Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих исследований влияния качества поверхности движительного комплекса винмасадка на эффективность его работы 10
1.1. Изменение качества поверхности движительного комплекса в процессе эксплуатации 10
1.2. Влияние рельефа поверхности винтов и насадок на эффективность работы движительных комплексов судов 17
1.3. Методы повышения качества поверхности гребных винтов и направляющих насадок 22
1.4. Цель и задачи работы 28
2. Исследование рельефа поверхности и изучение ишосов элементов движительного комплекса судов внутреннего плавания 31
2.1. Выбор параметров, характеризующих рельеф поверхности 33
2.2. Методика и приборное обеспечение исследований рельефа поверхности движительного комплекса 39
2.3. Обработка и анализ результатов исследования технологического и эксплуатационного рельефа поверхности движительных комплексов 52
2.4. Изменение геометрии лопастей винтов и направляющих насадок в процессе изнашивания 66
3. Исследование влияния рельефа поверхности винта и насадки на эффективность работы движительного комплекса 81
3.1. Моделирование рельефа рабочих поверхностей движительного комплекса винт-насадка 81
3.2. Установка для проведения аэродинамического эксперимента 94
3.3. Методика проведения эксперимента 98
3.4. Обработка и анализ результатов эксперимента... 102
4. Исследование процесса плазменного напыления на лопасти гребных винтов и внедрение технологии в производство 111
4.1. Выбор материалов и оборудования для плазменного напыления на лопасти гребных винтов 111
4.2. Оптимизация параметров процесса плазменного напыления 114
4.3. Анализ структуры покрытия 125
4.4. Разработка и внедрение технологического процесса ремонта и упрочнения лопастей гребного винта плазменным напылением 139
4.5. Экономическое обоснование эффективности внед рения результатов исследования 144
Выводы по работе 147
Литература 149
Приложение I
- Влияние рельефа поверхности винтов и насадок на эффективность работы движительных комплексов судов
- Методика и приборное обеспечение исследований рельефа поверхности движительного комплекса
- Установка для проведения аэродинамического эксперимента
- Оптимизация параметров процесса плазменного напыления
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС перед речным транспортом поставлены задачи полного и своевременного удовлетворения народного хозяйства и населения в перевозках. Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по развитию речного транспорта в 1981-85 годах" эти задачи еще более конкретизированы. Почти половину всех капитальных вложений отрасли предусмотрено направить на укрепление портового хозяйства, судоремонтной базы и развитие флота для обеспечения возрастающих перевозок грузов в районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Для пароходств этого региона уже сейчас характерны опережающие темпы прироста грузоперевозок. Например, недавно созданное Обь-Иртышское пароходство в навигацию 1983 года увеличило перевозки грузов в нефтегазоносные районы на 8,3%, перевыполнив установленное задание 1983 года на 300 тысяч тонн.
К концу одиннадцатой пятилетки грузооборот речного транспорта должен возрасти на 19%, а в районах Сибири, где роль речного транспорта особенно значительна, более чем на 25% [_/, 85J.
В этих условиях возрастающую роль приобретает повышение надежности и эффективности всех элементов судна, т.к. возрастает "цена" простоев из-за недостаточно эффективной работы судна.
Декабрьский (1983 года) Пленум ЦК КПСС выдвинул как одну из основных задач всемерную экономию материалов и топливно-энергетических ресурсов. Речной флот, являясь одним из основных потребителей дизельного топлива, в соответствии с директивным заданием, в 1984 году должен обеспечить экономию дизельного топлива в количестве 107 тысяч тонн Г85.
Эта серьезная задача должна решаться в нескольких направлениях: путем улучшения организации работы транспортного флота, внедрением комплекса технических мероприятий, связанных с улучшением рабочего процесса дизеля, сжиганием тяжелых сортов топлива и др. Важным направлением, обеспечивающим уменьшение расхода топлива главными двигателями судов, является повышение качества рабочих поверхностей движительно-рулевых комплексов (ДРК). Понятие "качественная поверхность" применительно к ДРК предусматривает, прежде всего, высокую чистоту и износостойкость поверхности,следовательно, минимальные потери мощности на трение [g; 86 90].
В настоящее время движительными комплексами винт-насадка в МРФ РСФСР оснащено 63% сухогрузных теплоходов по тоннажу и 72% -по мощности буксиров толкачей [106,4?]а например, в Западно-Сибирском пароходстве флот, оборудованный винтами в насадках, составляет 90% по мощности и 64,5% по количеству судов.
При существующем исполнении движительный комплекс гребной винт-направляющая насадка имеет меньшую надежность чем открытый винт, но ввиду более высокого коэффициента полезного действия (КПД), очевидно, сохранит свои позиции на речном флоте длительное время. Рабочие поверхности винтов и насадок в процессе эксплуатации подвергаются кавитационному и гидроабразивному изнашиванию, в результате которого снижается КПД комплекса [7, 16,17\.
Качество поверхности - понятие комплексное, оно включает в себя такие параметры,как шероховатость, волнистость, глубину и степень наклепа, остаточные макро- и микронапряжения. Совокупность и уровень вышеперечисленных параметров определяют эксплуатационные свойства деталей, в данном случае движительного комплекса. [/4, 3 Ь/ U і 55 . Если влияние параметров рельефа поверхности лопастей открытого винта на его эффективность изучалось многочисленными советскими и зарубежными исследователями, то влияние параметров рельефа на эффективность комплекса винт-насадка изучено недостаточно, в основном применительно к шероховатости, моделирующей обраста ние насадки на морских судах.
В настоящей работе приведены результаты изучения износов поверхности движительных комплексов речных судов, эксплуатирующихся в бассейнах Сибири, условия в которых в значительной степени отличаются от условий эксплуатации в морских бассейнах.
Исследованные закономерности изнашивания представлены в виде графиков и таблиц износов движителей буксиров-толкачей проектов 428, 758, 10 , определяющих выполнение плана перевозок грузов и наиболее распространенных в бассейнах Сибири. Указанные выше суда - представители являются также характерными с точки зрения наиболее полного охвата диапазона интенсивности износа ДРК современных транспортных речных судов.
Обработка фактического материала позволила получить уравнения, связывающие величину износа на отдельных участках поверхности движительных комплексов с временем эксплуатации.
При исследовании поверхности применен специально разработанный оптический прибор и соответствующая методика получения информации о рельефе стереофотограмметрическим методом. Количественная оценка рельефа поверхности проводилась с использованием статистических параметров и корреляционного анализа. Расчеты выполнялись на ЭВМ "Наири-еМ".
Моделирование технологических и эксплуатационных рельефов поверхности движительных комплексов на экспериментальной установке и продувка в аэродинамической трубе позволили выявить влияние основных видов рельефа поверхности на эффективность работы комплекса.
Знание закономерностей изменения параметров рельефа в зависимости от времени эксплуатации дает возможность назначать оптимальные межремонтные периоды, исходя из вполне определенных потерь в КПД движительных комплексов судов.
Специфические условия эксплуатации в бассейнах Сибири: мелководье, засоренность фарватера приводят к постоянным ударам лопастями о взвешенные частицы и предметы, что способствует выкрашиванию кромок, появлению трещин и поломок лопастей винтов, изготовленных из прочных, но недостаточно вязких материалов, которые кроме того, часто нетехнологичны при изготовлении и ремонте. В связи с этим в работе исследован вопрос упрочнения износостойкими покрытиями лопастей винтов, изготовленных из обычной углеродистой стали. Примененный метод плазменного напыления самофлюсующимся сплавом на лопасти гребного винта с последующим оплавлением, позволяет обеспечить в полученном покрытии сочетание большой твердости (48-53 Ш?С) с высокой кавитационной и гидроабразивной стойкостью при значительной прочности сцепления покрытия с основой. Высокая чистота поверхности, получаемая после оплавления покрытия, позволяет отказаться от последующей трудоемкой механической обработки поверхностного слоя, что делает метод доступным для судоремонтных предприятий Минречфлота РСФСР. Проведенные исследования позволили разработать технологический процесс плазменного упрочнения лопастей гребных винтов, внедренный в Западно-Сибирском речном пароходстве 9, 10, -/ /].
Эксплуатационная проверка в течение трех навигаций упрочненного ДРК теплохода проекта 428.L ОТ 2032 подтвердила целесообразность исследований, представленных в настоящей работе. Основными научными результатами данной работы, выдвигаемыми на защиту, являются:
1. Выявленные зависимости влияния основных видов рельефов рабочей поверхности движительного комплекса винт-насадка на эффективность работы комплекса.
2. Результаты исследования технологического процесса плазменного напыления на лопасти гребных винтов.
Влияние рельефа поверхности винтов и насадок на эффективность работы движительных комплексов судов
Исследованию влияния рельефа поверхности гребных винтов на их эффективность посвящены теоретические и экспериментальные работы многих отечественных и зарубежных ученых: Ф.М.Кацмана, А.Ф.Пустошного, В.К.Турбала, В.П.Терещенко, Ф. Гутше, Г. Кемпфа и др. [if Ъ} 50, !Zf 98} 100 J Щ.
Сложность теоретического исследования влияния шероховатости на гидродинамические характеристики движителей заключается в том, что различные типы шероховатости по-разному влияют на коэффициент сопротивления поверхности, а следовательно, дают различные значения изменения коэффициента упора A Ki , коэффициента момента А К 2 и пропульсивного КПД A h
Большинство исследователей, базируясь на хорошо изученной, так называемой "песочной" или "зернистой" шероховатости, про водили экспериментальные исследования применительно к песочной шероховатости 48, 98, НО, III .
Исходными предпосылками в этих экспериментах были: 1) постоянство средней относительной шероховатости натур ного и модельного винта модели и натуры; Ksn » К-н -средняя величина зерна модели и натуры; 2) в пределах площади лопасти винта, занятой песочной ше роховатостью, применялся песок одной зернистости, т.е. не учи тывалось изменение интенсивности износа вдоль радиуса и вдоль хорды лопастных сечений, что не вполне соответствует реальной картине распределения неровностей по лопастям винта.
В литературных источниках [52, 100 J имеются сведения о проведении эксперимента по определению влияния на эффективность работы винта обрастания лопастей микроорганизмами.
Полное обрастание поверхности лопастей снижает КПД винта до 50% [ 52, Ю0] . В.П.Терещенко 98І , используя результаты продувок в аэродинамической трубе пяти винтовых профилей с различной шероховатостью, численным методом на ЭВМ "Минск-22" решил задачу определения параметров пограничного слоя и коэффициента трения винтового профиля применительно к винтам танкеров типа "София" и "Прага".
Количественная оценка влияния технологической шероховатости на изменение упора и момента сопротивления произведена с использованием метода X. Лербса, т.е. с допущением, что шероховатость изменяется только в радиальном направлении лопасти.
Очень важным в оценке влияния рельефа поверхности на эффективность движителя является описание рельефа наиболее полными (информативными) параметрами.
В перечисленных работах _II0, IIIJ в качестве параметра рельефа принималась Ks - средняя величина неровностей песка, которая недостаточно полно характеризует реальную сложную поверхность лопастей, особенно подвергнутую коррозионно-эрозионному разрушению.
В последующих работах [52, 98J технологическая, эксплуатационная и песочная шероховатости поверхности винтов представлялись более информативными параметрами (в соответствии с ГОСТ 2789-73).
где Ra (7?г\- среднеарифметическая высота неровностей (высота неровностей по десяти точкам); Sm - средний шаг неровностей в пределах базовой длины; {р - относительная опорная длина профиля.
В работах 48, 53, 98 I найдены основные зависимости между К- - средним размером зерна песочной шероховатости и параметрами Ra (R \, $ш , t р , а также зависимости изменения параметров после изготовления от времени эксплуатации, материала винта и места расположения на лопасти.
В работах [53, 98 приводятся данные по исследованию технологического рельефа лопастей гребных винтов с учетом материала, из которого изготовлен винт. Анализ профилограмм позволил установить синусоидальный характер профиля микронеровностей при обработке лопастей фрезерованием или абразивным кругом. В этих работах делается важный вывод о возможности применения в случае волнистой поверхности формулы В.Н.Михайлова для надбавки к коэффициенту сопротивления трения на шероховатость
Для поверхности с песочной шероховатостью надбавка на коэффициент сопротивления трения AC/ (Kg) определяется по формуле Прандтля-Шлихтинга [107] .
Исходя из условия, что надбавки равны, т.е. работки и материала, из которого изготовлен винт. Перечисленные исследования проведены применительно к открытым винтам морских судов. Такой подход целесообразен и при рассмотрении рельефа движителей судов внутреннего плавания,для которых в литературе сведений не имеется. Из работ, приближающихся к этой проблеме, следует отметить работу В.К.Турбала и Н.В.Алексеевой [iOOj , в которой рассмотрены вопросы влияния обрастания микроорганизмами направляющей насадки и лопастей винта; снижение скорости по этой причине оценивается в 5-6%.
В работах В.И.Михасенко [ 71,72,73 ] теоретическими исследованиями и экспериментальными методами выявлены составляющие сопротивления и рассмотрено влияние шероховатости на пограничный слой насадки, но это сделано без учета реальных значений параметров неровностей и закономерностей износов лопастей винта и насадки. Наиболее полно исследовано влияние эксплуатационной шероховатости лопастей на гидродинамические характеристики винтов в работах Ф.М.Кацмана и др. [46, 51, 53, 54] .В работе [48] подтверждается, что эксплуатационная шероховатость, вызванная коррозией и кавитационной эрозией, близка по структуре к зернистой шероховатости, что делает возможным использование формул классической гидромеханики. В работах Ф.М.Кацмана Г 48, 50І установлено, что на изменение коэффициентов упора Д/ , и момента Л К? оказывает наибольшее влияние шероховатость периферийной кромки и входящей кромки на протяженности ё = 0,15 , а шероховатость периферийных сечений на обеих сторонах лопасти на Z = 0,75-1,0 обуславливает изменение Д Af приблизительно на 30%. и AKz приблизительно на 70%.
Из рассмотрения теоретических и экспериментальных работ следует, что рельеф поверхности в значительной степени влияет на эффективность работы движителя судна. В то же время рассмотренный материал показывает, что в литературе недостаточно сведений о влиянии рельефа поверхности комплекса винт-насадка на эффективность работы судов внутреннего плавания.
Анализ литературных данных позволяет сделать также вывод о том, что качество поверхности с высокой сопротивляемостью к изнашиванию, способствуя сохранению высокой исходной чистоты, продляет срок эффективной работы движителей. В этой связи целесообразно проанализировать имеющиеся в литературе сведения о методах повышения качества поверхности комплекса винт-насадка.
Методика и приборное обеспечение исследований рельефа поверхности движительного комплекса
Применяемые в настоящее время методы исследования рельефа поверхности весьма разнообразны [38, 40, 83] . Выбор метода зависит от абсолютных размеров поверхности деталей и самого рельефа, а также от точности определения параметров. Применяемые в машиностроении методы и приборы для определения качества поверхности предусматривают фиксирование некоторых интегральных параметров, таких,как R„, , п0 ГОСТ 2789-73. Наиболее распрост-раненный класс щуповых приборов (профилографы - профилометры) требует непосредственного контакта ощупывающего устройства с исследуемой поверхностью, что в связи с громоздкостью деталей движительных комплексов исключает применение этого метода в настоящем исследовании.
Обширный класс оптических приборов контроля качества поверхности (микроскопы) в существующем конструктивном исполнении также не может быть использован для решения поставленной задачи.
Существенным является также, что выпускаемые приборы контроля качества поверхности предназначены для исследования шероховатости с верхним пределом параметра Ra , ограниченным, как правило, величиной 20-40 мкм.
Винты обычного класса при изготовлении в соответствии с ГОСТ 8054-81 могут иметь шероховатость R 500 мкм, а эксплуатационный рельеф достигает значений Р = 1500мкм и более,что практически исключает возможность использования современных приборов контроля качества поверхности. Исключение составляет при бор ПРЛ, снятый с производства, у которого верхний предел измерения соответствует /? 500 мкм.
На основании вьшеизложенного в настоящей работе для исследования технологической шероховатости поверхности деталей движи-тельных комплексов применен метод слепков (реплик) с последующей обработкой на профилографе -профилометре модели 201.
Этот прибор предназначен для записи профилограмм с высотой рельефа в пределах от 5 до 20 мкм на прямолинейных трассах поверхности. Для расширения диапазона измерений использовалась специальная загрубляющая приставка конструкции Новосибирского электротехнического института, где проводилась приборная обработка реплик.
Для исследования эксплуатационного рельефа применялся сте-реофотограмметрический метод, для чего серийно выпускаемый бинокулярный стереоскопический микроскоп МБС-І был оборудован специальной электромагнитной стойкой и координатной кадровой рамкой.
На технические решения, связанные с применением стереофото-грамметрического метода исследования рельефа поверхности лопастей винтов, автором настоящей работы оформлена заявка на изобретение "оптический профилограф", заявка 3589017/28 (070982) от 05.05.83.
Точность стереофотограмметрического метода контролировалась с помощью реплик, снятых с идентичных поверхностей лопасти винта. Темплеты реплик обрабатывались на стереокомпараторе &ГЄКО-І8І8" фирмы Карл Цейсе Йена с точностью измерения 0,001 мм.
Для исследования рельефа поверхности лопасти винта с нагнетающей и засасывающей поверхностей лопасти снимались слепки (реп лики). В отличие от материалов, которые ранее использовались для этих целей [48, 53] , в настоящей работе применен малоусадочный полимер "Сиэласт-69", обеспечивающий повторяемость рельефа с погрешностью, не превышающей 5-6%. "Сиэласт-69" наносился на металлические пластинки слоем толщиной 5-6 мм и прижимался к исследуемой поверхности (рис. 2.3). Сетка измерительных точек поверхности лопасти была одинакова для всех винтов, что обеспечивало возможность установить закономерности распределения релье фа в относительных долях радиуса винта и долях относительной ширины лопасти.
На рис. 2.46 показана схема расположения и пример маркировки реплик на поверхности лопасти винта. Маркировка реплик включает в себя информацию о номере винта, номере лопасти, характеристике поверхности (нагнетательная или засасывающая), относительном радиусе и номере реплики по порядку от входящей кромки лопасти, Всего с каждой лопасти снималось 24 реплики, на каждом радиусе по три реплики, две на расстоянии 0,1 8 , где ё ширина лопасти. Реплика номер два снималась на линии наибольших толщин лопасти.
Реплики с поверхности цилиндрического пояса насадки снимались в трех сечениях, одно посредине цилиндрического пояса и два на расстоянии 0,25 ширины пояса по обе стороны от среднего сечения (рис. 2.4а).
По окружности реплики располагались в восьми направлениях через 45 градусов, начиная с верхнего вертикального положения. Таким образом, с каждой насадки снималось 24 реплики.
По данной методике были сняты реплики с 32 винтов и 32 насадок теплоходов проектов 428, 758 и 10 на предприятиях Запад но-Сибирского речного пароходства, кроме того, технологическая шероховатость исследовалась в I980-I98I годах на десяти винтах других проектов непосредственно на заводе "Теплоход".
Данные об этих винтах представлены в табл. 2.1. С реплик технологической шероховатости поверхности снимались профилограммы не менее чем на трех трассах длиной по 2,5 мм. Параметры рельефа, рассчитанные по профилограммам, осредня-лись.
На рис. 2.5 в качестве примера приведена профилограмма номер 40 технологической шероховатости лопасти винта номер 3795, изготовленного по чертежу P77-42-4I.
Реплики с эксплуатационным рельефом использовались для контроля точности стереофотограмметрического метода исследования поверхности. Технология подготовки реплик для снятия координат профилограммы заключалась в нанесении слоя эпоксидной смолы ЭД-5 на рабочую поверхность реплики и получении качественного сечения профиля рельефа оттиска исследуемой поверхности. С этой целью после разрезания реплики плоскость сечения шлифовалась и притиралась на плите. Для получения более объективной информации о поверхности на каждой реплике делалось по три паралелльных сечения. В качестве примера на рис. 2.6 приведена фотография сечения реплики, снятой с поверхности цилиндрического пояса насадки теплохода проекта 428 (ОТ-2032).
Профилограмма эксплуатационного рельефа получалась путем фиксирования координат рельефа, четко видного на границе, разделяющей эпоксидный компаунд и "Сиэласт-69" в сечении реплики. Наблюдение и отсчет координат профиля велся в отраженном свете на стереокомпараторе "Стеко 1818". Посадка марки и вывод
Установка для проведения аэродинамического эксперимента
Как показано в предыдущем параграфе, для определения влияния рельефа рабочих поверхностей на гидродинамические характеристики комплекса винт-насадка необходимо наличие модели винт-насадка, подобной натурной, и устройств для измерения упора винта Pg , упора насадки Рн , момента Л?, потребляемого винтом, частоты вращения /7 и скорости набегающего воздушного потока lTe . При создании установки учитывалась необходимость соблюдения динамического подобия натурного объекта и модели, что обеспечено соотношениями чисел Рейнольдса/?еп р .
Основные геометрические размеры установки выбраны с учетом масштаба моделирования.
Конструирование велось с учетом действующих сил, вычисленных по формулам гидромеханики ГІ2, 13] .
Экспериментальная установка (рис. 3.1а) состоит из основания, выполненного из швеллеров, трубчатых стоек 15, на которых крепится приводной узел, состоящий из асинхронного электродви гателя мощностью 4,5 кВт с.частотой вращения П = 23,6 с" . На фланец электродвигателя крепится корпус планетарного редуктора 2, на выходном валу электродвигателя посажена большая шестерня I, внутри которой в зацеплении находятся три малых шестерни - сателлита 3, базирующиеся на шарикоподшипниковом опорном диске 4, центральная малая шестерня 5 приводит во вращение выходной вал 8, вращающийся в подшипниках 7. Выходной вал при помощи спиральной вилки 9 передает вращение упорному валу 10, на котором посажена модель гребного винта 13, закрепленного гайкой с обтекателем. Упорный вал базируется в специальных игольчатых подшипниках 16, наружные обоймы которых запрессованы в концевую трубу 17. Концевая труба 17 соединяется с промежуточной трубой 20 посредством накидной гайки 18 с конусной центрирующей частью. В передней части установки на трубчатой опоре 15 монтируется модель насадки 12. Между моделью насадки и фланцем стойки установлен тензодатчик упора насадки 14. В прорези концевой трубы размещена тензобалка и нажимной узел измерения упора винта II. На задней стойке установлен кронштейн тензомет-рического устройства 24 для фиксирования усилия от вращающего момента двигателя. Описанная конструкция экспериментальной установки после балансировки дополнительными грузиками 22 представляет уравновешенную систему, чутко реагирующую на изменение момента. После монтажа и обкатки установка тарировалась путем на-гружения соответствующих элементов специальными грузами. Тарировка датчиков упора винта и насадки осуществлялась посредством тросикового устройства, нагружаемого через ролик на шарикоподшипниках. При пуске электродвигателя приводится во вращение большая шестерня I, а затем вращение через сателлиты 3 переда ется на центральную шестерню и выходной вал 8, который через вилку передает вращение упорному валу и, следовательно, модели винта.
Реактивный вращающий момент через статор двигателя и корпус редуктора 2, легко вращающийся на подшипниках 25, передает усилие на тензобалку датчика момента.
Упор винта, направленный вне установки навстречу набегающему потоку воздуха в. аэродинамической трубе, через упорный вал, имеющий возможность переместиться в подшипниках 16, увлекает нажимной узел II и через него воздействует на тензобалку устройства измерения упора винта.
Датчик измерения упора направляющей насадки реагирует на силу, направленную вдоль оси установки, т.е. фиксирует положительные, направленные навстречу потоку, и отрицательные значения упора насадки.
Принципиальная электрическая измерительная схема установки представлена на рис. 3.16. Программа аэродинамического эксперимента включала в себя продувку в аэродинамической трубе модели с различными скоростями воздушного потока. Скорость определялась в соответствии с уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости [26, 27J откуда где ]f - скорость воздушного потока, м/с; Р0 - полное давление в потоке, Па; Р - статическое давление, Па; р - плотность при данной температуре, влажности и давлении, кг/м3; " - коэффициент комбинированной насадки (в нашем случае j =1). В практике аэродинамических испытаний принято приводить уравнение (3.14) к виду р7 ] : где 1Ґ - скорость воздушного потока, м/с; Л п - разность показаний шкалы прибора между полным и статическим давлением, мм.в. ст.; К - коэффициент, учитывающий особенности комбинированного насадка,аэродинамической трубы,перевод разных размерностей и т.д. В
Диапазон изменения скорости набегающего потока охватывал четыре скорости: 7 =8,7 м/с; - =17,3 м/с; " =24,6 м/с; г = 31,5 м/с. Частота вращения винта сохранялась во время опытов постоянной и составила /7 =74,5 с . Поверхность моделей шлифовалась, затем полировалась до получения чистоты, соответствующей гидродинамической гладкости /Г = 0,0125 мм ( Ra= 3,15 мкм).
Всего проведено 14 серий опытов (табл. П.3.1), в каждом опыте варьировались скорости набегающего потока; мелоду сериями варьировались различные сочетания шероховатых поверхностей лопастей винта и цилиндрического пояса насадки. Программа эксперимента предусматривала проверку влияния на гидродинамические характеристики рельефа поверхности комплекса в состоянии гидродинамической гладкости (серия опытов І), в состоянии изготовления (серии опытов 2, 3), в эксплуатационном состоянии (серии опытов 5, б ). Кроме того, эксперимент предусматривал проверку влияния износа входящих и выходящих кромок лопастей винта (серии опытов 10, II, 12) и проверку влияния различной шероховатости, расположенной на засасывающих и нагнетающих поверхностях лопастей винта (серии опытов 7, 8, 9, 13 и 14).
Каждой серии опытов предшествовала тарировка датчиков. На рис. 3.4 представлен тарировочный график 4-й серии опытов. На основании экспериментальных данных табл. П.3.2 были рассчитаны безразмерные гидродинамические характеристики комплекса винт-насадка по формулам (3.2) - (3.4). Эти расчеты представлены в табл.ПЗ.З. Данные табл.ПЗ.З показывают, что наличие технологической и особенно эксплуатационной шероховатости ведет к значительному снижению эффективности комплекса. На рис.(3.5) - (3.7) представлены кривые действия движи-тельного комплекса в графическом виде. Данные табл. П.3.2, полученные в результате аэродинамического эксперимента, дают возможность рассчитать Безразмерные гидродинамические характеристики движительного комплекса. Возможности аэродинамической трубы и модельной установки позволи
Оптимизация параметров процесса плазменного напыления
Качество плазменных покрытий зависит от множества взаимосвязанных факторов, таких,как качество подготовки поверхности изделия и порошка, параметры режима напыления и т.д. Изучение процесса плазменного напыления с целью нахождения оптимального режима нанесения покрытия требует применения вероятностно-статистического метода планирования экспериментов.
С целью сокращения количества опытов было решено ограничиться проведением четырехфакторного эксперимента с варьированием факторов на двух уровнях, для которого реализована линейная модель дробного факторного эксперимента (полуреплика 2. ь содержащая 8 опытов) Г 31, 4,75j .
План 2- с определяющим контрастом U = Х Хг Х ОС/ , обеспечивает получение оценок линейных эффектов факторов, смешанных с эффектами тройных взаимодействий.
После реализации выбранного плана можно построить следующую линейную модель:
В качестве независимых переменных были выбраны следующие параметры режима напыления: дистанция напыления ( Х ) , расход порошка ( Х2 ), мощность плазмотрона ( Хз ) и давление плазмообразующего газа ( ОСд ).
В установке УМП-5-68, на которой проводились эксперименты по определению оптимального режима плазменного напыления,
контролируется не расход плазмообразущего газа, а его давление.
В качестве параметра оптимизации U рассматривалась прочность сцепления неоплавленного покрытия с подложкой.
Локальную область определения факторов установили из априорных соображений и анализа предыдущих экспериментов.
Каждый из факторов варьировался на двух уровнях, верхнем и нижнем. Интервалы варьирования факторов и их значения в натуральном масштабе на основном, верхнем и нилшем уровнях приведены в таблице 4.1. Кодированные значения факторов ( ОС і ) связаны с натуральными ( X; ) соотношениямиВ соответствии с этим планом было выполнено восемь опытов, каждый из которых повторяли три раза. Покрытие наносилось на поверхность специального составного образца; прочность сцепления определялась по штифтовой методике Г44і,59, 62] . Результаты опытов приведены в таблице 4.2.
рассчитывалась построчная дисперсия , где и - число дублей ( П = 3). Далее произведена проверка однородности ряда построчных дисперсий, для чего по формулерасхода порошка и давления плазмообразующего газа - к уменьшению прочности сцепления. В связи с наличием явного максимума прочности сцепления в опыте 4 было решено отказаться от проведения следующего этапа планирования эксперимента - крутого восхождения и считать оптимальным режим, характеризующийся при переходе к размерным значениям следующими параметрами: дистанция напыления гЬ = 120 мм, расход порошка О, - I кг/ч,мощность плазмотрона И/ = 22 кВт (что соответствует току j = 400 А и напряжению 55 В), давление газа Р = 0,26 МПа. В дальнейшем этот режим был принят при напылении образцов для исследования свойств покрытий.
Исследование структуры самофлюсующегося никельхромбор-кремниевого покрытия из сплава ПГСР-3, напыленного в оптимальном режиме на образцы из малоуглеродистой стали, проводилось с использованием методов оптической металлографии, рентгено-структурного и микрорентгеноспектрального анализа. Исследован фазовый состав оплавленного слоя покрытия и переходной к основному металлу зоны, характер распределения легирующих элементов в покрытии и переходной зоне, пористость покрытия, его твердость и микротвердость. Фазовый рентгеноструктурный анализ проводился на установке УРС-60. Съемка рентгенограмм велась на пленку в камере РКД в ГЄ " /Сб из лучении. Производились послойные съемки после сошлифовывания слоя покрытия фиксированной толщины (0,02 мм).
При расшифровке рентгенограмм установлено, что покрытие представляет собой твердый раствор на основе А/С , имеющий ГЦК - решетку с параметром О - 3,550 А. Кроме того, установлено присутствие упрочняющих фаз карбидов хрома ( СZ С6 и Съ7 С, ) и боридов хрома ( С? г В и Съ5Ъ ). Переходная зона между слоем покрытия и подложкой из малоуглеродистой стали представляет раствора //[ в jf -железе с параметром решетки О = 3,587 А. Образование этого твердого раствора, повидимому, и обеспечивает прочную химическую связь слоя покрытия с основным металлом.
На рисунке 4.3 а,б,в приведены характерные рентгенограммы слоя покрытия, переходной зоны и основного металла. Яркие линии на рисунке 4.3а характерны для ГЦК-решетки твердого раствора на основе yV L ; слабые линии левее ярких характерны для карбидов и боридов хрома.
Яркие линии на рисунке 4.3в характерны для ОЦК-решетки оС -железа подложки, а на рентгенограмме переходной зоны (рисунок 4.36) можно обнаружить линии, характерные для твердого раствора Jhf i в 0 -железе. Распределение металлических компонентов в покрытии, переходной зоне и основном металле исследовались при помощи качественного и количественного микрорентгеноспект-рального анализа. Запись интенсивности рентгеновского характеристического излучения элементов производилась при помощи рентгеновского микроанализатора Э ХА-5А с диаметром зонда 2 мкм. На рисунке 4.4 приведены профили концентраций -// С t ; F& в зоне соединения покрытия с подложкой. Минимумы и максимумы распределения элементов соответствуют различным структурным составляющим металла покрытия. Так, максимумы концентрации никеля в металле покрытия соответствуют наличию на рассматриваемом участке твердого раствора на никеле
