Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

разделительный кубик, попадают на выходную щель, где располагается объектив и фотоаппарат. Нижнее зеркало можно регулировать с помощью микрометрического винта и изменять угол его поворота относительно вертикальной оси. Для регистрации изображений был использован фотоаппарат Canon 550D с объективом

Canon EFS 55-250мм.

Образец для тестирования сконструированного прибора представляет собой круглую пластину алюминия толщиной 3 мм, зажатую болтами в металлическое основание (рисунок 2 слева). Для создания внеплоскостной деформации в центре образца используется винт, установленный на основании с задней его стороны (рисунок 2 справа). В связи с тем, что поверхность алюминия достаточно хорошо отражает свет, то для придания ей некоторой дополнительной шероховатости была произведена её покраска в серый цвет с использованием аэрографа. Подобная поверхность делает отражение не зеркальным, а диффузно-рассеянным, что, согласно теории, должно положительно сказываться на качестве получаемого спекла.

Рис. 2. Образец для тестирования

Исследуемая поверхность освещалась зеленым твердотельным лазером с установленной на нём рассеивающей линзой с расстояния 190 см. Излучение лазера было направлено перпендикулярно поверхности образца. Регистрирующая аппаратура находилась на расстоянии 200 см и плоскость входной щели была параллельна плоскости исследуемой поверхности. При таком расположении оборудования размер получаемого спекла и размер пикселя матрицы приблизительно одинаковые.

Результаты

Вид спекла, получаемого при фотографировании, представлен на рисунке 3. Изображение, как упоминалось ранее, представляет собой совмещение двух одинаковых, но смещенных друг относительно друга спекла, что наглядно видно на представленной иллюстрации.

199

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Рис. 3. Изображение спекла

Затем к объекту исследования прикладывается нагрузка, которая вызывает его деформацию. Производится повторная съемка спекла, и находится разность уровней интенсивности двух изображений по каждому пикселю с обработкой в среде Adobe Photoshop. После всех перечисленных операций получается так называемые широграммы (рисунок 4) с изображением колец в случае внеплоскостной деформации. Количество колец увеличивается по мере увеличение величины прикладываемой нагрузки, что наглядно показывает проведенный эксперимент.

Рис. 4. Широграмма (увеличение величины деформации слеванаправо)

Как уже было упомянуто в начале статьи, при нахождении разности, получается распределение разности фаз; если увеличивается величина деформации, то увеличивается изменение разности хода волн на единицу длины поверхности, что и дает увеличении количества окружностей.

Перспективы развития метода

1.Главной возможность усовершенствования метода является размещение пьезопривода на одном из зеркал для возможности регулировки величины плеча с сохранением угла поворота (фазово-сдвиговый метод). Запись 4-х изображений одного нагруженного состояния с различным положением зеркала позволяет численно рассчитать разность фаз по всему спеклу и так же численно выразить значение величины градиента деформации.

2.Создание методов фильтрации и коррекции изображений для упрощения последующих численных расчетов градиентов

3.Улучшение оптических характеристик прибора, таких как оптическая сила линз, объектива, точности установки зеркал и кубика

200

ВТСНТ – 2013

4. Организация тестирования образцов в реальном времени с использованием фазово-сдвигового метода

Список литературы

1. Wolfgang Steinchen, Lianxiang Yang. Digital shearography. Theory and application of digital speckle pattern shearing interferometry // SPIE – The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2003

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ИОНАМИ TI+ ПОВЕРХНОСТИ МЕДНОЙ ПОДЛОЖКИ НА АДГЕЗИЮ И ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ SI–AL–N

*Нейфельд В.В., ведущий инженер, *Калашников М.П., ведущий инженер, Жарков С.Ю., магистрант группы 4АМ21, Пузанова К.С., магистрант группы 4АМ21 Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет *Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия,

E-mail: [e-mail]

Теплозащитные покрытия на основе нитридов кремния−алюминия и оксидов циркония−иттрия применяются в турбореактивных и ракетных двигателях для снижения воздействия высокой температуры на основные узлы камеры сгорания, сопловые и рабочие лопатки и т. д. [1,2]. Существенное различие коэффициентов термического расширения керамического покрытия и металлической подложки, их упругих характеристик обусловливает развитие сильных термических, механических, фазовых напряжений в теплозащитных покрытиях в процессе воздействия циклических тепловых нагрузок, которым подвергаются изделия с покрытиями при эксплуатации. Релаксация этих напряжений может вызывать интенсивное растрескивание керамических покрытий с последующим их скалыванием. Поэтому одним из основных параметров, определяющих надежность и долговечность теплозащитных покрытий, является их термоциклическая стойкость (ТЦС) и адгезия к металлической подложке.

Однако величина термоциклической стойкости покрытий Si−Al−N, осажденных на медную подложку, определяется не только и не столько различием термических коэффициентов линейного расширения покрытия и подложки, но в значительной мере зависит от их структурно-фазового состояния [3]. Важную роль для улучшения термомеханических свойств покрытий играют метод и режим осаждения покрытий. Для достижения высоких значений термоциклической стойкости, прочности и адгезии покрытий Si−Al−N необходимо стремиться с одной стороны, к уменьшению среднего размера зерен в покрытии, с другой – к снижению объемной доли мягкой фазы AlN в покрытиях.

Существенное влияние на качество формируемых покрытий, их адгезию может также оказывать состояние поверхности подложки. Как правило, на поверхности образцов существует оксидный слой, который ухудшает адгезию покрытия. Технологический цикл нанесения покрытий включает в себя этап очистки поверхности образцов. С этой целью используют направленные потоки ионов инертных газов с высокой энергией. Кроме того, ускоренными ионами можно воздействовать на обрабатываемую поверхность в процессе роста плёнки (ионное

201

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

ассистирование), что позволяет изменять структуру, а, следовательно, и свойства покрытия [4].

Перспективным направлением повышения адгезионной прочности теплозащитных покрытий может стать предварительная ионная обработка подложки, которая позволяет улучшать согласование кристаллических решеток сопрягающихся материалов, и, соответственно, их физико-механических свойств [5]. В связи с этим, в настоящей работе изучается влияние обработки ионами Ti+ поверхности медной подложки на термоциклическую стойкость и адгезию осаждаемых на нее магнетронным методом покрытий на основе системы Si–Al–N.

При бомбардировке ионами Ti+ медной подложки мы контролировали время обработки при неизменном токе источника ионов и неизменных режимах напыления покрытий. Затем проводили испытания по термоциклированию образцов по режиму [3] и выясняли, как повлияла ионная обработка подложки на термоциклическую стойкость покрытия.

Рис.1 Зависимость термоциклической стойкости покрытий Si–Al–N от времени ионной бомбардировки подложки

Из рисунка 1 видно, что увеличение длительности ионной обработки от 1,5 минут до 6 минут существенно увеличивает термоциклическую стойкость покрытий. Дальнейшее увеличение времени воздействия ионным пучком на поверхность медной подложки от 6 минут и более не оказывает существенного влияния на термоциклическую стойкость.

Увеличение термоциклической стойкости может быть связано с изменением как адгезии покрытия с подложкой, так и структуры и свойств самого покрытия. Поскольку осаждение покрытий проводилось при одном и том же режиме напыления, то можно полагать, что структура и свойства покрытий остаются неизменными, и можно сделать предположение о том, что ионная бомбардировка поверхности подложки способствует увеличению адгезии осаждаемого на нее покрытия. Для определения справедливости этого предположения была измерена адгезия покрытий на медных подложках при изменении времени их ионной бомбардировки.

202

ВТСНТ – 2013

Рис.2 Зависимость адгезии покрытий Si–Al–N от времени ионной бомбардировки подложки.

Данные рис. 2 качественно подтверждают это предположение. Видно, что при увеличении длительности ионной обработки поверхности подложки перед нанесением покрытий от 1,5 минут до 6 минут их адгезия также возрастает. Для того чтобы понять причину повышения термоциклической стойкости и адгезии покрытий было проведено исследование влияния времени ионной обработки на морфологию поверхности подложки.

Известно [6], что облучение медной подложки тяжелыми ионами (Ar+, Kr+, Hg+) может вызывать изменение рельефа поверхности. Это явление происходит вследствие распыления бомбардирующими ионами кристаллической решетки, в которой имеются дефекты строения. Оно может быть обусловлено зарождением и движением дислокаций, рекристаллизацией зерен, фазовыми превращениями в приповерхностном слое, действием ионно-индуцированных напряжений.

С помощью растровой электронной микроскопии было выявлено (рис.3), что обработка медной подложки сильноточным потоком ионов Ti+ действительно может приводить к существенному изменению морфологии поверхностного слоя в зависимости от параметров облучающего потока.

Видно (рис. 1а), что на поверхности медной подложки при ее бомбардировке ионами Ti+ начинает появляться неравномерное ионное травление и начинает образовываться рельеф поверхности. Это происходит за счет разных скоростей эрозии соседних участков поверхности.

После двух минут обработки (рис. 1б) начинают проявляться фигуры травления, отдельные участки травятся быстрее, образуя ямки травления.

При дальнейшем увеличении времени распыления до 3 минут (рис. 1в) картина рельефа поверхности развивается так, что ямки травления углубляются, а плохо травящиеся элементы в виде коротких выступающих над поверхностью вискеров, начинают частично соединяться горизонтальными перемычками, образуя под собой в материале поверхностного слоя подложки пустоты.

203

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

а

б

в	г
Рис. 3. Влияние времени ионной обработки на поверхность меди.
а) длительность ионной обработки 1,5 мин.; б) 2мин.;	в) 3мин.; г) 6 мин.

Дальнейшая обработка протравленной поверхности ионами Ti+ в течении 6 минут (рис. 1г) приводит, с одной стороны, к еще более значительному углублению ямок травления, а, с другой, к росту и укрупнению горизонтальных перемычек между вискерами, так что кроме ямок травления в поверхностном слое образуются пустотные каналы. Таким образом, в поверхностном слое формируется регулярная сетчатая структура с характерным поперечным размером горизонтальных и вертикальных элементов ~ 1-2 мкм.

При последующем осаждении атомарного потока распыляемого магнетроном материала мишени на такую развитую поверхность он, по-видимому, заполняет ямки травления и образовавшиеся пустотные каналы, приводя к возникновению выступов на поверхности покрытия, которые входят в зацепление с выступами на подложке. В результате этого вдоль интерфейса образуется двойная переплетенная сетчатая структура из элементов покрытия и подложки, которая значительно усиливает их адгезию. Соответственно, с увеличением адгезии при удлинении продолжительности предварительной обработки поверхности медной подложки ионами Ti+ повышается термоциклическая стойкость покрытий Si−Al−N.

Авторы выражают благодарность научному руководителю д.т.н., доценту Сергееву В.П. за постановку задачи, помощь в организации исследований,

204

ВТСНТ – 2013

обсуждение полученных результатов и научному сотруднику ИФПМ СО РАН Воронову А.В. за проведение исследований адгезии покрытий.

Список литературы:

1)Tamarin Y. Protective Coatings for Turbine Blades/ USA: ASM International, 2002.-300 p.

2)Новые технологические процессы и надежность ГТД/Обеспечение прочностной надежности рабочих лопаток высокотемпературных турбин // Научнотехнический сборник под ред. Ю.А. Ножницкого и Р.И. Ткаченко. М.: ЦИАМ, 2008.- Вып. 7- 172 с.

3)Сергеев В.П., Федорищева М.В., Сунгатулин А.Р., Никалин А.Ю., Нейфельд В.В. Структура и термомеханические свойства покрытий на основе Si-Al- N при осаждении методом импульсного магнетронного распыления // Известия ТПУ. – 2011. – Т.319. – № 2. – С.103–108.

4)Жуков В.В., Кривобоков В.П., Янин С.Н. Распыление мишени магнетронного диода в присутствии внешнего ионного пучка//Журнал технической физики.- 2006.- T.76.- №4.

5)Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Томск: Изд-во Том. политех. ун-та, 2008. 286 с.

6)Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 2 //Распыление сплавов и соединений; пер. с анг.А.И.Додонова, И.Н.Евдокимова, В.В.Плетнева/Под ред. Р.Бериша.-М.: Мир, 1986.-488 с.

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

С. М. Журавский, студент группы 10А12, Д. С. Карцев, студент группы 10А12 Юргинский технологический институт (филиал)

Национального исследовательского Томского политехнического университета 652050, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская,26, тел. [phone]

E-mail: [e-mail]

Понятие моделирования используется как в широком, общепознавательном смысле, так и в узком, специальном. В широком смысле моделирование охватывает все познание в соответствии с принципом – познать объект, значит, смоделировать его. В узком – это специфическая форма познания, при которой объект исследования воспроизводится в виде модели, отражающей стороны изучаемого технического объекта. Процесс моделирования выступает как единство трех стадий: 1 – изучение параметров реальной системы и построение модели; 2 – исследование модели; 3 – экстраполяция изученных свойств модели на ее оригинал [1]..

Основными видами моделирования являются:

физическое:

аналоговое:

математическое.

205

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

При физическом моделировании изучение физических процессов и объектов осуществляется на физических моделях, той же физической природы, что и “натура”, но отличается от нее размерами или режимами протекающих в ней процессов (нагрузками, скоростями и т.д.) Этот вид моделирования считается основным и применяется чаще всего при проектировании и создании сложных и дорогостоящих технических систем (машин, сооружений, мегакомплексов) с целью проверки и уточнения существующих методов теоретического расчета.

Аналоговое моделирование осуществляется на универсальных и специализированных аналоговых, аналогово-физических и аналогово-цифровых машинах. Они применяются для решения дифференциальных уравнений, моделирования процессов трения, удара и других процессов. При этом используются известные аналогии между электрическими, механическими, тепловыми, гидродинамическими и другими физическими процессами.

В настоящее время аналоговое моделирование все больше уступает место математическому, которое осуществляется на цифровых вычислительных машинах и отличается универсальностью и большими вычислительными возможностями. Этот вид моделирования широко используется в проектных и эксплуатационных расчетах, отличающихся большим числом возможных вариантов, схем связи, характеристик параметров и режимов функционирования. Модели в качестве средств познания стали использоваться еще на заре развития науки, когда Галилей задался вопросом – почему модель в миниатюре, геометрически подобная прототипу, действует в совершенстве, в то время как реальная машина не выдерживает нагрузок? Первым дал ответ на этот вопрос в 1636 году И.Ньютон, сформулировавший в форме закона «теорему о механическом подобии». На основании теоремы подобия Ньютон вывел «закон сопротивления жидкости движущемуся в ней твердому телу». Затем Л.Эйлер на основании проверочных расчетов модели арочного моста через Неву, построенного Кулибиным, опубликовал в 1776 году статью «Легкое правило, каким образом из модели деревянного моста или подобной другой машины, которая тяжесть нести должна, можно ли то же самое сделать в большем, чем модели виде». В первой половине 1930-х г.г. В.П. Горячкин и Н.Д. Лучинский применили принципы механического подобия для построения серии разнообразных сельскохозяйственных машин; определения значения различных сил; зависимости сопротивления от размеров, удельного веса и др. параметров. Успешное применение принципов подобия для разработки серий сельскохозяйственных машин обеспечило широкое применение для разработки других машин: автомобилей, горных машин, кузнечно - прессового оборудования, бурильных и др. Так с помощью теории подобия удалось установить для экскаваторов не только зависимость от ёмкости ковша, линейных размеров, веса, мощности и производительности самих экскаваторов, но и параметры выработок, буровых установок и транспортных машин для отгрузки породы. У автомобилей законами подобия были увязаны их основные параметры: линейный размер, вес, максимальная скорость движения, мощность, вес перевозимого груза (для грузовых автомобилей). Благодаря теории подобия был получен целый ряд важных практических рекомендаций. Так в конструкциях, в которых собственный вес не играет существенной роли, имеет место закономерность: чем меньше размеры конструкции, тем больше её прочность. Если с увеличением размеров транспортных средств увеличивать мощность двигателя пропорционально кубу линейных размеров, то скорость увеличивается, а время доставки и стоимость

206

ВТСНТ – 2013

перевозки тонны груза на один километр уменьшается. Таким образом, скоростные

ибольшегрузные виды транспорта во всех отношениях оказываются выгоднее.

Внастоящее время, как писал академик М.В. Кирпичев: “Теория подобия стала основой эксперимента и ни одно исследование как в области физики, так и в технике не может ее игнорировать”. Особенно широко законы подобия применяются для исследования и выбора параметров различных горных, сельскохозяйственных, землеройно-транспортных машин, автомобилей и Д.В.С., судов, компрессоров и вентиляторов. Весьма плодотворным оказалось использование теории подобия и размерностей при изучении: процессов обработки металлов давлением, трением, резания металлов и грунтов, теплопередачи, напряжений и деформаций, энергетики и электропередачи и др.

Понятие аналогии было введено еще Аристотелем для обозначения функционального и морфологического сходства органов живых организмов. А Чарльз Дарвин перенес понятие аналогии на возникновение в ходе эволюции в сходственных условиях жизни приспособления к окружающей среде организмов далеких системных групп. Таким образом, этот термин имеет явное биологическое происхождение. Аналогия в биологии – это внешнее сходство различных органов или организмов, имеющих неодинаковое строение, но выполняющих одинаковые функции, обусловлено это общностью образа жизни. Аналогичными являются форма тела акулы, ихтиозавра и дельфина, имеющих разное строение. Метод аналогии широко используется в механике и математическом моделировании с использованием ЭВМ. С помощью разработанных математических моделей можно проводить оценку надежности на всех этапах жизненного цикла любых конструкций – при их проектировании, изготовлении, эксплуатации и утилизации изделий.

Внастоящее время при открытом способе добычи угля на ряде угольных разрезов Кузбасса и республики Саха – Якутия находятся в эксплуатации электрические соединители на напряжение 3 кВ, которые применяют для соединения строительных длин высоковольтных гибких кабелей, предназначенных для передачи электрической энергии от мест выработки до мест потребления Применение этих соединителей существенно повышает производительность труда и обеспечивает надежность эксплуатации оборудования. Однако, повышение производительности добычи угля требует увеличения единичной мощности оборудования, соответственно передачи больших энергий по кабелю, что можно осуществить путем повышения подводимого рабочего напряжения карьерных сетей. Сейчас ведутся проектные работы по разработке электрических соединителей на рабочее напряжение 6 кВ.

Нами, проведена оценка надежности изоляции проектируемых электрических соединителей на напряжение 6 кВ с помощью уравнения, полученного на основе термофлуктуационной теории разрушения. [2].

	l S		0,83ln1,3P
P( ) exp		z exp
			z
	0,48 V0

где l,S параметры электрической конструкции;

V0, ,P,z параметры электрической изоляции;

l – толщина диэлектрика;

S – площадь наименьшего электрода;

207

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Р – концентрация неоднородностей;

V0 – объем диэлектрика, в котором в среднем имеется одна элементарная неоднородность;

– коэффициент неоднородности поля; z – отношение осей эллипсоида включения.

Разработанная математическая модель оценки вероятности безотказной работы электроизоляционных конструкций позволяет учитывать воздействующие эксплуатационные факторы (такие как температура, механические и электрические нагрузки) и протекающие физико-химические процессы старения изоляции. Параметры, входящие в уравнение вероятности безотказной работы, являются характеристиками электроизоляционной конструкции и электроизоляционных материалов. В данной работе с помощью разработанного программновычислительного комплекса по оценке надежности изоляции проектируемых электрических соединителей на напряжение 6 кВ определены параметры уравнения надежности, которые могут быть использованы при их проектировании, изготовлении и техническом обслуживании.

Список литературы

1.Н.И. Дятчин. История и закономерности развития техники, законы строения, функционирования и развития технических объектов и систем. Т.2 Барнаул Изд-

во Алт ТГУ 2010. -220 с.

2.В.С. Дмитриевский. Термофлуктуационная теория разрушения диэлектриков – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 149 с.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕЙ БУРОВОГО РАСТВОРА

О.П. Ивкина, А.В. Черемнов, Ан И-Кан, д.т.н., проф. Томский политехнический университет,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, тел. [phone]

E-mail: [e-mail]

В настоящее время наиболее перспективную и лидирующую позицию на рынке занимает нефтегазовая отрасль. Нефть и газ добывают из скважин, строительство которых представляет собой сложный комплекс проводимых работ, требующий больших материальных вложений.

При вращательном способе бурения разрушенная порода удаляется из скважины посредством бурового раствора. Наибольшее распространение в отечественной практике бурения скважин получили глиняные растворы. К недостаткам растворов такого типа следует отнести выпадение глины в осадок. Вследствие чего, для поддержания однородности массы, необходимо осуществлять постоянное перемешивание раствора.

Выпускаемые для этой цели перемешиватели бурового раствора представляют собой сложную механическую систему. Перемешиватель бурового раствора предназначен для перемешивания буровых растворов, растворов реагентов и других жидкостей плотностью до 2,2 г/см3 в резервуарах с объёмом до 40 куб. м и

208