уровню шума российских самолетов, снижению веса двигателей. Также идет освоение изготовления перспективного двигателя ПД-14 разработки ОАО «Авиадвигатель». Аналогичные тенденции по внедрению композиционных материалов в изделиях специального назначения. Здесь узлы из композиционных материалов, отработанных и современных, широко используются в конструкциях корпусов межконтинентальных баллистических ракет, внедряются в конструкции двигателей крылатых ракет и других изделиях. Сегодня в отечественной промышленности для композиционных материалов применяют следующие группы материала: стекловолокниты (препрег ВПС-34 на основе стеклоткани Т-10-14); углепластики, углерод-углеродные материалы.

Качество поверхности изделий, используемых в авиационной, ракетно-космической технике, играет исключительно важную роль в обеспечении высоких эксплуатационных показателей изделий.

Примеры конструкторских решений показаны на рис. 1.

Рис. 1. Примеры конструкции композиционных материалов на основе стекловолокнитов

89

В процессе изготовления узлов из композиционных материалов ежедневно выявляются проблемы при их механической обработке. Связано это с тем, что сегодня при проектировании закладываются новые современные материалы, в том числе и импортного производства. Основные характеристики поверхности композиционного материала при воздействии режущего инструмента следующие: шероховатость, волнистость, вырывы и сколы, ворсистость, трещины и царапины, отклонение формыи взаимного расположения поверхностей.

Сегодня основные проблемы, возникающие при изготовлении узлов из композиционных материалов, следующие:

1) необходимость изготовления дорогостоящей специальной оснастки для проведения операций механической обработки изделий. На примере деталей, средние габариты которых более 1000 мм, при изготовлении выяснилось, что на карусельном станке провести обработку не представляется возможным из-за нагрузки на деталь при обработке токарными резцами (происходит биение детали и как следствие – вырыв слоев композиционного материала) (рис. 2). Потребовалось изготовление дополнительной оснастки для базирования и крепления детали на поворотном столе станка (изготовление дополнительной оснастки не было заложено изначально, что привело к дополнительным незапланированным затратам);

ется ее шероховатость, которая в настоящее время регламентируется ГОСТ 25142-82 [2] и ГОСТ 2789-73 [1]. Указанные ГОСТы распро-

90