Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА КАВИТАЦИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к области исследования металлов на износ, возникающий в результате гидроэрозионного воздействия, а именно к способам определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлов.

В народном хозяйстве кавитационному изнашиванию подвергаются лопасти насосов, гидротурбин, гребных винтов, элементы гидротехнических сооружений, гидравлических систем и т.п. Кавитационный износ может быть оценен по потерям массы или объема материала за определенный промежуток времени; скорости уноса материала с изнашиваемой поверхности; числу и глубине кавитационных вмятин на поверхности или глубине и площади очага эрозии после определенного времени кавитационного воздействия и другим. Известно, что отделение частиц материала с поверхности начинается не сразу после начала кавитационного воздействия: существует инкубационный период, в течение которого происходят деструктивные изменения в поверхностных слоях материала и который является наиболее емкой характеристикой кавитационной износостойкости металлов. Знание продолжительности инкубационного периода важно, так как она определяет скорость последующей после окончания инкубационного периода потери материала с поверхности и может быть использована для оценки продолжительности межремонтных периодов оборудования.

Известен расчетный способ определения продолжительности инкубационного периода в зависимости от геометрических параметров гребного винта и его частоты вращения (см. кн. Георгиевской Е.П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. - Л.: Судостроение. - 1978. - С. 124), в котором рассчитывается.

К недостаткам способа относится то, что в нем не учитывается влияние свойств материала гребного винта на инкубационный период. Применять способ можно только для случая кавитационного изнашивания движителей быстроходных судов, а для исследования деталей другого оборудования он не применим.

Известны способы, описанные в кн. Цветкова Ю.Н. «Кавитационное изнашивание металлов и оборудования». - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - С. 114, и в кн. Пылаева Н.И. и Эделя Ю.У. «Кавитация в гидротурбинах». - Л.: Машиностроение. - 1974. - С. 199-201, в которых оценка продолжительности инкубационного периода производится по предварительно построенным кривым усталости поверхностных слоев: в первом случае по зависимости инкубационного периода от линейной скорости вращения лопастей гребных винтов транспортных судов, а во втором - по зависимости числа ударов капель жидкости до наступления разрушения от скорости удара.

Недостатком известных способов является то, что для их реализации необходимо располагать кривыми усталости поверхностных слоев конкретной детали, изнашиваемой в определенных условиях, что в большинстве случаев невозможно, так как, во-первых, очень трудно определить характеристики внешнего воздействия для условий эксплуатации натурных объектов, например, размер струй и капель жидкости, ударяющих по поверхности, а, во-вторых, сложно воспроизвести эти условия в лаборатории.

Из известных решений наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату и выбранным за прототип предлагаемого решения является способ, описанный в статье авторов Третьякова Д.В. и др. «Моделирование долговечности цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания при вибрационной кавитации» // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2008. - №2. - С. 50-60.

Указанный способ определения продолжительности инкубационного периода t_инк кавитационного изнашивания основан на использовании зависимости t_инк от высотного параметра R шероховатости изнашиваемой поверхности. При этом для определения продолжительности инкубационного периода по предлагаемой в прототипе зависимости в нее необходимо подставить значение R, соответствующее моменту, когда скорость изнашивания достигает максимального значения.

Недостатком указанного способа является то, что его невозможно использовать для прогнозирования продолжительности t_инк, так как для того, чтобы определить t_инк, необходимо измерить R в период развитого процесса изнашивания, т.е. после окончания t_инк.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в возможности прогнозирования продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе определения продолжительности инкубационного периода t_инк кавитационного изнашивания металла, (основанного так же как и прототип, на определении t_инк по графику , где по оси ординат откладывают R - значение высотного параметра шероховатости поверхности, подвергаемой кавитационному воздействию, а по оси абсцисс - t - время кавитационного воздействия), в отличие от прототипа, предварительно измеряют значение высотного параметра шероховатости поверхности Rэ объекта-эталона после окончания инкубационного периода t_инк, на оси ординат откладывают значение Rэ и далее через точку Rэ проводят линию, параллельную оси абсцисс, затем измеряют значение высотного параметра шероховатости поверхности R исследуемого объекта: R_o при t₀=0; R₁ при t₁<t_инк, после чего эти значения наносят на график и через точки (t₀, R_o) и (t₁, R₁) проводят прямую до пересечения с вышеуказанной параллельной линией и далее по абсциссе точки пересечения определяют прогнозируемую продолжительность инкубационного периода t_инк исследуемого объекта, при этом в качестве объекта-эталона выбирают изделие, используемое по аналогичному с исследуемым объектом назначению и из материала, идентичного исследуемому.

Сущность способа заключается в том, что в отличие от прототипа он базируется на двух выявленных особенностях процесса кавитационного изнашивания. Первая особенность состоит в том, что график зависимости высотного параметра шероховатости поверхности R от продолжительности t кавитационного изнашивания представляет собой ломаную линию, состоящую из трех участков. Причем первая точка перелома, т.е. точка, отделяющая первый участок от второго, соответствует окончанию инкубационного периода.

Вторая особенность заключается в том, что значение R при изнашивании одного и того же материала на одной и той же установке или одном и том же гидрооборудовании не зависит от изменения интенсивности кавитационного воздействия, определяемого режимом работы оборудования, т.е. является величиной постоянной для этого указанного вида объектов.

С учетом приведенных обстоятельств определение прогнозируемой продолжительности t_инк исследуемого материала сводится к измерению высотного параметра R шероховатости поверхности, характеризующего изменения в его приповерхностном слое, возникающие в результате кавитационного воздействия, в пределах t₁<t_инк и графическом изображении результатов.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - возможность прогнозирования продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области исследования металлов на износ не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность указанного способа поясняется чертежами, где представлены:

на фиг. 1 - схема действий при определении прогнозного значения продолжительности инкубационного периода t_инк;

на фиг. 2 - зависимость отклонения профиля поверхности стали 08X14НДЛ от продолжительности кавитационного воздействия на магнитострикционном вибраторе;

на фиг. 3 - зависимость потерь массы образца при испытаниях на магнитострикционном вибраторе при амплитуде колебаний торца концентратора 10 мкм.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Для осуществления прогноза продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания поверхности детали какого-либо гидрооборудования необходимо располагать значениями трех величин параметра шероховатости R:

- R_Э соответствующего окончанию инкубационного периода, точку, определенную на объекте-эталоне;

- R₀ исходной поверхности, т.е. до начала кавитационного воздействия;

- R₁ поверхности после кавитационного воздействия произвольной продолжительности в пределах инкубационного периода.

Имея три указанных значения величины R, прогнозную оценку продолжительности инкубационного периода в соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующим образом (фиг. 1):

- в координатах R от t на оси ординат отмечают точкой значение R_Э, соответствующее окончанию инкубационного периода, и через эту точку параллельно оси абсцисс проводят линию 1 (фиг. 1);

- наносят на график две точки, из которых первой соответствует значение R₀ исходной поверхности (t=0), а второй - значение R₁ после определенного времени эксплуатации (t<t_инк);

- через две точки, нанесенные на график, как указано в предыдущем пункте, проводят линию 2 до пересечения с параллельной линией 1;

- из точки пересечения двух линий опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Точка пересечения перпендикуляра с осью абсцисс определит значение ожидаемой продолжительности инкубационного периода.

Пример реализации способа

Исследования металлов на износ, возникающий в результате гидродинамического воздействия, проводились специалистами кафедры технологии судоремонта ФБГОУ ВО ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова в лабораторных условиях. Метод прогнозирования продолжительности инкубационного периода кавитационого изнашивания материала продемонстрирован на графиках (фиг. 2, 3). С помощью приведенных графиков поясняется процедура осуществления прогноза продолжительности инкубационного периода изнашивания стали 08X14НДЛ на магнитострикционном вибраторе в пресной воде при амплитуде колебаний торца концентратора равной 10 мкм, при частоте колебаний 22 кГц и расстоянии между поверхностью образца и торцом концентратора 0,5 мм.

На первом этапе провели испытания объекта-эталона - образца из стали 08X14НДЛ - на максимальной интенсивности кавитационного воздействия на магнитострикционном вибраторе, соответствующей амплитуде колебаний 28 мкм. В процессе испытаний измеряли высотный параметр R шероховатости и в результате построили зависимость R(t), по которой определили точку окончания инкубационного периода, соответствующую R=0,79 мкм, и провели через нее горизонтальную линию 1 (фиг. 2).

Далее взяли образец из этой же стали, измерили шероховатость его поверхности до испытаний (R=0,026 мкм), а затем провели испытания при амплитуде колебаний 10 мкм в течение 4,7 ч и измерили шероховатость поверхности после кавитационного воздействия (R=0,48 мкм). Нанесли точки, соответствующие исходной шероховатости и шероховатости после 4,7 ч кавитационного воздействия при амплитуде 10 мкм на график (светлые кружки). Через нанесенные точки провели прямую линию 2 до пересечения с линией 1. Опустили из точки пересечения перпендикуляр на ось абсцисс и определили, что прогнозируемая продолжительность инкубационного периода t_инк≈7,5 ч (фиг. 2).

На фиг. 3 продемонстрированы испытания стали 08X14НДЛ при той же амплитуде (10 мкм), но с периодической регистрацией потерь массы в течение испытаний и последующее сравнение условной оценки продолжительности t_инк, полученной экстраполяцией прямолинейного участка максимальной скорости изнашивания на зависимости ΔM(t) до пересечения с осью абсцисс с прогнозным значением, полученным на фиг. 2. Как видно из фиг. 2 и 3, прогнозное и фактическое значения инкубационного периода практически совпадают, что подтверждает достижение поставленной технической задачи.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «промышленная применимость».