автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Газоабразивное изнашивание вентиляторов и трубопроводов

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ им. В.А.БЕЛОГО НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ»

УДК 539.375:669.14.018

КРУПИЧ Базыли

ГАЗОАБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ ВЕНТИЛЯТОРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ

05.02.04 - 'Гренис и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Гомель 2004

Работа выполнена в ГНУ «Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси», г. Гродно, УО «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы» и Белостокском политехническом институте, г. Белосток

Научные консультанты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник Барсуков В.Г., заведующий кафедрой технической механики ГрГУ им. Я. Купалы; доктор технических наук, профессор, академик НАНБ Свириденок А.И., директор Научно-исследовательского центра проблем ресурсосбережения НАНБ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Богданович П.Н., заведующий кафедрой материаловедения, обработки и упрочнения материалов БелГУТа; доктор технических наук, профессор Ставров В.П., заведующий кафедрой сопротивления материалов БГТУ; доктор технических наук, профессор Савкин В.Г., главный научный сотрудник отдела трибологии ИММС НАНБ.

Оппонирующая организация: УО «Брестский государственный

технический университет».

Защита состоится

<<^>>///¿"/// 2004 г. в

часов на заседании

совета но защите диссертаций Д 01.14.01 при Институте механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАНБ по адресу: ул. Кирова, 32а, 246050, г. Гомель, Беларусь, тел. +375 (232) 77 52 12, факс +375 (232)77-52-11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого» НАНБ.

Автореферат разослан

« /С^-Х

Ученый секретарь Д

совета по защите диссертаций

Н.Б. Ростанина

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Системы пневматического транспорта находят широкое применение в технологических процессах, связанных с перемещением дисперсного сырья (порошков, гранул, щепы, стружки) или удалением производственных отходов (шлифовальной пыли, опилок от деревообрабатывающего оборудования, продуктов сжигания твердого топлива от теплоэнергетических установок). Элементы машин и оборудования пневмотранспорта (лопасти вентиляторов, циклоны, изгибы трубопроводов) подвергаются изнашиванию частицами абразива, находящимися в запыленном воздухе или в виде примесей в транспортируемых сыпучих материалах. Интенсивность изнашивания зависит от вида транспортируемых материалов, а также от скоростей взаимодействия, составляющих в системах пневмотранспорта десятки или сотни метров в секунду.

Имеются существенные отличия в динамике контактных явлений, происходящих при взаимодействии дисперсных частиц с деталями вентилятора и трубопровода. Высокая скорость нагружения, разрушение или пластическое деформирование контактирующих тел, явление отскока частиц и повторного соударения их с деталями пневмотранспорта — факторы, осложняющие изучение этой проблемы па основе известных решений классических задач статической прочности или механики сплошной среды. Поэтому до сих пор весьма актуальным является поиск теоретических и экспериментальных методов анализа контактных явлений при взаимодействии дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов и разработки на этой основе методов снижения изнашивания деталей систем пневмотранспорта.

Связь с крупными научными программами и темами. Представленные в диссертационной работе результаты получены при выполнении программ научных исследований по договору о научно-техническом сотрудничестве на основе прямых связей между Отделом (ныне Научно-исследовательским центром) проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси в Гродно (Республика Беларусь) и Белостокским политехническим ииститутом (Республика Польша) на 1996-2000 гг. по теме «Разработка эрозионностойких материалов и условий их применения»; договору о научно-техническом сотрудничестве между Гродненским государственным университетом им. Янки Купалы (Республика Беларусь) и Белостокским политехническим институтом (Республика Польша) на 2001-2003 гг. по

теме «Разрушение поверхности материала при высокоэнергетическом фрикционном взаимодействии с дисперсными частицами», заключенных на основании договора между Правительством Республики Польша и Правительством Республики Беларусь о сотрудничестве в области культуры, науки и образования от 25 ноября 1995 г., а также проектов Белостокского политехнического института \\7\УМ/5/98 «Разработка критериев стойкости материалов к эрозии, вызванной потоком частиц с большой кинетической энергией», \У/\УМ/6/01 «Исследование. кинетики эрозии материалов», финансируемых Комитетом научных исследований Республики Польша.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является научное обоснование и разработка методов повышения износостойкости, долговечности и эффективности функционирования систем пневмотранспорта на основе учета особенностей динамического контактного взаимодействия дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов.

Основные задачи исследования:

определение доминирующих механизмов газоабразивного изнашивания, выбор и разработка моделей ударного взаимодействия дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов;

разработка методик расчета параметров фрикционного скользящего контакта частиц по поверхности деталей вентиляторов и трубопроводов;

- изучение влияния центробежных сил на параметры напряженного состояния в зонах интенсивного изнашивания;

разработка рекомендаций по проектированию деталей вентиляторов и трубопроводов с повышенной износостойкостью.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются материалы и конструкции вентиляторов и трубопроводов для перекачки воздушных сред, содержащих абразивные частицы, предметом исследования - процессы газоабразивного изнашивания роторов вентиляторов и изгибов трубопроводов.

Методология и методы проведенного исследования. Теоретический анализ параметров контактного взаимодействия частиц с поверхностью деталей выполнен с использованием основных положений теории упругости и пластичности, энергетической теории упругого и упруго-пластического удара с учетом сил трения и динамики частиц. В процессе экспериментальной проверки теоретических выводов использовались общепринятые методики изучения процессов газоабразивного изнашивания, а также модернизированный при

выполнении данной работы метод изучения упруго-пластического удара по схеме падающего шарика. Изменения в структуре материалов и натурных образцов при газоабразивном изнашивании фиксировались при помощи оптической и атомно-силовой микроскопии, а также масс-спектрометрии. Профиль поверхности измеряли при помощи профилометра MISTRAL 070705, управляемого компьютерной программой PC-DIMS. Результаты обрабатывались с использованием программы SOLID-WORKS. Масс-спектры получены при помощи анализатора химического состава EDS-QUEST, входящего в состав микроскопа HITACHI S 3000N.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить новые представления о механике процессов изнашивания деталей вентилятора и трубопровода дисперсными частицами с учетом особенностей фрикционного взаимодействия при высокоскоростном динамическом контакте:

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено предположение об упруго-пластическом характере взаимодействия абразивных частиц с деталями вентилятора как для схем ударного, так и фрикционного скользящего контакта. Определены критические скорости перехода от упругого к упруго-пластическому деформированию при ударе для конструкционных материалов, наиболее часто используемых при изготовлении вентиляторов и трубопроводов;

разработана методика расчета параметров ударного взаимодействия частиц с диском вентилятора и движения частиц после отскока навстречу воздушному потоку, позволившая определить расстояние от диска до дорожек интенсивного изнашивания на лопастях вентилятора;

- на основе анализа механики ударного взаимодействия частиц с лопастью вентилятора впервые показано, что оно происходит в виде двух и более последовательных столкновений частиц с лопастью, первое из которых наблюдается в начале лопасти и характеризуется практически перпендикулярным или близким к нему столкновением, в то время как второе и последующие — косым высокоскоростным скользящим ударом частицы или ее фрагментов после отскока от лопасти и вторичного входа в контакт;

- исследовано влияние сил Кориолиса и центробежных сил на параметры напряженного состояния лопасти в зонах ударного фрикционного скользящего контакта; впервые показано, что вклад центробежных сил является второстепенным по сравнению с силами

динамического столкновения или силами Кориолиса, которые могут обусловливать возникновение контактных напряжений, значительно превышающих допустимые;

- решены актуальные задачи об ударном взаимодействии дисперсных частиц с упругим демпфирующим покрытием изгибов трубопроводов, а также скольжении частиц вдоль поверхности этого изгиба, показавшие их существенную роль в газоабразивном изнашивании изучаемых объектов;

- исследовано влияние деформационного упрочнения на стойкость материалов к газоабразивному изнашиванию. На примере стали 40Х показано, что объемное деформационное упрочнение снижает износостойкость стали, а поверхностная обкатка шариком на нее влияет мало.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие важные для практики результаты:

- разработаны удобные для практического применения инженерные методики расчета напряжений при ударе частиц о подвижные детали вентилятора и изгиб 1рубопровода;

- показано, что возникающие при ударе напряжения существенно превышают допустимые для всех известных конструкционных материалов;

- разработаны новые конструкции вентиляторов и трубопроводов со сменными износостойкими элементами, расположенными в зонах интенсивного изнашивания, а также твердосплавными и демпфирующими покрытиями, которые имеют приоритетный характер и защищены заявкой на патент;

разработаны конструкции пневмопроводов на основе композиционных материалов, стойких к коррозионно-механическому изнашиванию, и методики их инженерных расчетов на прочность и жесткость с учетом релаксационных явлений и вибрации.

Результаты выполненных исследований и разработок прошли опытно-промышленную проверку и внедрены в производство в системах пневмотранспорта на заводе древесно-стружечных плит «РПе1с1егег» (Польша), заводе экспериментальной продукции и технических услуг Белостокского' политехнического института (Польша), а также используются в учебном процессе Белостокского политехнического института и Гродненского государственного университета им. Янки Купалы. Разосланы рекомендации по

использованию результатов исследований промышленным предприятиям Беларуси, применяющим системы пневмотранспорта.

Промышленное использование разработок позволяет увеличить длительность межремонтного периода эксплуатации вентиляторов в 1,4-2,5 раза, а изгибов трубопроводов - не менее чем в 1,5 раза.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретического обоснования и экспериментального подтверждения упруго-пластического характера ударного взаимодействия дисперсных частиц с лопастью и диском вентилятора, а также изгибом трубопровода.

2. Расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента восстановления скорости при упруго-пластическом ударе дисперсной частицы о твердую поверхность.

3. Закономерности ударного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора, а также изгибом трубопровода, методики расчета положения зон интенсивного изнашивания.

4. Математические модели и результаты решения контактных задач для скольжения частиц вдоль лопасти вентилятора и изгиба трубопровода.

5. Научное обоснование принципов и практическая реализация способов повышения износостойкости деталей систем пневмотранспорта путем изменения способов подачи материала, применения сменных накладок и использования конструкций с регулируемым коэффициентом восстановления скорости при ударе.

Личный вклад соискателя. Основные положения, выводы и рекомендации диссертации разработаны автором самостоятельно: методика расчета критических скоростей перехода от упругого к упруго-пластическому стесненному и упруго-пластическому открытому деформированию при ударе [1; 17; 24; 38]; методики и оборудование для определения коэффициента восстановления скорости при упруго-пластическом ударе [1; 24; 46]; результаты исследования закономерностей ударного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора [1; 13; 14; 18; 20; 24; 26; 33; 36; 48-50], а также изгибом трубопровода [1; 8-11; 16; 17; 19; 25; 39; 40; 44-46]; математические модели решения контактных задач для скольжения частиц вдоль лопасти вентилятора и изгиба трубопровода [1; 16-18; 45]; результаты экспериментального исследования влияния деформационного упрочнения на стойкость материалов к газоабразивному изнашиванию [1; 8-11; 21; 22; 25; 32-35; 40; 42; 43].

Вклад основных соавторов состоял в совместной формулировке целей и выборе методик исследования, частично в проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований были представлены и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и конгрессах: Материалы, технологии, инструмент, И конференция «НОМАТЕХ», Минск, 1996; XVII Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Cíala Stalego, Jachranka, 1996; II конференция «Ресурсосберегающие и экологические чистые технологии», Гродно, 1996; VIII Seminarium Tworzywa Sztuczne w Budowie Maszyn, Politechnika Krakowska, 1997; международный симпозиум «Славянтрибо-4», Санкт-Петербург, 1997; III научно-техническая конференция «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии», Гродно, 1998; 10th International Conference «Mechanics of Composite Materials», Riga, 1998; 6th International Symposium on Creep and Coupled Processes, Biaíowieza, 1998; Международный симпозиум «О природе трения твердых тел», Гомель, 1999; И Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике «Механика-99», Минск, 1999; IV и V Konferencja naukowo-techniczna «Polirnery i kompozyty konstrukcyjne», Ustroñ, 2000 и 2002; международный симпозиум «Славянтрибо-5», Санкт-Петербург, 2000; международная научно-техническая конференция «Поликом 2000», Гомель, 2000; международные научно-технические конференции «Ресурсосберегающие экотехнологии: возобновление и экономия энергии, сырья и материалов», Гродно, 2000 и 2002; Белорусско-польский научно-практический семинар, Гродно, 2000; международная научно-техническая конференция «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической промышленности и . производстве строительных материалов», Минск, 2000; II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materialów i Konstrukcji, Augustów, 2003; международные симпозиумы «ТРАНСТРИБО-2001», «ТРАНСТРИБО-2002», Санкт-Петербург, 2001, 2002; международный симпозиум «БЕЛТРИБ-2002» «О природе трения твердых тел», Гомель, 2002; X Seminarium Tworzywa sztuczne w budowie maszyn, Kraków, 2003.

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 52 научных трудах, в том числе в: 1 монографии, 25 статьях в научных и научно-технических журналах, 14 статьях в сборниках и материалах научно-технических конференций, 10 тезисах докладов, 2 заявках на патенты. Объем опубликованных материалов составляет 501 с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 230 страниц текста, 129 иллюстраций на 24 страницах, 19 таблиц на б страницах, библиографию из 243 источников на 16 страницах и приложения на 10 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность темы исследования, обосновывается цель и пути решения поставленной проблемы, отмечается ее сеязе» с плановыми научно-исследовательскими темами Научно-исследовательского центра проблем ресурсосбережения НАН Беларуси, Гродненского государственного университета им. Янки Купалы и Белостокского политехнического института.

Первая глава посвящена анализу научной и патентной литературы в области теории и практики конструирования вентиляторов для перекачки запыленных сред, теории трения в дисперсных материалах и изнашивания поверхностей деталей частицами абразива. Сделан обзор достижений ведущих ученых, а также фирм-производителей вентиляционного и пневмотранспортного оборудования стран СНГ, Прибалтики, Польши, Германии, Англии, Австралии, США, Франции, Японии.

Из анализа опубликованных работ следует, что изнашивание дисперсными частицами деталей вентиляторов и трубопроводов представляет собой сложную и недостаточно изученную проблему трибологии, т.к. механизмы и интенсивность изнашивания зависят от многих факторов: продолжительности процесса; концентрации, скорости, угла атаки, формы и размеров частиц абразива; температуры окружающей среды; комплекса показателей физико-механических свойств ударяемого материала и ударяющей частицы (твердости, модулей упругости, коэффициентов Пуассона и др.), химического состава дисперсных частиц и несущего газа.

Кроме небольшого количества специальных теоретических и экспериментальных работ, направленных на уменьшение эрозии в авиации и энергетике (детали газовых турбин, сжигающих искусственное топливо, получаемое из угля, или непосредственно угольную пыль), не удалось найти достаточно общих формул, пригодных для практического использования при расчете параметров контактного взаимодействия дисперсных частиц, находящихся в газовом потоке, с деталями вентиляторов и трубопроводов. Нет также

единых представлений о механике контактного взаимодействия в рассматриваемых системах, механизмах трения и изнашивания. Конструкторы и технологи до сих пор не имеют в своем распоряжении научно обоснованных методик расчета и конструирования деталей систем пневмотранспорта по ' трибологическим критериям работоспособности.

Предложенные в литературе способы практической оценки эрозионного износа можно условно разделить на 4 1руппы.

В первой группе находятся методы, определяющие эрозионный износ на базе зависимостей, установленных для механической обработки металлов режущими инструментами. В основе методов лежат две предпосылки:

- эрозионный износ пропорционален квадрату скорости частицы в момент столкновения;

-. при углах удара 0° и 90° износ равен нулю.

В общем случае такие предпосылки не находят полного экспериментального подтверждения.

В основу второй группы методов положена линейная зависимость износа материала от кинетической энергии падающего потока частиц. Разновидности этих методов положены в основу широко известных работ Биттера, Нельсона и Джилхриста. Основные сложности при использовании предложенных ими формул состоят в определении входящих в них констант.

Третья группа методик опирается на две следующие гипотезы Беккмана:

- удаленный в процессе эрозионного износа объем материала пропорционален механической работе, выполненной силой резания;

- удельная энергия резания, являющаяся отношением работы сил резания к удаленному объему материала, является константой материала.

Однако такой подход дает удовлетворительное согласование с практикой только для схем микрорезания поверхности скользящими по ней частицами абразива.

Четвертая группа базируется на представлении механизма эрозионного износа, главным образом связанного с усталостью поверхностного слоя вследствие многократного ударного нагружения.

В целом единой точки зрения на причины и механизмы изнашивания деталей пневмотранспорта дисперсными частицами нет. С другой стороны, по мере увеличения скоростей вращения напорных вентиляторов пневмотранспорта, расширения вида транспортируемых материалов и скоростей транспортирования проблема обеспечения

износостойкости деталей систем пневмотранспорта становится все более актуальной. В связи с этим были сформулированы следующие задачи исследований:

- изучить динамику ударного взаимодействия частиц с диском и лопастью вентилятора, определить положение зон наиболее интенсивного изнашивания;

- изучить влияние сил Кориолиса и центробежных сил на напряженное состояние лопасти в зонах контактного взаимодействия с дисперсными частицами;

- изучить параметры контактного взаимодействия дисперсных частиц с изгибом трубопровода для схем ударного нагружения и фрикционного скользящего контакта;

- исследовать напряженное состояние наиболее изнашиваемых деталей трубопровода из композиционных материалов под воздействием потока частиц;

- предложить комплекс мер, направленных на повышение износостойкости и долговечности деталей систем пневмотранспорта.

Во второй главе приводится общая методика исследований. При выборе моделей контактного взаимодействия исходили из того, что решения Герца-Беляева справедливы только в области нагрузок, при которых выполняется закон Гука.

С использованием энергетической теории удара определяли усилие Р и напряжение ст, возникающие при столкновении шарика массой ш, движущегося со скоростью V, с тзердой поверхностью.

з

5 т\

\6ПЕ

Пз

]_ п

Е2

4/ 1/

Я'

(1)

(2)

где — =

1-у? 1

Я,

-- + -

эффективный модуль упругости,

2

,ЕиЕ2 соответственно коэффициенты Пуассона и модули •упругости контактирующих тел; Я - приведенный радиус кривизны контактирующих тел, численно равный для контакта сферы с плоскостью радиусу сферы; у - плотность материала сферической частицы.

Из решения динамической контактной задачи теории упругости (формула (2)) следует, что в области упругого деформирования при ударе контактные напряжения не зависят от радиуса шарика, но зависят от модулей упругости контактирующих тел и скорости соударения. При некоторой критической скорости [V] напряжения могут превысить опасные с позиций прочности или текучести материала значения. Величины этих скоростей находили из условия, что при контакте сферы с упругим полупространством наибольшие касательные напряжения действуют в слое, находящемся приблизительно на глубине радиуса пятна касания и составляют (при у=0,3) т1тах= 0,31оц. Пластическое течение материала в этой точке наступает при

ан=ан --^- = 1,61 аг, " Н' 0,62 7

что соответствует критической скорости [У]]:

„ • 0)

(0,837)/2 • Е -у/г

На поверхности образца наибольшие касательные напряжения действуют на границе пятна касания и составляют (при у=0,3) шах =0,133<7Я.

При этом контактное сжимающее давление в данной точке равно нулю. Радиальное растягивающее напряжение ар, равное тангенциальному сжимающему, в рассматриваемой точке составляет

1 - 2у

При у=0,3 напряжение стр=0,133ан.

Выход зоны пластического течения на поверхность происходит при

ст.

0,266

= 3,7бог,

чему соответствует второе критическое значение скорости удара

—^гт- ^

(0,837У2 ■ Е2 ■ у После выхода зоны пластического течения на поверхность дальнейшее повышение скорости взаимодействия частицы с деталью сопровождается ростом размеров лунки, подобно опытам Бринеля.

Теоретически вопрос упруго-пластического деформирования при ударном нагружении исследован недостаточно, и основным способом изучения повреждения поверхности является эксперимент. В диссертации применен метод падающего шарика. Вследствие того, что при упруго-пластическом ударе часть энергии шарика идет на деформацию исследуемого материала, высота его отскока не равна высоте падения. Зная эти высоты, определяли скорости шарика до удара и после и по соотношению этих скоростей судили о характере деформирования поверхности. При хрупком разрушении поверхности в качестве условия возникновения трещин принят критерий прочности Мора.

В диссертации составлены и решены дифференциальные уравнения движения шарика вниз под действием силы тяжести и вверх после отскока с учетом аэродинамического сопротивления для рассматриваемого метода испытаний.

Экспериментальные исследования влияния деформационного упрочнения на газоабразивную эрозию стали 40Х производили с использованием трех видов образцов: 1 - образцы, не подверженные предварительному деформированию, 2 - образцы в виде лопастей длиной рабочей части 50 мм и толщиной 4,35 мм, подверженные остаточным деформациям 1,4; 7,0; 21,2 %, полученным при одноосном растяжении усилием соответственно 50; 60 и 70 кН; 3 - образцы в виде дисков диаметром 50 мм и толщиной 5 мм, подвергнутые обкатке при помощи шаровой головки. Эрозионные испытания проводились на установке, показанной на рис. 1.

Каждый образец подвергался воздействию потока кварцевого песка с размером зерна до 0,2 мм. По истечении каждой одной минуты производились измерения потери массы образца и использованного песка.

Основные теоретические и экспериментальные исследования производились применительно к центробежным радиальным

вентиляторам, наиболее широко используемым в системах пневмотранспорта.

/0,5 МРо

Рис. 1. Схема испытаний на эрозию

Топографию поверхности и структурные изменения в ней изучали методами профилометрии, оптической и атомно-сиповой микроскопии, а также масс-спектрометрии. Результаты обрабатывались с использованием современных вычислительных средств.

Б третьей главе приведены результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований механики контактного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора и обсуждаются проблемы обеспечения их износостойкости.

В качестве показателя перехода от упругого к упруго-пластическому деформированию принята критическая скорость, соответствующая началу пластического течения материала по критериям текучести Треска или Мизеса-Хубера. Величину этой скорости [V] определяли из решения задачи о динамическом контакте сферы с упругим полупространством.

В табл.1 приведены значения критических скоростей [V]] и [у2] для ряда типозых материалов.

Таблица 1

Значение критических скоростей при испытаниях материалов на удар по методу падающего шарика

Материал Модуль упругости, Е, МПа Коэф. Пуассона, v Предел текучести, ат МПа Критические скорости, см/с

fv.l [v2l

Сталь 08 кп 2-105 0,3 180 0,33 17,16

Сталь 20 2-105 0,3 250 0,74 39,02

Сталь 35 2105 0,3 ■ 270 0,9 47,3

Сталь 40Х, НЯС 45...50 2-Ю5 0,3 750 12,4 162,5

Сталь Гатфильда 2105 0,3 800 14,5 7 190,95

Бронза Бр 010Н1Ф1 1-Ю5 0,33 165 0,64 5 20,0

Бронза А 10Ж4Н4 МО5 0,33 460 8,0 189,2

Полиамид ПА-6 1100 0,38 43 72,1 593,4

Из данных таблицы следует, что критические скорости являются величинами второго порядка малости в сравнении с реализуемыми на практике, т.е. удар частиц с деталями вентилятора и трубопровода имеет заведомо упруго-пластический характер, и решения, основанные на теории Герца, будут приводить к значительным расхождениям с экспериментальными данными. Вследствие неупругого характера удара часть энергии рассеивается, преобразовываясь в работу разрушения или пластического деформирования поверхностей контактирующих материалов, что характеризуется величиной коэффициента упругого восстановления. В табл. 2 приведены значения этого коэффициента, определяемого как отношение скорости У0 шарика после отскока к начальной скорости Ун при упруго-пластическом ударе закаленного стального шарика по ряду типовых материалов.

Таблица 2

Значения коэффициента восстановления при столкновении стальных шариков с препятствием

Испытываемый материал Высота падения шарика, см Высота отскока, см Коэф. восстановления

Закаленная сталь 100 82 0,9

Нетермообработанная 100 26 0,51

сталь

Нетермообработанная 60 16 0,52

сталь

Нетермообработанная 150 38 0,51

сталь

Поверхностно 100 29 0,54

упрочненная сталь

Медь 100 27 0,52

Алюминий 100 6 0,24

Чугун 100 18 0,42

Эксперименты и опыт эксплуатации показывают (рис.2), что для лопасти вентилятора характерны две зоны изнашивания грубодисперсными частицами. Первая (рис.2,6.1) обусловлена ударным взаимодействием попавших в вентилятор частиц с лопастью (зона ударного изнашивания, или, согласно терминологии, принятой в англоязычной литературе, зона «ударной эрозии»), а вторая (рис. 2,6.2) -скольжением потока частиц по поверхности лопасти (зона

«фрикционного износа»).

Рис. 2. а - вид изношенной лопасти вентилятора, б - схема области износа

Кроме того, во многих случаях наблюдается существование в зоне «фрикционного износа» области повышенной интенсивности изнашивания, вплоть до образования сквозных отверстий на дорожках износа на некотором расстоянии от края лопасти.

Имеются принципиальные отличия в процессах изнашивания лопастей вентиляторов мелкодисперсными (пылевидными) и грубодисперсными частицами. Пылевидные частицы, увлекаемые потоком воздуха, перемещаются вместе с ним и шлифуют рабочую поверхность лопасти с равномерно увеличивающейся от входа вдоль ширины лопасти к несущему диску интенсивностью (рис. 3).

Рис. 3. Изнашивание лопасти пылевидными частицаиш. Штриховой линией показана начальная толщина лоиасти

Грубодисперсные частицы, попадая с потоком воздуха в вентилятор, сначала сталкиваются с диском вентилятора и, отскочив от него после упруго-пластического удара, попадают на лопасть, где происходит вторичный упруго-пластический удар. В пользу такой схемы свидетельствует то, что интенсивный износ происходит не по всей ширине лопасти, а сконцентрирован на расстоянии в несколько сантиметров от диска (см. рис.2).

После отскока от диска на частицу действует сила аэродинамического сопротивления Ра. В диссертации составлено и решено дифференциальное уравнение движения частицы массой т и площадью аэродинамического сопротивления Л со скоростью V навстречу потоку воздуха плотностью рд, движущемуся со скоростью Ун. Из решения этого уравнения при начальных условиях I — О, V— [V], 5' = 0 получены формулы для определения скорости отскока v и пути 8 как функции времени I

у = ---:--V,, (5)

2ш М+у,

\

-у^, (6)

2т ,

8 --1п

. аАРв

аАр

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления.

Максимальное расстояние отскока частицы от диска будет соответствовать моменту, когда \=0. При этом время отскока I можно вычислить из уравнения (5), а расстояние отскока $т8Х из зависимости (6).

В частном случае транспортирования частиц сферической или близкой к сфере формы

т = А/Зк^р, (7)

А = тг/?2, (8)

/Г 1Л2

^шах — т

3 ар,

В диссертации приведены результаты расчета пути отскока для ряда разновидностей частиц и выполнено сопоставление этих результатов с расстоянием от диска до дорожек интенсивного износа. Согласование расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о корректности принятой расчетной схемы. Анализ показывает, что

V

ы

V

(9)

уменьшение размера частиц (радиуса Я) и изменение их формы сопровождаются при прочих равных условиях уменьшением расстояния от диска до зоны изнашивания.

Особый механизм имеет ударное взаимодействий частиц с лопастью вентилятора. Скорость первичного столкновения частицы с лопастью является результирующей скорости входа частицы у0 и скорости точки контакта вращающейся лопасти у=сог0. На практике отношение скоростей v0/\■< 0,05, поэтому можно принять, что частица ударяет в лопасть перпендикулярно к её поверхности.

Из решения задачи об ударном взаимодействии сферической частицы с упругим полупространством следует, что контактные напряжения при лобовом столкновении могут быть вычислены по формуле (2). На примере промышленного вентилятора системы пневмотранспорта, имеющего внутренний радиус лопасти г0=1,4 м, наружный радиус 1у=1,8 м и вращающегося с угловой скоростью со=146,5 с"1, для контакта стальной лопасти (£^208 ГПа, У1=0,3) с

частицами примесей кварцевого песка (у2 =2,6 г/см3; Е2=400 ГПа,

у2=0,1) получено <ттах =30000 МПа. Такой уровень напряжений

вызывает пластические деформации в лопасти и добавочно, при существовании касательной составляющей, наступает микрорезание.

Рассмотрено движение частицы после столкновения. .Поскольку удар имеет упруго-пластический характер, то частица совершает после него отскок от лопасти со скоростью

Уо^^, (Ю)

где г] - коэффициент восстановления скорости; уу - скорость столкновения.

Пренебрегая в первом приближении влиянием аэродинамической силы на движение частицы, определяли момент, когда лопасть догонит отлетевшую частицу и произойдет повторное столкновение. Находили путь, определяемый вектором л, который после первичного столкновения пройдет частица до момента повторного столкновения с лопастью, угол Аср, на который за это время повернется лопасть, а также величину Дг - расстояние от точки первичного столкновения частицы с лопастыо до точки начала вторичного столкновения. В результате была получена система уравнений, которые могут быть решены либо численными методами, либо графоаналитически. На рис. 6-8 приведены результаты графоаналитического решения системы уравнений для различных значений коэффициента восстановления скорости г).

Рис.6. Зависимость относительного пути отскока частицы 5 / г0 от угла поворота лопасти Аф между первичным и повторным столкновениями лопасти с частицей. г0 - внутренний радиус лопасти

Рис. 7. Влияние коэффициента рИс.8. Влияние коэффициента

восстановления скорости Т| восстановления скорости Т| на

на угол Дф расстояние Лг

Из приведенных результатов следует, что промежуток времени т между первичным и повторным столкновением не зависит от размера лопасти, но зависит от ее угловой, скорости со и коэффициента восстановления скорости т|, а угол поворота лопасти Лф не зависит ни

от угловой скорости, ни от размера лопасти, а определяется только величиной коэффициента восстановления. С увеличением коэффициента восстановления скорости т] возрастают угол Аф и расстояние Дг, причем зависимость Аг=Г( г|) является практически линейной (рис.8).

Как показано в работах Клейса, при столкновении частиц неправильной формы с препятствием (в нашем случае - с лопастью) коэффициент восстановления г) • мало зависит от вида взаимодействующих материалов и скоростей соударения и составляет в среднем 0,35...0,45. Соответствующие значения диапазонов углов поворота Аф и расстояний Аг заштрихованы на рис. 7 и 8.

Из рисунков видно, что при данных значениях коэффициента восстановления т| углы поворота Аф лопасти между первичным и

поворотным ударом составляют около 52...55°, а отскок частицы происходит на расстоянии порядка 0,55 - 0,68 радиуса. Причем если первичный удар практически перпендикулярен поверхности лопасти, то вторичный является наклонным с углом а между вектором относительной скорости соударения \'ул и лопастью а=32 - 36° (табл. 3).

Таблица 3

Влияние коэффициента упругого восстановления на значения параметров повторного ударного взаимодействия частицы с лопастью __вентилятора__

Параметр Значение параметра при т]

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

ч'п юг0 0,174 0,408 0,621 0,716 0,88 1,07 1,21 1,39

у'т (0 г0 0,528 0,773 0,96 1,08 1,128 1,364 1,48 1,605

v сог0 0,556 0,874 1,143 1,295 1,43 1,733 1,914 2,12

а 18,24 27,83 32,9 33,54 37,96 38,1 39,27 40,89

Нормальная составляющая скорости повторного удара весьма значительна и составляет при данных значениях т] 0,65...0,8 скорости часгицы после первичного удара, а касательная - приблизительно 1...1.1 скорости первичного удара. Таким образом, повторный удар является высокоскоростным наклонным скользящим ударом, начинающимся для рассматриваемого диапазона изменения коэффициента г] на расстоянии приблизительно 0,55...0,68 радиуса лопасти от точки первого столкновения.

Особое внимание уделено в диссертации исследованию влияния сил Кориолиса на параметры фрикционного контакта. Разрушение поверхности в зоне «фрикционного изнашивания» является следствием действия сил трения Р,, аэродинамической Ра, центробежной Р0 и силы Кориолиса Рс- Схема нагружения представлена на рис. 9. Принято в первом приближении, что скорости мелкозернистых частиц и воздуха при движении вдоль лопасти одинаковые. Поэтому в дальнейших расчетах не учитывали аэродинамическую силу.

Уравнение движения частицы с массой т представляли в следующем виде

^г г с ^г 2 ~>Гг Лг

т— у = ; — -со г-2/со—, (11)

яГ с1г сН

здесь: Р0 = шю2г, Р, = Ш = 2йо уг=с1г/сИ, со - угловая скорость

вращения ротора вентилятора, г - расстояние от оси вращения до частицы, Г - коэффициент трения.

f i_ f ^

(12)

/

Решением дифференциального уравнения (11) при начальных

условиях t = 0, г = г0, vr = Vor и допущении -\jl + ~ 1 _ vor«0, является функция

2 I 1 + /

Относительная скорость скольжения частицы вдоль лопасти

v,=T=4r. (13)

dt 2

Из формулы (12) определяется время контакта частицы с лопастью вентилятора. Силу Кориолиса, которая прижимает частицу к лопасти, вычисляли по формуле

FC=N = 2wcovr = mco2r0ea{l-f)l (l - е~2ы ). (14)

Рассматривая взаимодействие частицы и лопасти как контактную задачу упругих тел для шара и полупространства, максимальное давление р0, равное максимальному контактному напряжению сттах, можно вычислять по формуле Герца. Например, для контактного взаимодействия частицы кварца массой ш=0,002 г (R=0,38 мм, р=2,6 г/см3, Е= 400 ГПа, v-0,1) и стальной лопасти вентилятора с ранее рассмотренными размерами определены время контакта частицы с лопастью (í = 0,0055 с), сила Кориолиса (Fc=0,072 Н) и максимальные контактные напряжения (сттах = 1260 МПа).

Учет силы трения во время контакта частицы с лопастью вентилятора меняет эпюру напряжений в сравнении с решением, основанным на теории Герца. Так, согласно теории Герца, эквивалентные напряжения на поверхности лопасти

<уж„ = 0,2 сттах = 252 МПа.

В опасной точке эквивалентные напряжения стже=0,62сттах -782 МПа.

Расчет контактных напряжений с учетом сил трения (/-0,27) с использованием формул Гамильтона и Гудмана дает

аэка = 3¡/2J,/2 = Зт ■ 513 = 888 МПа > а7, (15)

где J— второй инвариант девиатора напряжений.

Это означает, что при данных условиях эквивалентные напряжения как на поверхности, так и в объеме материала превышают предел текучести, вследствие чего может, наступить микрорезание или пластическое оттеснение материала лопасти.

Определено положение зоны интенсивного фрикционного изнашивания. Если материал лопасти имеет предел текучести стг, то радиус гс, определяющий начало зоны (2) фрикционного изнашивания, можно определить из формулы (12), подставив время 1:, выраженное из формулы (15) для момента, когда напряжение аэко достигает значения ст7- под действием силы Р = 1:с.

Определение радиуса ге аналитическим путем вызывает значительные вычислительные трудности. Проще определить эту величину графически, как это изображено, например, на рис.10, 11, 12.

Рс.Н

Рис. 10. Зависимость напряжения а,кк от силы Рс

к н

1с

Рис. 11. Зависимость силы Рс от времени / движения абразивной частицы по поверхности лопасти

Графики построены для тех же значений , что и для зоны (1)

(рис. 2,6). Порядок определения следующий. Вначале (рис.10) по известному пределу текучести материала лопасти аг находим предельное значение силы Кориолиса [Рс]. Затем (рис. 11), используя найденное значение [7^], определяем соответствующее значение момента времени /е, в который начинается микрорезание, а по рис. 12 -координату точки ге, в которой это происходит. Если принять, что лопасть вентилятора сделана из стали 40Х, для которой ат = 800 МПа, то в данных условиях И = 0,0629 Н, /е = 0,004 с, гг- 1,6 м. Полученные расчетные значения хорошо согласуются с имеющЦшся экспериментальными данными. Чем больше радиус г, тем больше прижимающая сила Рс, сила трения .Р, и величина износа. Все это относится к зоне «фрикционного изнашивания».

Рис.12. Зависимость радиуса г от времени I движения частицы по поверхности

лопасти

В диссертации проанализирована "возможность подбора материала или условий работы системы таким образом, чтобы зона износа оказалась за пределами лопасти, т.е. ге> гг. Это решение получено с использованием данных, приведенных на рис. 10 - 12. Для обеспечения таких условий необходимо выбрать материал с соответствующим пределом текучести или назначить угловую скорость ротора ниже критической. В этом случае решение задачи производится в порядке, обратном определению ге (рис. 12). В частности, для ге = гг= 1,8 м

1.90 т

О 0,001 0,002 - 0,003 0,004 0,005 0,006 <.с

получено стякв = 888 МПа. Отсюда следует, что материал лопасти должен иметь предел текучести аг значительно больше 888 МПа.

В связи с воздействием на лопасти вентилятора центробежных сил произведена оценка их влияния на параметры напряженного состояния вентилятора. Проанализированы величины и характер распределения радиальных напряжений, напряжений изгиба лопасти, а также касательных напряжений, вызванных действием перерезывающих сил.

Расчеты показывают, что возникающие в лопасти растягивающие радиальные напряжения имеют максимальные значения вблизи зоны «фрикционного износа», а эквивалентные - вблизи несущего диска. Это способствует повышению скорости изнашивания с увеличением быстроходности вентилятора. Однако вызванные действием центробежных сил напряжения составляют не более 2-3 % величины максимальных контактных напряжений и могут оказывать только второстепенную роль в развитии процессов изнашивания лопасти. Возникновение удаленных от края лопасти сквозных отверстий обусловлено, в первую очередь, совместным действием динамических нагрузок от сил Кориолиса и сил косого удара при вторичном столкновении частиц с лопастыо.

В диссертационной работе рассмотрены два возможных механизма контактного взаимодействия частиц с-изгибом трубопровода - удар и фрикционный скользящий контакт.

Приводятся сведения о влиянии вида материала, способа его обработки на стойкость к газоабразивной эрозии. Опыт эксплуатации показывает, что наиболее интенсивный износ трубопроводов, как цельнометаллических, так и с износостойкими покрытиями наблюдается в локализованной зоне изгиба трубопровода. Остальные участки мало подвержены изнашиванию.

В связи со значительными математическими трудностями точного решения задачи ударного взаимодействия частиц произвольной формы с внутренней поверхностью трубопровода с покрытием (рис. 13), приняты некоторые инженерные упрощения. Считается, что частицу с достаточной степенью точности можно смоделировать в виде параболического индентора, а поверхность трубопровода -полупространством с адгезионно прикрепленным слоем (например, из полиуретана). В связи с тем, что модуль упругости покрытия значительно меньше модуля упругости основания, считали, что основание под покрытием является жестким.

Вначале рассматривали задачу о столкновении одной частицы с покрытием, приняв в качестве • расчетной схемы действие

сосредоточенной силы на упругий изотропный слой. Далее рассматривали поток частиц, взаимодействующий с упругим изотропным покрытием. При этом считали, что продолжительность удара значительно превосходит время прохождения упругих волн, что позволяет пренебречь колебаниями, вызванными ударом. Используя и преобразуя асимптотические формулы, полученные при решении статической задачи о внедрении параболического штампа в слой в случае, когда толщина слоя больше размера зоны контакта (Ь>а), установили взаимосвязь между силой удара и перемещением, определили максимальное смещение и вызванные ударным воздействием контактные напряжения в слое.

Рис. 13. Схема движения частиц абразива на изгибе трубопровода

Разработана также математическая модель расчета напряженного состояния покрытия произвольной толщины под действием потока частиц. Получены формулы для расчета напряжений в произвольной точке сечения покрытия.

Изучено влияние вида и формы дисперсных частиц на параметры их контактного взаимодействия с деталями изгиба трубопровода по схеме фрикционного скользящего контакта при пневмотранспортировании. Показано, что величина контактных напряжений, вызванных действием центробежной силы, для древесных, полимерных и стеклянных частиц незначительна, в то время как для примесей абразива типа песка или корунда контактные напряжения существенно превышают допустимые и могут приводить к изнашиванию деталей трубопровода по механизму микрорезания.

В четвертой главе рассматриваются особенности газоабразивного изнашивания материалов.

Применительно к условиям ударного изнашивания выполнены испытания износостойкости полиуретана и стали 40Х. Результаты представлены на рис. 14, 15, 16.

Время 1, мин

Рис. 14. Зависимость массового износа полиуретана от времени для различных углов падения абразива

ОС, град

Рис. 15. Зависимость массового износа полиуретана от угла падения частиц

Как следует из модельных экспериментов (рис. 15), наибольший износ полиуретана происходит при угле падения частиц около 15°. Аналогичный результат получен из данных по износу этого же материала на изгибе трубопровода (см. рис. 13), поскольку эрозионные потери материала для углов более 20е незначительны. Снижение интенсивности изнашивания по мере развития кратера объясняется тем, что находящиеся в кратере частицы теряют скорость и являются своеобразной подушкой для остальных падающих частиц потока.

Введение в полиуретан высокотвердых наполнителей типа электрокорунд, кварцевый песок в количестве до 30 масс. % мало влияет на изменение износостойкости материала, к тому же применение таких покрытий в вентиляторах ограничено сложностью получения надежного адгезионного соединения с основой.

На рис. 16 представлены соответственно результаты испытаний на газоабразивное изнашивание стали 40Х, алюминиевого сплава РА7 и полиметилметакрилата РММ производства предприятий Республики Польша.

Как видно, из изученных материалов наибольшей износостойкостью как при косом ударе (угол атаки 25°), так и при перпендикулярном, обладает сталь 40Х. Объемное деформационное упрочнение путем растяжения образца приводит к снижению износостойкости (рис. 17).

Ш25 градусов □ 90 градусов

Рис. 16. Сравнительные значения скоростей эрозии стали 40Х, сплава РА7, пластмассы РММ при давлении 0,5 МПа

I, мг 100

60

20

1 1 1 1 1 ,70ки

~ а = 30° / 60 кМ~

50 кй

/А/

1 1 1 1 1

а)

3 4 5 Время ^ мин

60

20

1 1 1 1 1 70 кМ

- а =90°

/ 60 кМ

— У 50 кМ

- 1 1 1 1 1

б)

4 5 Время I, мин

Рис. 17. Зависимость массового износа стали 40Х от времени при давлении воздуха 0,5 МПа, расходе песка 630 г/мин, предварительной силе растяжения 0; 50; 60;70 кН, для угла падения частиц: а) 30', б) 90°

Поверхностное упрочнение методом обкатки шаром приводит к возникновению пластически деформированного поверхностного слоя. Большей глубине внедрения шара соответствует большая деформация, но это практически не влияет на скорость эрозии (рис. 18).

Поэтому следует допустить, что поверхностный слой, подвергаемый в дальнейшем воздействию потока частиц, имеет близкие свойства независимо от степени вдавливания шара и наличия поверхностно-упрочняющей обработки. Состояние этого слоя, при котором начинается эрозия, достигается раньше в образцах, подверженных большему обжатию. Фотографии поверхности кратера, возникающего в

результате действия стр\и частиц кварцевого песка в течении 5 мин. приведены на рис. 19.

^^ 1

- обра зец о. 1 -образец 0.3 -образец 0,5 -образец Q

время [мин]

0,5

1.5

Z.5

Рис. 18. Зависимость потери массы от времени стали 40Х, упрочненной методом обкатки шаром. Угол атаки 60°, давление воздуха 0,5 МПа, расход абразива ГП =12.5 г/(мин-мм2)

Рис. 19. Поверхность после струйного изнашивания сплава Al (РА7); давление воздуха 0,2 МПа, угол атаки 60° ( х 50)

Как видно из рисунка, поверхность имеет волновой характер с поперечными .микротрещинами, вызванными последовательными ударами частиц. Для других материалов характер изнашивания поверхности аналогичен.

Микрофотографии поверхностей лопасти в зонах (1) и (2) (см. рис. 2.6) приведены на рис. 20 и 21.

Анализ представленных данных позволяет определить доминирующие механизмы изнашивания: исчерпание ресурса пластичности и вырыв частиц из поверхности в зоне лобового удара (1).

пластическое оттеснение с последующим откалыванием в зоне (2), что подтверждает теоретические выводы главы 3.

Т *

У »

¿¿¿--у.*'А "71

. ЛИ» ,

л- ^ч^цк.-.-*

чу

'воа ^

.4

Рис. 20. Микрофотография поверх- Рис. 21. Микрофотография поверхности лопасти в зоне ударного ности лопасти в зоне скользящего

изнашивания

удара

Кроме того, результаты масс-спектроскопии показывают наличие обугленных частиц в микротрещинах, что свидетельствует о возникновении в зоне фрикционного контакта высоких температур (рис. 22).

Энергия электронов

Рис. 22. Масс-спектрограмма поверхностного слоя материала лопасти

Пятая глава посвящена разработке материаловедческих и конструкторских рекомендаций по повышению износостойкости и

долговечности деталей систем пневмотранспорта. Описаны конструкции вентиляторов и трубопроводов в износостойком исполнении, а также с переменным коэффициентом упругого восстановления, что обеспечивает увеличение ширины дорожки износа и уменьшение за счет этого глубины изношенного слоя. Для обеспечения коррозионной стойкости пневмотранспорта рассмотрены вопросы конструирования трубопроводов из композиционных материалов. Составлены расчетные схемы и получены решения задач о напряженном состоянии трубопроводов для концентрического, поперечного и нормального расположения армирующих волокон. Проанализировано влияние вибраций на прочность и долговечность конструкций. Результаты исследований внедрены на заводе древесностружечных плит «РЯе1<Зегег» (Польша), заводе экспериментальной продукции и технических услуг Белостокского политехнического института (Польша), а также используются в учебном процессе Белостокского политехнического института и Гродненского государственного университета им. Янки Купалы. Разосланы рекомендации по использованшо результатов исследований промышленным предприятиям Беларуси, применяющим системы пневмотранспорта.

Промышленное использование разработок позволяет увеличить длительность межремонтного периода эксплуатации вентиляторов в 1,4-2,5 раза, а изгибов трубопроводов - не менее чем в 1,5 раза.

В приложении содержатся программы и результаты расчета параметров фрикционного контакта, а также напряжений от действия центробежных сил. Приложены документы, подтверждающие промышленное использование результатов исследований на заводе древесно-стружечных плит «РАо'ёегег» (Польша) и заводе экспериментальной продукции и технических услуг Белостокского политехнического института (Польша).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований позволил получить новые представления о механике процессов контактного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастями вентилятора, а также изгибом трубопровода, учитывающие упруго-пластический характер нагружения как при ударном взаимодействии, так и при реализации схемы фрикционного скользящего контакта, что внесло существенный вклад в развитие теории изнашивания вентиляторов и трубопроводов и

позволило решить крупную научно-прикладную проблему разработать научную концепцию и основы трибомеханических расчетов деталей систем пневмотранспорта.

1. На основе теоретического анализа условий перехода от упругого к упруго-пластическому деформированию и хрупкому разрушению материалов при ударном взаимодействии определены критические скорости удара, при которых происходит этот переход для наиболее часто используемых при изготовлении систем пневмотранспорта конструкционных материалов. Показано, что реализуемые на практике скорости ударного взаимодействия на два-три порядка превышают критические, что обусловливает неприемлемость решений, основанных на теории Герца, для анализа механики ударного нагружения в вентиляторах. С использованием метода падающего шарика экспериментально определены значения коэффициентов упругого восстановления для взаимодействий наиболее характерных видов материалов [1; 14; 16; 18; 36-39; 44-46].

2. Сформулирована и решена задача о столкновении частицы с диском вентилятора и ее движении после отскока навстречу воздушному потоку, перемещающему дисперсные частицы. Определены уравнения для расчета изменения скорости частицы под действием аэродинамического сопротивления и пути отскока от диска после упруго-пластического удара. Показано, что величина этого пути численно совпадает с расстоянием от диска до дорожки интенсивного износа на поверхности лопасти вентилятора [1; 18; 30; 46; 48; 49].

3. Исследованы закономерности ударного взаимодействия дисперсных частиц с лопастью вентилятора. Установлено, что это взаимодействие осуществляется в виде двух последовательных динамических столкновений, первое из которых наблюдается в начале лопасти вентилятора и происходит в высокоэнергетической упруго-пластической фазе под прямым или близким к нему углом, а вторичное столкновение после отскока относится к схеме косого высокоскоростного упруго-пластического удара. Разработана методика расчета и определены значения углов поворота лопасти между первичным и повторным ударом, пути отскока частицы, нормальной и касательной составляющих скорости вторичного удара, а также угла атаки при вторичном столкновении. Показано, что значения нормальной и касательной составляющих скорости повторного удара сопоставимы со скоростью первичного столкновения, а угол атаки составляет 32-36° [1; 18; 48; 49].

4. Разработана методика и определены параметры контактного взаимодействия при скольжении дисперсных частиц или их

разрушившихся фрагментов вдоль лопасти вентилятора. Показано, что контактные напряжения, вызванные действием силы Кориолиса, возрастают вдоль лопасти вентилятора по близкому к линейному закону и могут превышать, начиная с некоторой зоны, пороговые значения для реализации механизмов многократного пластического оттеснения или микрорезания. С увеличением коэффициента трения опасное состояние наблюдается при более низких значениях контактного давления, а точка начала зоны фрикционного изнашивания смещается ближе к началу лопасти. С увеличением радиуса лопасти увеличиваются сила Кориолиса, сила трения и контактное давление.

Получены формулы для расчета скорости скольжения частицы вдоль лопасти в заданный момент времени и в заданной точке, а также для определения взаимосвязи угловой скорости вращения лопасти с допустимыми контактными напряжениями по критерию отсутствия пластической деформации [1; 8; 12; 13; 33; 50].

5. Выполнен анализ влияния центробежных сил на параметры напряженного состояния лопасти вентилятора в зонах контактного взаимодействия с дисперсными частицами. Показано, что возникающие от действия центробежных сил напряжения составляют не более 2-3 % величины максимальных контактных напряжений и могут оказывать только второстепенную роль в развитии процессов изнашивания лопасти. Возникновение удаленных от края лопасти сквозных отверстий обусловлено в первую очередь совместным действием динамических нагрузок от сил Кориолиса и сил косого удара при вторичном столкновении частиц с лопастью [1; 13; 14; 23].

6. Исследованы основные закономерности газоабразивного изнашивания изгибов трубопроводов. Показано, что в общем случае имеют место одновременно два механизма изнашивания, один из которых обусловлен ударным взаимодействием дисперсных частиц по изгибу трубопровода, а второй — фрикционным скользящим контактом. Установлено, что ударное взаимодействие происходит при скоростях, значительно превышающих критические, и переход к докритическим значениям возможен только в случае использования трубопроводов с низкомодульными эластичными покрытиями. Решена задача об ударном взаимодействии частицы • со слоистым трубопроводом, содержащим покрытие типа полиуретановое, определены напряжения в элементах покрытия и основания. Для схемы фрикционного скользящего контакта исследовано влияние вида транспортируемых частиц на параметры контактного взаимодействия. Показано, что для низкомодульных материалов типа древесина или термопластичные полимеры контактные напряжения от действия центробежных сил

незначительны. Наличие примесей абразива типа песок, металл, стекло приводит к появлению контактных напряжений, сопоставимых с предельно допустимыми или превышающих их [1; 10; 16; 19; 20; 31; 40].

7. Проведены сравнительные испытания стойкости к газоабразивному изнашиванию деформационно упрочненных конструкционных сталей, полиуретановых эластомеров и композиций на их основе при скоростях ударного взаимодействия, характерных для работы деталей систем пневмотранспорта. На примере стали 40Х, подвергнутой объемному деформационному упрочнению путем одноосного растяжения, показано, что увеличение твердости материала вследствие деформационного упрочнения приводит не к увеличению, а к снижению эрозионной стойкости стали, причем интенсивность изнашивания в единицу времени является величиной постоянной, зависящей от степени деформационного упрочнения и угла атаки. Износостойкость поверхностно-упрочненных методом обкатки шариком образцов практически совпадает с износостойкостью исходной необработанной стали при скоростях вылета частиц абразива около 60 м/с. Максимальное значение интенсивности газоабразивного изнашивания эластомеров типа полиуретан выше аналогичного показателя для конструкционных сталей и соответствует углам атаки 15..20° в отличие от 30..50° для пластичных термообработанных сталей и 50..70° для сталей, упрочненных термообработкой [1; 9-11; 15; 22-29; 32; 34; 35; 41-43].

8. Разработан комплекс предложений и рекомендаций по использованию результатов исследований при проектировании и эксплуатации сильно запыленных вентиляционных систем и систем пневматического транспортирования дисперсных материалов. Разработаны конструкции вентилятора со специальными накладками из материалов с различными коэффициентами упругого восстановления, а также изгиба трубопровода с ловушкой для абразивных частиц, обеспечивающие повышенную в 1,4 - 2,5 раза стойкость к газоабразивному изнашиванию. С целью повышения стойкости к коррозии и механическому изнашиванию разработана конструкция пневмопровода из композиционных полимерных материалов на основе стеклянных волокон и эпоксидных смол, содержащих в зоне изгиба бронемлшень. Выполнены исследования таких конструкций на прочность, жесткость и виброползучесть. Результаты исследований прошли опытно-промышленные испытания и приняты к внедрению на заводе древесностружечных плит «РЯе1(1егег» (Польша) и заводе экспериментальной продукции и технических услуг Белостокского политехнического института (Польша) [1-7; 51; 52].

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Монографии

1. Барсуков В., Крупич Б. Трибомеханика дисперсных материалов. Технологические приложения. - Гродно: ГрГУ, 2004. - 260 с.

Статьи в научных и научно-технических журналах

2. Jakowluk A., Krupicz В., Piechowski J. Wplyw wspôlczynnika amplitudy naprçzenia na procès wibropelzania przy zginaniu laminatu epoksydowego w temperaturze 373 К utwardzonego m-fenylenodwuamin^// Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. - 1975. - № 6. - P. 76-187.

3. Jakowluk A., Anisimowicz M., Krupicz B. Wplyw rodzaju obci^zenia na procès wibropelzania laminatu epoksydowego z utwardzaczem trôjetylenoczteroamin^w temperaturze 373 К // Zesz. Nauk. Pol. Bial, Nauki Tech. - 1975,-№6.-P. 189-207.

4. Jakowluk A., Krupicz В., Mieleszko E. Formulation of Creep Equations for FeMnAl Steel in Complex Stress States // Bulletin de

L académie Polonaise des Sciences, Série des sciences techniques. — 1982. — Vol. XXX.-№3-4.-P. 35-38.

5. Jakowluk A., Krupicz В., Mieleszko E. Method of Vibrocreep Description // Bulletin de L'académie Polonaise des Sciences, Série des sciences techniques. - 1982. - Vol. XXX. - № 3-4. - P. 39 - 43.

6. Jakowluk A., Krupicz B. Badania wlasnosci mechanicznych doraznych i pelzania przy skrçcaniu laminatu epoksydowo-szklanego // InZynieria materialowa. - 1983. -№ 5 (17). - P. 151-153.

7. Jakowluk A., Krupicz B. Ograniczenia w wyznaczaniu wielkosci dynamicznych cial liniowo-sprçzystych- na podstawie j^dra peizania // Inzynieriamaterialowa. - 1983. - №6 (17).-P. 179-181.

8. Krupicz B. Zaleznosc sity dynamicznego oddzialywania od wlaSciwosci mechanicznych cial w procesach erozyjnych // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. Mechanika. Z.16. - 1996. - № 107. - P. 291-298.

9. Krupicz В., Kondrat Z., Lukaszewicz K. Mechanical properties of materials and their resistance to cavitation erosion // Creep and coupled processes (Edited by: Jakowluk A.). Publishers Bialystok Technical University. - 1996. - P. 205-208.

10. Krupicz B. Ocena odpomoSci materialôw na zuzycie kawitacyjne // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. № 114, Budowa i Eksploatacja Maszyn. Z. 4,- 1997.-P. 129-135.

11. Krupicz В., Kondrat Z. Prçdkosé erozji kawitacyjnej materialów plastycznych z umocnieniem // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. № 114, Budowa i Eksploatacja Maszyn. Z. 4. - 1997. - P. 137-141.

12. Krupicz B. Wplyw ziarn ácierniwa na zuzycie strumicniowe // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. № 122, Budowa i Eksploatacja Maszyn. Z. 6. -1998.-P. 51-57.

13. Krupicz B. Naprç±enia stykowe w lopatce wirnika wentylatora wywolane sil^. Coriolisa // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. №132, Mechanika. № 22. - 2000. - P. 179-187.

14. Крупич Б., Можаровский В., Щербо В. Модель расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода под действием ударных нагрузок // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. № 138, Mechanika. № 24. - 2000. - P. 265-272.

15. Krupicz B. Wlasciwoáci tworzyw sztucznych a zu¿ycie erozyjne w elementach maszyn przeplywowych // Zeszyty Naukowe Politechniki Slenskej, Nauki techniczne. № 1. - 2000. - P. 257 - 260.

16. Krupicz B. Mechanika kontaktu czqstck stalych z lopatkami wentylatora // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. №139, Budowa i Eksploatacja Maszyn. Z.8. - 2001. - P. 295-300.

17. Krupicz В., Uscinowicz R. Ocena zuzycia erozyjnego stopu aluminium PA6 z uwzglçdnieniem anizotropii jego wlaáciwoáci mechanicznych // Zesz. Nauk. Pol. Bial., Nauki Tech. № 139, Budowa i Eksploatacja Maszyn. Z. 8. - 2001. - P. 439-448.

18. Крупич Б., Барсуков B.B. Параметры контактного взаимодействия при скольжении дисперсных частиц по изгибу трубопровода пневмотранспорта // Вестник ГрГУ. - Серия 2. - 2002. -№ 1. - С. 75-79.

19. Крупич Б. Проблемы обеспечения износостойкости деталей систем пневмотранспорта // Трение и износ. - 2002. - Т. 23. - № 5. -С.477-482.

20. Krupicz В. Erosion of the pipe bend in the jet of sold particles // Tibologia. -2002. - T. 33 (185). -№ 5. - P. 1437-1441.

21. Barsukov V.V., Krupicz B. Analiza rozkladu naprçzen w áciskanej plycie z uwzglçdnieniem plastycznego kontaktu i nieliniowego tarcia // Zeszyty Naukowe Politechniki Bialostokskej, Mechanika. № 25. - 2003. -P.5 — 13.

22. Крупич Б. Влияние деформационного упрочнения на газообразивную эрозию стали 40Х // Вестник Брестского политехнического института. Механика. Машиностроение. ЭВМ. -2003.-№4,-С. 32-36.

23. Крупич Б. Влияние интенсивности расхода абразива на эрозионный износ отдельных материалов // Горная механика. - 2003. -№3,4--С. 23-29.

24. Крупич Б. Напряжения в лопасти вентилятора, вызванные силами инерции // Горная механика. - 2003. -№ 3, 4. - С. 30-36.

25. Барсуков В.В., Крупич Б. Влияние межчастичного трения на условия сдвигового деформирования пресс-порошков и пресс-волокнитов // Материалы, технологии, инструменты. - 2003. - Т. 8. -№4.-С. 17-20.

26. Барсуков В.Г., Крупич Б., Свириденок А.И. Ударное взаимодействие твердых частиц с лопастью вентилятора // Трение и износ. - 2004 (25). -№1. - С. 41- 47.

Статьи в сборниках материалов конференций и симпозиумов

27. Krupicz В., Barsukow W. Problem zrn?czenia warstwy vvierzchniej twor2ywa podczas kawitacji // XVII Sympozjum Mechaniki Hksperymentalnej Ciala Stalego. - Jachranka, 1996. - P. 375-379.

28. Krupicz B. Erozja kawitacyjna wybranych tworzyw sztucznych // VIII Seminarium Tworzywa Sztuczne w Budowie Maszyn. - Kraków, 1997. - P. 225-232.

29. Крупич Б. Влияние пластической деформации материала на его энергоемкость и кавитационный износ // Славянтрибо-4. Материалы межд. симпозиума. - Санкт-Петербург, 1997. - Т. 4. - С. 6-10.

30. Krupicz В. Energetic Conditions for Appearance of Flux Erosion // 6th International Symposium on Creep and Coupled Processes. - Bialowieza, 1998.-P. 291-295.

31. Крупич Б. Абразивно-пылевая эрозия трубопроводов // Славянтрибо-5. Наземная и аэрокосмическая трибология-2000. Материалы межд. симпозиума. - Санкт-Петербург, 2000. - С. 147-149.

32. Крупич Б. Сравнение стойкости к газоабразивному изнашиванию полиуретанового эластомера и стали // «Ресурсосберегающие экотехнологии: возобновление и экономия энергии, сырья и материалов»: Материалы межд. науч.-техн. конф. -Гродно, 2000. - С. 72-74.

33. Крупич Б. Упругие свойства и эрозионное изнашивание материалов деталей машин // «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической промышленности и производстве строительных материалов»: Материалы межд. науч.-техн. конференции. -Минск, 2000.-С. 88-89.

34. Крупич Б. Эрозия деформационно-упрочнённых материалов // ТРАНСТРИБО-2001: Материалы межд. симпозиума. - Санкт-Петербург, 2001. - С. 128-131.

35. Крупич Б. Сравнение стойкости к газоабразивному изнашиванию полиуретанового эластомера и стали // «Ресурсосберегающие экотехнологии: возобновление и экономия энергии, сырья и материалов»: Материалы четвёртой межд. науч.-техн. конф. - Гродно, 2001. - С. 48-52.

36. Крупич Б., Якушевич С. Контактные напряжения в материалах, подвергнутых эрозионному изнашиванию // ТРАНСТРИБО-2002: Материалы межд. симпозиума. - Санкт-Петербург, 2002. - С. 57-62.

37. Krupicz В. Odpornoáó kompozytów poliuretanowych na erozjq strumieniowo-áciern^ // «Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne»: Materiaty V konferencji naukowo-technicznej. -Ustroñ, 2002. - P. 247-250.

38. Крупич Б., Мухатвалиев Р.Ф., Барсуков В.Г, Испытания материалов на удар по методу падающего шарика с учетом аэродинамического сопротивления // II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materialów i Konstrukcji. - Augustów, 2003. -C. 175-178.

39. Можаровский B.B., Марьин C.A., Крупич Б. Напряженно-деформированное состояние композиционных трубопроводов с покрытиями И II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materialów i Konstrukcji. - Augustów, 2003. - P. 255 - 258.

40. Krupicz B. Zastosownie poliuretanów do ochrony iuków ruroci^gów przed crozj^ // X Seminarium Tworzywa sztuczne w budowie maszyn. -Kraków, 2003. - P. 205-210.

Тезисы докладов на конференциях и симпозиумах

41. Крупич Б., Барсуков В. Кавитационная эрозия материалов с различной склонностью к поглощению энергии // II Конференция «НОМАТЕХ» «Материалы, технологии, инструмент». Тезисы докладов. - Минск, 1996. - № 2. - С. 59.

42. Крупич Б. Влияние упрочнения материалов на его кавитационную эрозию // «Ресурсосберегающие и экологические чистые технологии»: Тезисы докладов II науч.-техн. конференции. -Гродно, 1996.-С. 133.

43. Крупич Б. Газоабразивный износ стали 40Х после термической обработки // «Ресурсосберегающие и экологические чистые технологии»: Тезисы докладов III науч.-техн. конференции. - Гродно, 1998.-С. 308.

44. Можаровский В.В., Роуба Ю.Ф. Крупич 6. Моделирование напряженно-деформированного состояния неоднородной анизотропной среды при ударе // «О природе трения твердых тел»: Тезисы докладов межд. симпозиума. - Гомель, 1999. - С. 94.

45. Можаровский В.В., Крупич Б. Квазистатическая задача удара частиц об изотропное основание // II Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике «Механика-99». - Минск, 1999. -С. 94.

46. Крупич Б., Можаровский В., Щербо В. Напряженно-деформированное состояние трубопровода с покрытием из композита под действием ударных нагрузок // Поликом 2000: Тезисы докл. межд. науч.-техн. конф. - Гомель, 2000. - С. 20.

47. Крупич Б., Можаровский В. Исследование эрозионного износа изгиба трубопровода, покрытого защитным слоем полиуретанового каучука // Поликом 2000: Тезисы докл. межд. науч.-техн. конф. -Гомель, 2000.-С. 21.

48. Крупич Б., Барсуков В.Г. Трибологические аспекты работоспособности деталей систем пневмотранспорта // Тезисы докладов на Белорусско-польском научно-практическим семинаре. -Гродно, 2000.-С. 131.

49. Крупич Б., Барсуков В.Г. Износостойкость деталей систем пневмотранспорта при производстве древесностружечных плит и стеклопластиков // «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии»: Тезисы докл. межд. науч.-техн. конф. - Гродно, 2002.-С. 117.

50. Крупич Б. Проблемы обеспечения износостойкости деталей систем пневмотранспорта // БЕЛТРИБ-2002 «О природе трения твердых тел»: Тезисы докл. межд. симпозиума. - Гомель, 2002. - С. 21.

Патенты

51. Заявка на патент Р-324789 Польша, МКИ С 04В 18/02 Ьек1а \vypebiiacz £гапи1о\уапу / О\уогапсгук Б., Вокгук М., Кгиркг В. -№324789 Заявл. 11.02.1998. - Опубл. Вш1егуп 1Гггес1и Ра1еп1ои^о. \Varszawa, Рокка № 16, 1998.

52. Заявка на патент Р-352020 Польша, МКИ В 650 53/54 КопБ1гикс]а 1ики гигос^и о гу/^кБгопе] 0с1р0П105Ы па сЫа!ате егогуре яйчнгнеша сгг^ек $1а}усЬ / Кгиркг В. - № 362729 Заявл. 09.10.2003. -Опубл. Вш1е1уп иггеёи Patentovvego. Шаг8га\уа, РоЬка № 8, 2004.

РЭЗЮМЭ КРУШЧ БАЗЫЛ1 ГАЗААБРА31УНАЕ ЗНОШВАННЕ ВЕНТЫЛЯТАРАУ I ТРУБАПРАВОДАУ

Ключавыя словы: часщнка абраз!ва: удар, сшзганне, вентылятар, трубаправод, зное, кантактныя напружанш.

Аб'ект даследавання: вентылятары 1 трубаправоды сктэм пнеуматранспарту.

Прадмет даследавання: працэсы газаабраз^унага зношвання ротарау вентылятарау 1 выпбау трубаправодау.

Мэта работы: Навуковае абгрунтаванне I распрацоука метадау павышэння зносастойкасщ, даугавечнасщ 1 эфектыунасщ функцыянавання Ыстэм пнеуматранспарту на надставе ул ¡ку асабл1васцяу дьшам1чнага кантактнага узаемадзеяння дисперсных чаецшак з дэ талям! вентылятарау ! трубаправодау.

Метад даследавання ! абсталявание. Энергетычная тэорыя улару, гэорыя пругкасш 1 пластычнасщ, метад падаючага шарыка, метады праф1ламетрьп, аптычнай м1краскапи1 мас-спектраметрьн, абсталяванне для выпрабавашшу на эразшнае зношванне.

Паказана, што кантактнае узаемадзеянне чаецшак абраз1ва з дэталям1 вентылятара \ трубаправода р:шпзуецца па схемах, яюя прынцыпова адрозшваюцца: удар 1 апзганне. Кантактныя напружанш пры удары значна перавышаюць грашчна дапушчальныя з пазщый тэорьи Герца, што абумоухпвае упруга-пластычны характар дэфармавання матэрыяла дэталяу пнеуматранспарту у зоне кантакту.

Вывучаны заканамернасш Ударнага узаемадзеяння дысперсных чаецшак з дискам 1 лопасцю вентылятара, распрацаваны методыю разл1ку палажэшш зон найбольш штэныунага зношвання. Паказана, што напружанш ад дзеяння цэнтрабежных с1л малыя у параунашн з кантактным! напружанням^ выкшканым! дынам[чнай нагрузкай пры удары, а таксама алай Карыёлюа пры слпгашп чаецшак уздоуж лопаецк Прапанавгны спосабы павышэння зносастойкасщ дэталяу сктэм пнеуматранспарту.

Вьшш даследаванняу укаранены на спецыял1заваных прадпрыемствах, яюя займаюцца рамонтам, аднауленнем I экегшуатацыяй Ыстэм пнеуматранспарту.

РЕЗЮМЕ КРУПИЧ БАЗЫЛИ ГАЗОАБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ ВЕНТИЛЯТОРОВ И ТРУБОПРОВОДОВ

Ключевые слова: частица абразива, удар, скольжение, вентилятор, трубопровод, износ, контактные напряжения.

Объект исследования: вентиляторы и трубопроводы систем пневмотранспорта.

Предмет исследования: процессы газоабразивного изнашивания роторов вентиляторов и изгибов трубопроводов.

Цель работы: научное обоснование и разработка методов повышения износостойкости, долговечности и эффективности функционирования систем пневмотранспорта на основе учета особенностей динамического контактного взаимодействия дисперсных частиц с деталями вентиляторов и трубопроводов.

Метод исследования и аппаратура: энергетическая теория удара, теория упругости и пластичности, метод падающего шарика, методы ирофилометрии, оптической микроскопии и масс-спектрометрии, оборудование для испытаний на эрозионное изнашивание.

Показано, что контактное взаимодействие частиц абразива с деталями вентилятора и трубопровода реализуется по принципиально различающимся схемам: удар и скольжение. Контактные напряжения при ударе значительно превышают предельно допустимые с позиций теории Герца, что обусловливает упруго-пластический характер деформирования материала деталей пневмотранспорта в зоне контакта.

Изучены закономерности ударного взаимодействия дисперсных частиц с диском и лопастью вентилятора, разработаны методики расчета положения зон наиболее интенсивного изнашивания. Показано, что напряжения от действия центробежных сил малы в сравнении с контактными напряжениями, вызванными динамической нагрузкой при ударе, а также силой Кориолиса при скольжении частиц вдоль лопасти. Предложены способы повышения износостойкости деталей систем пневмотранспорта.

Результаты исследований внедрены на специализированных предприятиях, занимающихся ремонтом, восстановлением и эксплуатацией систем пневмотранспорта.

ABSTRACT Krupicz Bazyli

GAS-ABRASIVE WEAR OF FANS AND PIPELINES

Keywords: abrasive particle, impact, sliding, fan, pipeline, wear, contact stresses.

Object of research: fans and pipelines of pneumatic transport systems.

Subject of research: processes of gas-abrasive wear of fan's rotors and pipelines bends.

The purpose of work: scientific basis and development methods of increase of wear resistance in operating life and effectiveness of pneumatic transport system accounting the peculiarities of dynamic contact interaction of dispersed particles with fans and pipelines details.

Research methodology and apparatus: energetically impact theory, theory of elasticity and plasticity, method of falling ball, method of profilometry, optical microscopy and mass-spectrometiy, equipment for gas-abrasive wear testing.

It was shown that contact interaction of abrasive particles with fan's and pipeline's details is occurred according to the principle different mechanisms: impact and sliding. Contact stresses during the impact significantly exceed boundary values calculated on the basis of Hertz theory which means that elastic-plastic deformations of machine details' material occurred in the contact zone.

Interaction relations during impact of particles on fan disks and blades were studied as the well as methods for calculation of the zones of intensive wear were elaborated. It was shown that stresses resulting from the action of inertial force of whirling machine elements are small in comparison with the contact stresses caused by dynamic load during particle impact as well as Carioles force appeared during the particles' sliding on the surface of the blades. Methods of increase of wear resistance of pneumatic transport installation details were presented.

The results of the studies were implemented in special companies which deal with maintaining, regenerating and operating the pneumatic transport systems.