Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день одним из эффективных способов обработки деталей из современных конструкционных материалов является интенсивно развивающаяся технология гидрорезания/гидроочистки высокоскоростной жидкостной или абразивно-жидкостной струей. Однако, как показали предварительные исследования, физико-энергетическая основа данной технологии и возможности существующего парка гидротехнологических машин и агрегатов предопределяют существенно более широкую сферу их практических приложений в машиностроении.
Используя инверсию технологических понятий: режущий инструмент-обрабатываемый материал в МГТУ им. Н.Э. Баумана было показано, что высокоскоростную струю жидкости можно рассматривать как режущий инструмент в процессе гидрорезания материалов, как специфический обрабатываемый материал - гидротехнологическую суспензию (ГТС), подвергаемую ультраструйной обработке (УСО), а также как универсальный контрольно-диагностический инструмент, позволяющий получить оперативную информацию о физико-механическом состоянии поверхностного слоя деталей за счет создания кратковременных воздействий подобных реальным условиям их эксплуатации.
Поэтому, под ультраструйными (УСТ) будем понимать совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при ее взаимодействии с окружающей средой, например при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень, способны привести к фиксируемым целенаправленным изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.
При этом, основой всех ультраструйных технологий является комплекс машин и агрегатов, применяемых для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки, и соответствующие им технологические параметры (рабочее давление от 300 до 600 МПа, скорость струи в пределах от 300 до 1000 м/с) и режимы обработки. В случае обработки или получения ГТС это приводит к изменению ее потребительских свойств, т.е. специфической активации, стерилизации, насыщению материалами мишени и др. В случае ультраструйной диагностики (УСД) к гидроэрозии поверхности диагностируемого материала или детали, параметры которой связаны с физико-механическими характеристиками поверхностного слоя объекта контроля. Это позволяет путем анализа параметров гидроразрушения материала получать информацию о его эксплуатационно-технологических и физико-механических характеристиках, в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации, продления ресурса, на этапе технологической подготовки производства в частности: поврежденности, твердости, напряженно-деформированном состоянии и др.
Обоснованное наличие широких, но мало изученных возможностей развития УСТ и весьма узкая реализация потенциала гидроструйных машин и агрегатов в машиностроительной отрасли объясняет актуальность исследования.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка научных и методологических основ перспективных операционных ультраструйных технологий и процессов, их реализация в машиностроении.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-
Обоснована методическая база исследований на основе анализа альтернативных видов технологического воздействия с позиций получения диагностической информации и обработки промышленных жидкостей;
-
Научно-методическое обоснование возможности создания новых ультраструйных гидротехнологий;
-
Математическое конечно-элементное моделирование и экспериментальное изучение процесса гидроэрозионного разрушения материала с учетом влияния волновых процессов;
-
Разработка основных принципов ультраструйной операционной технологии активации и суспензирования промышленных жидкостей;
-
Разработка основных принципов ультраструйной операционной технологии оценки физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов;
-
Разработка перспектив развития ультраструйной гидротехнологии и апробация результатов исследования
Методы исследований. Использован комплексный подход к решению поставленных задач на основе системного анализа, теории принятия решений, методов математического моделирования, теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования, связанные с оценкой технологических возможностей УСТ, проводились на лабораторном оборудовании и в реальных производственных условиях. Теоретические исследования выполнялись на современной вычислительной технике с использованием средств графического отображения информации.
Научную новизну исследования составляют следующие положения, позволившие разработать новые операционные гидротехнологии:
-
Теоретически и экспериментально показано, что взаимодействие ультраструи жидкости c мишенью, сопровождается интенсивными волновыми процессами и энергетически неравновесными превращениями, при которых происходит активация и суспензирование самой жидкости, величина которых зависит от физико-механических характеристик материала мишени. Это позволило сформулировать принцип дуализма ультраструйной обработки материалов и жидкостей, согласно которому при инверсии понятий: инструмент – обрабатываемый материал инструментом является твердотельная мишень, a обрабатываемый материал - ГТС.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности определения физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов путем кратковременного воздействия на них ультраструи жидкости и анализа результатов этого воздействия. Доказанное физико-технологическое соответствие между механизмами гидроэрозионного разрушения материала при ультраструйном воздействии c процессами изменения его поврежденности при эксплуатации при нестационарных нагрузках позволило сформулировать принцип подобия процессов разрушения объекта исследований при ультраструйном диагностировании и эксплуатации.
-
Совокупность математических моделей, описывающих взаимодействие ультраструи жидкости c материалом, позволяющих анализировать и выявлять особенности данного процесса:
вероятностные и конечно-элементные модели волнового возмущения зоны обработки;
модель взаимосвязи энергетических превращений при ультраструйной обработке, показывающая прямопропорционaльный характер зависимости между интенсивностями гидроэрозионного разрушения обрабатываемого материала и струеформирующих элементов технологического оборудования;
аналитические и конечно-элементные модели влияния кинематического (углового) фактора взаимодействия ультраструи c материалом на эффективность ультраструйной обработки материалов при резании, очистке и суспензировании жидкостей.
-
Выявление доминирующего влияния гидродинамического, волнового фактора ультраструйного воздействия на выходные технологические параметры обработки в первую очередь интенсивность гидроэрозионного разрушения материала.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты комплексного экспертно-аналитического обоснования актуальности и приоритетного характера решения задач по расширению прикладных возможностей гидротехнологических машин и агрегатов.
-
Принцип технологического дуализма ультраструйной технологии, согласно которому в жидкости происходит изменение свойств и ее суспензирование.
-
Принцип технологического подобия гидроэрозионного разрушения поверхности материала процессу его усталостного разрушения
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обоснование возможности определения физико-механических параметров поверхностного слоя материалов, машин и агрегатов.
-
Положение о влиянии волновых процессов на эффективность обработки материалов и получение суспензий.
-
Результаты математического моделирования и экспериментального изучения специфики взаимодействия ультраструи жидкости с преградой.
-
Инженерные методики и программно-математическое обеспечение для технико- экономического обоснования применения рациональных технологических условий обработки материалов.
-
Перспективы дальнейших исследований, связанные с повышением результативности данного вида гидротехнологий путем развития роторно-струйной обработки, ультраструйной технологии получения мелкодисперсных суспензий, получения бездефектных образов для испытаний, кавитационную диагностику материалов и покрытий и т.д., что дополняет полифункциональные возможности рассматриваемого способа физико-технологического воздействия на обрабатываемый материал и/или жидкость.
Практическая ценность работы состоит в:
разработке конструкторско-технологических решений необходимых для обработки промышленных жидкостей и ГТС методом УСО;
разработке методики и программно-математического обеспечения для определения рациональных технологических и экономически оптимальных условий обработки материалов и жидкостей;
выработке практических рекомендаций по ультраструйной обработке промышленных жидкостей и ГТС;
разработке и апробации инженерной методики ультраструйной оценки физико-технологических параметров материалов, машин и агрегатов;
формировании научных принципов, позволяющих расширить области практического применения машин и агрегатов, применяемых в настоящее время для реализации процессов гидрорезания/гидроочистки материалов в машиностроении;
возможности использования результатов в учебном процессе при подготовке инженеров по машиностроительным специальностям (акт внедрения в НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, акт Аэрокосмического центра научного развития и академического обмена Китайской народной республики).
Практическая значимость научно-методических разработок диссертации подтверждается апробацией результатов исследований на ряде промышленных предприятий РФ, в частности ОАО Пермский завод «Машиностроитель», ОАО «НИКИМТ – Атомстрой», ОАО «Дубненский машиностроительный завод» им. Н.П. Федорова», ООО «Старт-РЛ», ЗАО НПП «Класс», ООО «Горстрой» и др.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и получили одобрение на: Всероссийской научно-практической конференции «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», (Кострома, 2009 - 2011 гг.); Международной конференции «Модернизация и инновации в авиации и космонавтике», (Москва, МАИ ТУ, 2011 г.); Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2011 г.); ХIII, XIV Харитоновских чтениях, Саров, 2011, 2013 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-НМТ», (Москва, РГТУ (МАТИ), 2010 г.); XXXII - XXXV академических чтениях по космонавтике, (Москва, 2008 - 2013 гг.); Всероссийской конференции «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: НАНОМЕХ», (Нижний Новгород, 2009 г.); Второй международный семинар «Гидроструйные технологии – оборудование и опыт применения», (Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», (Брянск, БГТУ, 2008 г.); Всероссийской конференции с международным Интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии», (Ижевск, ИжГТУ, 2007 г.); Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики», (Тольятти, 2005 г.).
Исследования проведены в рамках 2-х проектов № 2.1.2.8670 (2006-2008 гг.) и № 3293 (2009-2010 гг.) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», хоздоговорной работы с ООО «Старт-РЛ», Гранта Президента РФ для молодых российских ученых МК-962.2008.8 и МД-1885.2010.8, гранта РФФИ №12-08-00802-а, №12-08-33022-мол_а_вед
Публикации. По теме исследования опубликовано более 80 печатных работ, в том числе 3 патента РФ, 6 монографий, 20 статей в журналах рекомендованных ВАК. Под руководством автора выполнено 6 научно-исследовательские работы по теме диссертации.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников из 142 наименований, приложения. Работа содержит 387 страниц основного текста, 136 рисунков, 27 таблиц, а также приложения на 8 страницах.
