ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
НИКИТЕНКО КОСТЯНТИН ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 621.7.044
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГII ВИГОТОВЛЕННЯ ДОВГОМIРНИХ
БАГАТОШАРОВИХ ТРУБ ДЛЯ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ
МЕТОДОМ ГАЗОДЕТОНАЦIЙНОГО ФУТЕРУВАННЯ
Спеціальність 05.07.04 – технологія виробництва
літальних апаратів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2002
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник:
Офіційні опоненти:
Провідна установа:
доктор технічних наук, професор
Борисевич Володимир Карпович ,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”,
Міжнародний інститут нових технологій i матеріалів
(МIНТ “ХАI”), директор
доктор технічних наук, професор
Мовшович Iсаак Якович,
головний iнженер Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування
кандидат технiчних наук, доцент
Савченко Микола Федорович,
кафедра техніки та технології,
Харківський державний економічний університет
ВАТ Український науково-дослідний інститут авіаційної технології, м. Київ.
Захист відбудеться “15” листопада 2002 р. о 12 й годині на засіданні спецiалiзованоi вченої ради Д64.062.04 в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАI” за адресою: м. Харків, вул. Чкалова 17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за адресою: м. Харків, вул. Чкалова 17.
Автореферат розісланий 14 жовтня 2002 р.
Вчений секретар
спецiалiзованоi вченої ради Корнiлов Г.Л.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. До конструкції літального апарату (ЛА) висуваються підвищенні вимоги надійності всіх елементів при забезпеченні їх мінімальної маси.
Значне місце в конструкції ЛА займають трубопроводи. В системах живлення двигунів ракет та в інших ЛА вони часто працюють з корозійно небезпечними рідинами (або речовинами) і потребують відповідного захисту робочих поверхонь труб. Питання забезпечення високого ресурсу трубопроводів, які працюють в умовах агресивного середовища, примушує шукати шляхи зниження сумарної довжини зварних швів і підвищення долі трубопроводів великого подовження. Крім того, вимоги забезпечення захисту від агресивного середовища диктують необхідність застосування у конструкціях ЛА трубопроводів із захисним шаром (бішарових або багатошарових).
Забезпечення вимог якості довгомірних поліметалевих труб при вказаних умовах експлуатації пов’язано з рядом технологічних особливостей і проблем виробництва, що не виникають при створенні біметалевих труб у загальному машинобудуванні: можливості якісної футеровки труби з відношенням довжини до діаметру L/D > 40 (150 мм D 15 мм) з тонким плакувальним шаром (товщиною до 20% від загальної товщини стінки бішарової труби); забезпечення якості поверхні плакувального шару при футеровці в’язкими металами; розробка технологічних процесів футеровки довгомірних поліметалевих труб, що забезпечують регламентовану якість та ресурс.
Пошук технологій, що задовольняють вимогам якості виробництва поліметалевих труб, привів до рішення про можливість застосування для цього імпульсної технології, зокрема, газодетонаційної.
Особливості газового енергоносія дозволяють легко формувати заряд необхідної величини у порожнині трубчатої заготовки. Здатність детонаційної хвилі у газовій суміші постійного складу розповсюджуватися на велику відстань у каналі постійного перерізу і виділяти енергію безпосередньо у стінки заготовки, роблять зручним застосування цього енергоносія в технології футерування труб.
Детонаційна хвиля, яка поширюється порожниною трубчастої заготовки з відносно невеликими швидкостями (у порівнянні з твердими вибуховими речовинами), є хвилею навантаження, яка формує локальну область формозмінювання оболонки. Параметри руху стінки оболонки у цій області і взаємодія з товстостінною трубою основного шару відмінні від тих, що виникають при штамповці бризантними вибуховими речовинами. Це потребує побудови адекватної моделі процесу і її дослідження за допомогою факторів, які впливають на формування бішарового з’єднання.
Аналіз промислових процесів отримання біметалевих труб показує значний вплив механічних властивостей матеріалів шарів, ступіня їх деформації у процесі плакування, а також підготовки контактних поверхонь на щільність з’єднання. Розробка газодетонаційної технології футерування довгомірних труб потребує з’ясування ступеня впливу цих факторів у динамічному процесі на якість виробів.
Таким чином, задача дослідження можливостей і розробка технології газодетонаційного футерування бішарових довгомірних труб представляється актуальною.
Зв’зок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно державних науково-технічних програм України:
-
"Розробка критичних імпульсних технологій виготовлення нових матеріалів і деталей машинобудування з листових заготовок, орієнтованих на конверсійні можливості підприємств України", етап 3 і 4, 2000р;
-
"Імпульсні ресурсозберігаючі технології і устаткування для підвищення характеристик виробів машинобудування і ВПК України", 1994 – 1999 рр з продовженням в 2001 – 2002 роках;
-
Державної програми Міносвіти і науки України "Розробка технологічних процесів і обладнання для імпульсної штамповки листових заготовок при виробництві двигунів авіаційної та космічної техніки", 2000 – 2002 рр.
Матеріали роботи використані також в ініціативних госпрозрахункових договорах з підприємствами для впровадження.
Ціль і задачі дослідження. Ціллю дисертації є розробка і впровадження в виробництво науково обґрунтованої технології виготовлення довгомірних бішарових труб методом газодетонаційного футерування для підвищення ресурсу трубопроводів систем живлення ракет та інших ЛА, та дослідження умов, пов’язаних з технологічним забезпеченням якості цих труб.
Для досягнення поставленої цілі в дисертації були вирішені наступні задачі:
1.
Проведений аналіз закономірностей формозмінювання трубчастих заготовок великого подовження зовнішнього основного та внутрішнього плакувального шарів, зібраних коаксиально, при навантаженні детонаційною хвилею, що розповсюджується порожниною заготовки.
2.
Визначені показники якості виготовлення двошарових довгомірних труб газодетонаційним футеруванням і параметри оптимізації технологічного процесу.
3.
Проведені експериментальні дослідження технологічних можливостей та дефектів дослідних зразків бішарових труб.
4.
Розроблений раціональний технологічний процес газодетонаційного футерування довгомірних труб для заданого сполучення шарів металів, а результати дослідження впроваджені в виробництво.
Об’єктом дослідження є технологічний процес виготовлення довгомірних бішарових труб методом газодетонаційного футерування хвилею тиску, що розповсюджується по довжині труби.
Предметом дослідження є технологічне забезпечення якості бішарового трубопроводу, що відповідає вимогам стандартів авіаційної галузі.
Методи дослідження. Для дослідження динаміки пружньо-пластичного вільного деформування тонкостінної оболонки до зіткнення та її спільного деформування з товстостінним пружним циліндром використані переважно методи загальної теорії тонкостінних оболонок та теорії малих пружньо-пластичних деформацій.
Для аналізу технологічних можливостей забезпечення регламентованої якості бішарових трубопроводів використаний комплексний метод чисельного розрахунку і експериментальної перевірки. В експериментальних дослідженнях використані методи механічних випробувань і тензометрії, ємкісний метод реєстрації переміщувань оболонки з використанням стандартної і спеціально спроектованої реєструючої апаратури.
Наукова новизна отриманих результатів:
-
розроблена і досліджена нова технологія футеруваня довгомірних бішарових труб безпосереднім впливом детонаційної хвилі на заготовку плакувального шару, що істотно розширює можливості досягнення необхідного рівня якості виробів та знижує трудоємкість процесу;
-
розроблена математична модель формозмінювання вісесиметричної тонкостінної оболонки великого подовження хвилею тиску, що рухається; це дозволило встановити параметри, які впливають на перебіг технологічного процесу і вибір раціональної величини навантаження; особливість моделі полягає у врахуванні резонансних частот деформування, швидкості фронту навантаження, зміцнення матеріалу при вільній та сумісній пластичній деформації оболонки;
-
на основі запропонованої математичної моделі, однією з особливостей якої є врахування впливу швидкості деформування плакувального шару на величину контактного тиску запресовки шарів, розроблені рекомендації для вибору геометричних параметрів заготовок та їх фізико-механічних властивостей, які забезпечують оптимальну величину тиску футерування;
-
обґрунтовані ефективні способи видалення повітряних порожнин на межі контакту шарів і методи підвищення площі контакту шарів, що дозволило проаналізувати та усунути технологічні дефекти при футеруванні довгомірних бішарових труб в експериментах хвилею тиску, що рухається.
Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень дозволили:
-
проектувати та здійснювати нові технологічні процеси газодетонаційного футерування довгомірних бішарових трубопроводів;
-
рекомендувати необхідний тиск футерування, який забезпечує максимальну величину контактного тиску шарів, в залежності від розмірів заготовки та властивостей застосованих матеріалів;
-
дати рекомендації щодо підготовки заготовок шарів, що забезпечують чистоту поверхонь, які знаходяться у контакті; рекомендувати режим та умови футерування, що забезпечують якість бішарового з’єднання;
-
розробити конструкцію і налагодити роботу систем спеціалізованної газодетонаційної установки для футерування довгомірних труб, яка відповідає умовам авіаційного виробництва (невелика партія труб, часті переналагодження і т.і.);
-
розпочати відпрацювання експериментальної технології на виробництві.
Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних і практичних розробок дисертації належить особисто здобувачеві. Особисто автором доопрацьована математична модель деформування тонкостінної оболонки для випадку навантаження хвилею тиску, що рухається. Налагодження і дороблення конструкції експериментальної установки виконані спільно з к.т.н. с.н.с. Бакаєвим С.Н. на підставі попереднього досвіду експлуатації газодетонаційного устаткування в лабораторії МІНТ "ХАІ". Впровадження у виробництво виконано спільно із спеціалістами підприємства "Мотор Січ" та ДКБ "Південне".
Апробація результатів роботи. Основні результати, положення доповідалися та обговорювалися на науково-технічних семінарах Міжнародного інституту нових технологій (МІНТ "ХАІ"), на науково-технічній конференції Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" (м. Харків, 2000 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях "Перспективні технології та обладнання обробки тиском в машинобудуванні та металургії" (м. Краматорськ, квітень 2001 р. та лютий 2002 р.).
Публікації. Основний зміст роботи викладено у 5-ти статтях і 2-х річних звітах по науково-дослідній роботі.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів і висновків. Текст дисертації складає 140 стор., містить 74 ілюстрації, 10 таблиць; список використаної літератури складає 128 найменувань; всього 184 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі коротко викладено стан проблеми та актуальність дослідження, сформульовані ціль і задачі дисертації, наукова новизна, практична цінність роботи, наведені відомості про апробацію роботи, публікації, структуру та об’єм дисертації.
В першому розділі показано, що в наш час існує багато способів виготовлення біметалевих труб різного призначення. Проведений аналіз цих способів за трьома технологічними критеріями – точність отриманих розмірів труб, якість зварювання (запресування) шарів і застосування матеріалів для основного і плакувального шарів, – показав, що відомі методи виробництва не забезпечують виготовлення якісних труб, які мають відношення довжини до діаметру L/D > 40 (150 ммD15 мм) і товщину плакувального шару не більше 25% від загальної товщини стінки. Проблема виробництва якісних біметалевих труб для авіації може бути вирішена у рамках існуючої технології термодифузійного зварювання, якщо буде вирішена задача отримання точних двошарових заготовок із розвинутою поверхнею контакту шарів, необхідною величиною контактного тиску запресовки шарів і якістю поверхні плакувального шару.
Аналіз імпульсних методів і встановлення межі їх застосування, дозволив виділити газодетонаційний метод як найбільш перспективний для виготовлення довгомірних високоякісних бішарових труб. Серед відомих схем газової штамповки відмічено як раціональне використання енергії газової детонації за схемою хвилі, що рухається порожниною заготовки і безпосередньо впливає на неї (рис. 1). Нова технологія дозволяє футерувати труби необмеженої довжини.
Необхідно оцінити можливості застосування подібної технології і порівняти показники процесу із технологічними параметрами оцінки якості.
Аналіз вимог, висунутих до бішарових труб, дозволив виділити три критерії оцінки якості:
контактний тиск запресовки, точність розмірів шарів і сумарна площа контакту після газодетонаційної роздачі.
У другому розділі показано, що у прикладних дослідженнях, одним з яких є і ця робота, доцільне використання теоретико-експериментального методу.
Проаналізований стан та методи досліджень у галузі динамічних процесів деформування труб. Встановлено, що до основних параметрів, якими можливо керувати в технологічному процесі, відносяться:
-
характеристики матеріалів шарів (границі текучості);
-
геометричні розміри труб заготовок і початковий зазор;
-
робочий тиск футерування, Р.
Показано, що задача аналітичної оцінки технології футеровки труб хвилею тиску, що рухається, пов’язана з розглядом поведінки тонкостінної оболонки при вільній і сумісній деформації як коливальної системи, на характеристики якої впливає багато факторів – швидкість руху навантаження, його амплітуда та час дії; геометрія оболонки та ін. Вирішення задачі необхідно шукати з урахуванням зміни навантаження і залежності напруг від деформації у часі.
Проведений аналіз визначив ціль та задачі даного дослідження.
Третій розділ присвячений теоретичному аналізу закономірностей формозмінювання оболонки у технологічному процесі газодетонаційного футерування.
Технологічний процес футерування здійснюється шляхом роздавання тонкостінної вісьосиметричної довгомірної оболонки, встановленої коаксиально з початковим зазором ? в товстостінний пружний циліндр. Тому процес деформування оболонки хвилею навантаження, що рухається, розглядали, виділяючи три етапи деформування – вільний рух, спільна деформація оболонки і циліндра, спільне розвантаження. При цьому при моделюванні формозмінювання оболонки приймалися припущення, прийняті у загальній теорії оболонок.
На стадії вільного руху оболонки положення точки на її серединній поверхні в будь-якому перетину Х на вісі у будь-який час t залежало від положення фронту навантаження та визначалося із рівняння руху:
де – згинальна жорсткість; Е – модуль пружності; R, h – радіус серединної поверхні і товщина стінки оболонки; u – відхилення стінки оболонки; – щільність матеріалу оболонки; – функція навантаження.
Рішення задачі в переміщеннях проводилося розкладенням у ряди Фур’є компонентів переміщень і навантаження у рівнянні руху. Переміщення серединної поверхні представлено у вигляді, який задовольняє граничним умовам,
,
де a(t), b(t), – деякі величини, які отримують з вирішення задачі; V – швидкість фронту тиску. Навантаження розкладанням в ряди Фур’є представлено у вигляді
,
де р0, р1 – компоненти тиску, які відповідають випадкам ідеально пластичного матеріалу та матеріалу з невеликим лінійним зміцненням.
Особливістю розглянутої задачі визначення відхилення стінки у будь-який момент часу є рішення для випадку резонансної частоти. Розглянуті також два випадки положення фронту навантаження, який рухається зі швидкістю V по оболонці довжиною L для часу та . Зв’язок між цими двома випадками при визначенні констант у рівняннях руху встановлюється за допомогою умов безперервності переміщення стінки оболонки та її похідної у мить часу t=L/V
.
Це рішення дозволяє, як наслідок, знайти переміщення стінки оболонки при миттєвому прикладенні навантаження по всій довжині.
Модель, яка побудована, не дозволяє отримати аналітичний вираз для максимального відхилення оболонки, оскільки рішення наведено в рядах Фур’є, коефіцієнти яких змінюються у часі. Для аналізу положення стінки оболонки зручно використовувати чисельні методи.
Із цього аналізу встановлено, що швидкість фронту руху навантаження сильно впливає на величину максимальної вільної деформації оболонки. Швидкість навантаження має граничну величину, коли деформація оболонки сягає максимальної. Проте, в технологічному діапазоні робочих тисків футерування 15-40 МПа, швидкість детонації варіюється у межах 80 м/с, що у розрахунках можна не враховувати.
Модель сумісної деформації оболонки та циліндра базується на спільному рішенні рівнянь руху у переміщеннях для оболонки і циліндра
,
,
де – контактний тиск на межі розділу шарів бішарової труби; – відповідно радіальні та окружні напруження в стінці циліндра; u c – радіальне переміщення внутрішньої стінки циліндра; c – щільність матеріалу циліндра; r – радіус деякої поверхні циліндра.
З рівняння руху стінки циліндра отримано вираз для контактного тиску, який представлений у вигляді
,
де ? – особиста частота коливання циліндра; a, b – внутрішній та зовнішній радіуси циліндра.
Задовольняючи граничним умовам, переміщення стінки оболонки представлено у вигляді
.
Вираз для навантаження
,
де р00, р11 – компоненти тиску в задачі про спільне деформування шарів, які відповідають випадкам ідеально пластичного матеріалу та матеріалу з невеликим лінійним зміцненням.
Зв’язок з рішенням задачі для вільного руху оболонки встановлюється за допомогою початкових умов, за які прийнято стан оболонки у будь-якій точці на її поверхні на відстані від торців у мить початку спільної деформації
,
де u0 = - вільне переміщення стінки оболонки, що в мить часу tx у точці Х дорівнює початковому зазору між стінками оболонки та циліндра.
Загальне рішення задачі про спільну деформацію представлено у вигляді ряду
,
де aс*(t) – коефіцієнти ряду, які відповідають випадку резонансу; n – особиста частота оболонки.
Модель, яка побудована, дозволяє моделювати динаміку поведінки оболонки при спільній деформації, враховуючи її параметри руху в момент контакту, та отримувати кінцеві прогини; моделювати технологічні процеси футеровки різних матеріалів шарів, змінюючи їх властивості, геометричні розміри, задавати амплітуду та швидкість руху навантаження. У моделі враховується зміцнення матеріалу оболонки у вигляді лінійної функції
,
де ?S – границя текучості матеріалу оболонки; – коефіцієнт зміцнення матеріалу; ei – інтенсивність деформацій; eS – інтенсивність деформацій, що відповідає початку текучості матеріалу.
Математична модель розрахунку параметрів бішарової труби після розвантаження (контактного тиску Рkr між шарами) описувалася узагальненим законом Гука. Із розглядання рівноваги елемента оболонки після розвантаження шарів отримана залежність для контактного тиску
,
де max, - максимальні значення деформацій при спільному русі оболонки та циліндра та при спільному розвантаженні відповідно. На відміну від позначення контактного тиску рk(t), яке прийняте для процесу взаємодії шарів під час навантаження, Pkr – це контактний тиск між шарами вже після їх розвантаження і не залежить від часу.
.
При цьому, на відмінність від інших робіт, сам процес розвантаження не розглядався, а були визначені його кінцеві параметри з урахуванням залишкової деформації.
Проаналізовано вплив деяких параметрів на ступінь запресування шарів, яка оцінювалася коефіцієнтом динамічності kd – відношення максимального динамічного відхилення стінки оболонки при спільній деформації до максимального статичного. Показано, що величина початкового зазору ?, відповідна максимальному коефіцієнту динамічності, відповідає оптимальному співвідношенню імпульсу тиску і роботи деформації (рис. 2). Підвищення тиску навантаження в область граничних деформацій малоефективне через слабкий вплив на величину запресовки шарів (див. рис. 2).
В четвертому розділі наведені методика і результати експериментальних досліджень, що проводилися з метою вивчення закономірностей динамічної вільної і сумісної деформацій оболонки в технологічному процесі, уточнення і доповнення теоретичних даних і припущень, видачі рекомендацій по проектуванню технологічних процесів. Дано опис експериментального вимірювального комплексу на базі установки МІРТ-1, методики проведення тарировки апаратури і вимірювань.
Експериментально визначались радіальна та вісьова швидкість пластичного фронту, що полягало у фіксуванні часів приходу детонаційної хвилі у заданий переріз і початку радіального руху стінки оболонки. Встановлено, що на початковій ділянці (порядку декількох діаметрів) формоутворення проходить за схемою миттєвого прикладення навантаження, або по механізму пластично-
го фронту, що прискорюється, який доганяє фронт детонації на деякій відстані від торця труби.
Встановлено, що максимальна деформація стінки циліндра основного шару сильно залежить від радіальної швидкості оболонки в момент зіткнення, яка визначається вісевою швидкістю руху пластичного фронту (рис. 3). Тому на початковій ділянці труби, де швидкість пластичного фронту не стабілізувалась і радіальна швидкість деформування нижче розрахованого значення, маємо менші пікові динамічні прогини. Це є причиною того, що на початковій ділянці (порядку трьох діаметрів) контактний тиск запресовки нижчий за отриманий по довжині труби на 35-40 % (рис. 4). Цю ділянку труби треба враховувати як технологічний припуск. Ліквідації цього недоліку сприятиме усунення ділянки з перехідним режимом детонації на початку процесу деформування за рахунок вдосконалення конструкції вузла ущільнення і перепуску детонаційної хвилі.
Показано, що у розрахунках контактного тиску необхідно враховувати радіальну швидкість оболонки. Якщо вона наближається до граничної швидкості, при якій пружність оболонки зводиться до нуля, необхідно вводити поправочний коефіцієнт. Ця гранична швидкість описується формулою [Громова А.Н. “Иследование механизма калибровки деталей при импульсных процессах штамповки”]
,
де – швидкість пружної хвилі у матеріалі оболонки; – величина пружної деформації; ka – коефіцієнт, що враховує акустичний опір матеріалів основного і плакувального шарів. Висока швидкість удару сприяє підвищенню контактного тиску запресовки шарів.
Показано, що для отримання максимальної швидкості в момент удару, початковий зазор між шарами повинен знаходитися у межах 30-40 % від максимальної вільної деформації оболонки при даному тиску футерування. Проаналізовано вплив геометрії оболонки і величини навантаження на динаміку деформування. Зроблено висновок про те, що оптимальний тиск футерування, що забезпечує максимальну ступінь запресовки, може бути отриманий підбором діаметра і товщини стінки оболонки плакувального шару.
Розходження виміряних величин в експериментах і отриманих теоретично, складає 10-13%.
В п'ятому розділі розглянуті питання проектування і налагодження технологічного устаткування, наведені розрахунки по проектуванню оптимального технологічного процесу на прикладі виготовлення бiшарових труб із сполученням нержавіюча сталь (12Х18Н10Т) – алюмінієвий сплав (АМг). Описані вимоги до загоовок, технологічна підготовка поверхонь трубчастих заготівок і технологічний процес отримання бішарової довгомірної труби методом газодетонаційного футерування. Головна вимога до заготовок, які представляють собою монометалеві труби для основного та плакувального шарів, – якомога більша точність розмірів, що відповідають точності готової бішарової труби. Це обумовлює вимоги застосування безшовних заготовок, проведення попередньої калібровки товстостінних заготовок та інше. Якість контакту поверхонь шарів, що з'єднуються, забезпечується на попередній стадії технології хімічною та механічною обробкою заготовок, а безпосередньо на стадії футерування – вибором раціонального робочого тиску та початкового зазору.
З урахуванням специфіки розглянутого технологічного процесу та виробів розроблена спеціалізована установка, принципова пневмогазова схема. Описана конструкція і приведені рекомендації по вдосконаленню і налагодженню систем устаткування.
На основі проведеного дослідження розроблена модель процесу газодетонацiйного футерування труби, що дозволяє знайти необхідний робочий тиск штамповки Р і контактний тиск запресовки Рkr. Для практичного використання отриманих рівнянь розроблено алгоритм розрахунку, за яким визначені параметри процесу футерування труби із нержавіючої сталі сплавом АМг-2м і міддю марки М1. Алгоритм розрахунку включає два етапи – попередній та заключний. На першому етапі навантаження розраховується, як для статичного випадку деформування, та уточнюється для конкретних умов технологічного процесу за допомогою коефіцієнта динамічності, найденому за номограмою, яка пропонується в роботі. Встановлюється значення контактного тиску за формулами, наведеними у третьому розділі роботи. На другому етапі рішення уточнюється розрахунком за формулами застосованої математичної моделі.
Точність та якість готових труб забезпечується, по-перше, вибором початкового зазору між шарами, який встановлюється в межах 30-40% від граничного переміщення стінки оболонки до руйнування і на якому радіальна швидкість руху стінки сягає максимуму. При цьому забезпечується максимальна площа контакту по межі мікронерівностей шарів і підвищується контактний тиск запресовки Рkr, про що говорилося в четвертому розділі. По-друге, уточнюються розміри плакувальної оболонки та призначаються граничні відхилення на товщину стінки з урахуванням точності розмірів готових труб по їх коефіцієнту плакування та його відхиленням, які обумовлені існуючими стандартами. Можливі мінімальні граничні відхилення розмірів шарів обумовлені вибором технології отримання готових труб. Вимогам точності труб на авіаційному виробництві відповідає процес газодетонаційного футерування у сукупності з термодифузійною обробкою (граничні відхилення товщини плакувального шару, обумовлені технологією, становлять 0,05 – 0,1 мм).
Проаналізовано вплив різних факторів на технологічні параметри газодетонацiйного футерування труб. Якість бішарового з’єднання обумовлюється, перед усім, контактним тиском Рkr. Однакової величини Рkr досягають, отримуючи певну радіальну швидкість зіткнення оболонки та циліндра. Оскільки цієї швидкості можливо досягти, встановлюючи певний початковий зазор у бішаровій заготовці або підвищуючи робочий тиск, постала необхідність розробки критерію оптимальності процесу футерування. Критерій оптимальності вибору тиску штамповки в технологічному процесі – максимальна величина контактного тиску запресовки при якомога меншому робочому тиску. Цей критерій означає, що початковий зазор між шарами повинен бути таким, щоб в момент зіткнення циліндра і оболонки швидкість останньої була максимальною.
Вивчений вплив механічних властивостей заготовок, їх розмірів на вибір тиску футерування і величину Рkr. Підвищення границі текучості матеріалу основного шару сприяє зростанню контактного тиску шарів, але викликає зростання тиску футерування. Контактний тиск треба отримувати максимально можливий для даного сполучення шарів, але він обмежений небезпекою втрати стійкості плакувальним шаром.
Сформульовані напрямки перспективних досліджень, вказані шляхи подальшого вдосконалення технологічних процесів і обладнання. Це стосується розробки технології футерування труби з двома плакувальними шарами, застосування розробленої технології для термодифузійного зварювання; випробування можливості інших газових енергоносіїв в процесі футерування, розробки і вдосконалення вузлів ущільнення установки, підвищення її здатності до швидких переналагоджень на нові розміри труб та інше.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Відповідно до поставленої цілі, в дисертації отримані наступні наукові і практичні результати:
1.
Обґрунтований і сформульований загальний підхід вирішення технологічної задачі виготовлення якісних довгомiрних (L/D > 40, 150 мм D 15 мм) біметалевих труб для аерокосмічної галузі та загального машинобудування, в основі якого покладена технологія футерування бiшарових труб детонаційними хвилями при їх проходженні по каналу труби і впливу безпосередньо на заготовку.
2.
Розроблена методика оцінки якості бішарової труби, отриманої газодетонаційним футеруванням, і визначені основні параметри, за допомогою яких можливо керувати технологічним процесом, що дозволило:
-
рекомендувати граничні відхилення розмірів бішарової труби: по зовнішньому діаметру (0,25 0,40) мм (0,6 1,0% ); по сумарній товщині стінки 10%, по товщині плакувального шару 15% (кольоровий метал) для питомої товщини плакувального шару (відношення товщини плакувального шару до товщини стінки бішарової труби) 20-40%; сумарну площу контактної поверхні 60-75%; контактний тиск запресовки – максимально припустимий при даних розмірах і властивостях металів заготовок, що концептуально узгоджується з прийнятою на виробництві оцінкою якості труб;
-
вивчити вплив величини навантаження в детонаційній хвилі, розмірів заготовок і їх механічних властивостей (термічної обробки) на умови забезпечення заданої якості бішарової труби.
3.
Запропонована і обґрунтована математична модель динамічного формозмінення тонкостінної оболонки при вільному і сумісному деформуванні навантаженням, що рухається її порожниною, яка дозволила:
-
прогнозувати граничні амплітудні і часові параметри при вільній роздачі тонкостінної оболонки і при запресовуванні в товстостінний пружній циліндр, досліджувати динаміку розгону та руху стінки оболонки в залежності від основних параметрів управління технологічним процесом;
-
враховувати вплив швидкості радіального руху стінки оболонки в момент зіткнення на величину контактного тиску запресовки.
4.
На основі аналізу теоретичної моделі та експериментальних даних встановлено причини виникнення можливих дефектів футерування: зменшений на 35-40 % контактний тиск запресовки на початковій дільниці труби, довжиною біля декількох діаметрів труби, що пов’язано з формуванням фронту пластичності на цій дільниці; мала площа контакту шарів або знижений контактний тиск запресовки, викликаний недостатньо високою швидкістю оболонки під час удару.
5.
На основі математичної моделі та експериментальних даних проведені розрахунки по проектуванню оптимального технологічного процесу на прикладі виготовлення бiшарових труб із сполученням нержавіюча сталь (12Х18Н10Т)– алюмінієвий сплав (АМг-2М). Результати аналізу отриманих даних дозволили:
-
рекомендувати застосування трубчатих заготовок шарів, що мають якість і точність, порівняну з точністю і якістю виготовляємих бішарових труб;
-
визначити найкращий діапазон початкового зазору, який забезпечує максимальний контактний тиск запресовки і максимальну площу контакту шарів, – 30-60% від максимально можливої вільної деформації оболонки при заданому тиску;
-
встановити принципи вибору раціональних параметрів, за допомогою яких можливо керувати технологічним процесом.
Розроблено технологічний процес газодетонацiйного футерування довгомiрних бiшарових труб. Показано, що технологія забезпечує точність розмірів труби, порівняну з точністю та якістю застосованих заготовок.
6.
Результати дослідження використані на виробництві для розробки експериментальної технології виготовлення бiшарових труб (ДКБ “Південне”); технологічна установка впроваджена на підприємстві "Мотор Січ", м. Запоріжжя.
Основні результати роботи, а також розроблене технологічне обладнання можуть бути використані у виробничих організаціях, пов’язаних з випуском біметалевих труб.
Основні положення дисертації відображені у наступних роботах:
1.
Бакаев С.Н., Волова А.И., Никитенко К.А. Моделирование процессов деформирования трубчатых заготовок при газодетонационном нагружении // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: ХАИ, 2000. –Вып. 22 (5). – С. 41-46.
2.
Никитенко К.А., Борисевич В.К., Бакаев С.Н. Установка для производства длинномерных биметаллических труб МИРТ-1 // Удосконалення процесiв i обладнання обробки тиском у машинобудуваннi та металургii: темат. зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА. – 2001. – С. 13-16.
3.
Никитенко К.А. и др. Реакция тонкой упругопластической оболочки на действие движущейся волны давления // Вестник Национального технического университета "ХПИ". – Х.: ХНТУ “ХПИ”, 2001. - №15. – С. 142-151.
4.
Никитенко К.А. Моделирование процессов деформации и разгрузки бислойной трубы под действием движущейся волны давления // Удосконалення процесiв i обладнання обробки тиском у машинобудуваннi та металургii: темат. зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА. – 2002. – С. 418-423.
5.
Никитенко К.А., Борисевич В.К. Технология газодетонационной футеровки длинномерных бислойных труб // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: НАКУ “ХАИ”, 2001. –Вып. 27 (4). – С. 63 – 74.
АНОТАЦІЯ
Никитенко К.О. Розробка технологii виготовлення довгомiрних багатошарових труб для літальних апаратів методом газодетонацiйного футерування. Дисертація є рукописом, представленим на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.04 – “Технологія виробництва літальних апаратів”. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2002 р.
Дисертацію присвячено розробці та впровадженню в виробництво науково обґрунтованої технології виготовлення довгомірних бішарових труб методом газодетонаційного футерування для підвищення ресурсу трубопроводів систем живлення ракет та інших літальних апаратів, та дослідженню умов, пов’язаних з технологічним забезпеченням якості цих труб. Містить теоретичні та практичні результати стосовно розробки нового технологічного процесу виробництва точних бiшарових труб та критеріїв оцінки їх якості. Проаналізовано вплив технологічних параметрів процесу на якість труб. Основні результати впроваджені на підприємствах "Мотор Січ", м. Запоріжжя, та ДКБ “Південне”, м. Дніпропетровськ.
Ключові слова: авіаційні трубопроводи, труби бішарові, біметал, газодетонаційне футерування, якість, детонація, технологічне забезпечення виробництва.
ABSTRACTS
Nykytenko K.O. Development of technology for long length multilayer tubes lining for flying vehicles by gas detonation method. – Manuscript.
Thesis for a doctor’s degree by specialty 05.07.04 – "Flight vehicles manufacturing technology". N.Y. Zhukovsky National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2002.
The thesis is devoted to development and introduction in production of scientifically justified lining technology by gas detonation method of long length bilayer tubes for resource increase of feeding manifolds in missiles and other flying vehicles, and research the conditions, associated with technological quality highlight of these tubes. Theoretical and applied results on new processing technology development of precise bilayer tubes and quality criteria evaluation contains in thesis. Influence of processing parameters upon tubes quality analyzed. The results are applied at “Motor Sich” company, Zaporozhye city, and State Design Office “Yuzhnoye”, Dnepropetrovsk.
Keywords: aviation manifolds, bilayer tubes, cladding, gas detonation lining, technological maintenance of manufacture.
АННОТАЦИЯ
Никитенко К.А. Разработка технологии изготовления длинномерных многослойных труб для летательных аппаратов методом газодетонационной футеровки. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 – “Технология производства летательных аппаратов”. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2002 г.
Диссертация посвящена разработке и внедрению в производство научно обоснованной технологии изготовления длинномерных бислойных труб (трубопроводов) методом газодетонационной футеровки для повышения ресурса трубопроводов систем питания ракет и других летательных аппаратов, и исследованию условий, связанных с технологическим обеспечением качества этих труб. Содержит теоретические и практические результаты по разработке нового технологического процесса производства точных бислойных труб и критериев оценки их качества. Проанализировано влияние технологических параметров процесса на качество труб.
В предположении равенства скоростей детонационной волны и фронта формоизменения оболочки разработана математическая модель свободного деформирования и запрессовки тонкостенной оболочки в толстостенный упругий цилиндр. На основе разработанной модели определены степень влияния технологических параметров процесса футеровки на величину свободной деформации оболочки, на контактное давление запрессовки слоев.
Уточнена модель деформирования оболочки плакирующего слоя на начальном участке; уточнена расчетная модель разгрузки слоев, учитывающая скорость в момент удара оболочки. Проанализирована динамика формоизменения оболочки во времени по длине трубы, а также ожидаемое качество запрессовки слоев по длине.
Разработана специализированная установка и описана методика настройки ее систем.
Изучено влияние механических, геометрических характеристик заготовок, а также давления футеровки на показатели технологического процесса. Рекомендованы принципы выбора оптимальных технологических параметров (давления, начального зазора, термообработки) для получения заданного качества бислойного изделия.
Разработан и рекомендован эффективный технологический процесс изготовления бислойной трубы сочетания сталь – цветной сплав. Основные результаты работы внедрены на предприятии "Мотор Сiч" и ГКБ Южное.
Ключевые слова: авиационные трубопроводы, трубы бислойные, биметалл, газодетонационная футеровка, качество, детонация, технологическое обеспечение производства.
