Проблемы машиностроения

Дослідження структури й властивостей наплавлених шарів NiCrBSi-сплаву, модифікованого композиційним матеріалом

П. А. Ситников — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

Досліджено структуру й властивості шарів, наплавлених самофлюсівним сплавом системи NiCrBSi марки ПГ-10Н-01, модифікованим композиційним матеріалом, отриманим самопоширюваним високотемпературним синтезом. Як вихідні компоненти модифікуючого композиційного матеріалу використано порошки титану, технічного вуглецю, вогнетривкої глини, алюмінію, оксиду заліза й термореагуючого порошку ПТ-НА-01. Порошки були механічно активовані в кульовому млині, спресовані в циліндричний зразок, після чого піддані процесу самопоширюваного високотемпературного синтезу. Наплавлення зразків здійснювали неплавким графітовим електродом діаметром 9,5 мм, при струмі 110 А із застосуванням інверторного джерела живлення СВ-290НК. Встановлено, що структура шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01, складається з твердого розчину на основі нікелю (γ-Ni) й евтектики, утвореної на його основі з боридом Ni₃B. Також в наплавленому шарі виявлені поодинокі включення карбідів хрому Cr₃C₂ і бору B₄C. При додаванні до сплаву ПГ-10Н-01 модифікуючого композиційного матеріалу структура наплавленого шару складається з γ-твердого розчину й евтектики, зміцнених карбідами титану TiC і кремнію SiC, які підвищують мікротвердість і зносостійкість шару. Мікротвердість шару, наплавленого композиційним матеріалом, який містив 10% модифікуючої складової, становить 660 HV, що перевищує мікротвердість шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01, яка дорівнює 510 HV. За результатами досліджень проведені експлуатаційні випробування в умовах Фермерського господарства «Кам’януватка» (Новоукраїнський район, Кіровоградська область) комплекту стрілчастих лап напівпричіпного культиватору КПП-8, агрегованого з трактором New Holland T 6090. На основі проведених випробувань доведено, що відносна зносостійкість стрілчастих лап, виготовлених зі сталі 65Г, зміцнених зі зворотного боку за схемою «носок-робочі леза» шляхом наплавлення шару композиційного матеріалу, в 1,7 рази більша порівняно з зносостійкістю лап, виготовлених за стандартною технологією.

Дослідження стійкості математичної моделі руху пов’язаних маятників

Ю. Е. Сурганова, Ю. В. Міхлін — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

У статті представлено дослідження динаміки коливальної дисипативної системи двох пружно пов’язаних маятників у магнітному полі. Досліджено нелінійні нормальні моди коливань маятникової системи з урахуванням опору середовища, моменту демпфування, створеного пружним елементом. Розглянуто систему з двома ступенями свободи, в якій маси маятників суттєво розрізняються, що приводить до можливості появи локалізації коливань. У наступному дослідженні співвідношення мас обрано як малий параметр. Для наближених розрахунків магнітних сил використовується апроксимація Паде, яка найбільше задовольняє експериментальним даним. Це наближення забезпечує дуже точний опис магнітного збудження. Наявність зовнішніх впливів у вигляді магнітних сил і різного типу навантажень, які існують в багатьох інженерних системах, значно ускладнює аналіз мод коливань нелінійних систем. Проведено дослідження нелінійних нормальних мод коливань у даній системі, причому одна з мод є пов’язаним режимом, а друга – локалізованою. Моди коливань побудовано методом багатьох масштабів. Вивчено як регулярну, так і складну поведінку при зміні параметрів системи. Вплив цих параметрів досліджено для малих і значних початкових кутів нахилу маятника. Аналітичний розв’язок, який базується на методі Рунге-Кутти четвертого порядку, порівняно з результатами чисельного моделювання. Початкові умови для розрахунку мод коливань визначалися аналітичним розв’язком. Чисельне моделювання, яке складається з побудови фазових діаграм, траєкторій у конфігураційному просторі й амплітудно-частотних характеристик, дозволяє оцінити динаміку системи, що може бути як регулярною, так і складною. Стійкість режимів коливань досліджено за допомогою тестів чисельного аналізу, які є реалізацією критерію стійкості Ляпунова. При цьому стійкість режимів коливань визначається шляхом оцінки ортогональних відхилень відповідних траєкторій режимів коливань у конфігураційному просторі.

Аналіз стійкості та коливань пористих степеневих та сигмовидних функціонально-градієнтних сендвіч-пластин методом R-функцій

Л. В. Курпа, Т. В. Шматко, Г. Б. Лінник — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

У даній роботі вперше застосовано метод R-функцій для дослідження стійкості та коливань пористих функціонально-градієнтних сендвіч-пластин зі складною геометричною формою. Припускається, що зовнішні шари пластини виготовлено із функціонально-градієнтних матеріалів, а заповнювач є ізотропним, а саме керамічним. Диференціальні рівняння руху одержано за допомогою звичайної зсувної деформаційної теорії першого порядку із заданим коефіцієнтом зсуву (FSDT). Досліджено дві моделі розподілення пористості згідно із степеневим (P-law) і сигмовидним (S-law) законами. Одержані аналітичні вирази для обчислення ефективних механічних характеристик функціонально-градієнтних матеріалів при рівномірному й нерівномірному розподіленні пористості. Запропонований підхід враховує той факт, що докритичний стан пластини може бути неоднорідним, і тому перш за все визначаються напруження в серединній площині пластини, а потім розв’язується задача на власні значення з метою знаходження критичного навантаження. Для визначення критичного навантаження і частот пластин використано метод Рітца разом із теорією R-функцій. Розроблені алгоритми і програмне забезпечення перевірені на тестових прикладах і порівняні з відомими результатами, одержаними за допомогою інших методів. Розв’язано ряд задач стійкості й коливань пористих функціонально-градієнтних сендвіч-пластин зі складною геометричною формою для різних схем укладання шарів, різних крайових умов і законів розподілення пористості.

Комбінування електро- і радіохімічних процесів отримання водню і кисню

В. В. Соловей, Janis Kleperis, М. М. Зіпунніков — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

Показано, що підвищення ефективності процесу одержання водню може бути забезпечене шляхом інтеграції радіохімічних та електрохімічних процесів. У цьому випадку отримуваний ефект залежить не тільки від прямого радіолізу води, а й від залучення в процес електролізу енергії іонізуючого випромінювання для збудження молекул води, які піддаються електролізу, що призводить до зниження споживання електроенергії для розкладання її газових компонентів. Наведено аналіз основних факторів, що впливають на зниження електроспоживання при електролізі, і показано спорідненість спектрів радикал-іонів, що беруть участь у радіаційних та електрохімічних процесах розкладання води. У результаті радіаційного впливу починається найбільш енергоємна стадія розкладання води, пов’язана з розривом міжмолекулярних зв’язків та утворенням активних частинок, що залучаються до електрохімічного процесу. Встановлено, що утворення водню збільшується завдяки додаванню його прямого виходу при радіолізі й опосередкованого одержання при електролізі, ініційованому активаційними ефектами, зумовлених іонізованим випромінюванням. Показано, що для підвищення прямого радіолітичного виходу водню в міжелектродному просторі електролізера слід розмістити елементи, які містять нанорозмірний порошок діоксиду цирконію. Доведено також, що опромінення діоксиду цирконію, поміщеного у воду, призводить до збільшення в 4 рази виходу водню в порівнянні з варіантом опромінення чистої води. Для підвищення коефіцієнта використання енергетичного потенціалу ядерного палива на АЕС доцільно для застосування запропонованої технології використовувати енергію ТВЕлів, що розміщуються в басейнах витримки відпрацьованого ядерного палива. Це забезпечить утилізацію енергії іонізуючого випромінювання, яке в існуючих технологіях безповоротно втрачається, тому що відводиться у вигляді низькотемпературних теплових викидів у навколишнє середовище, що призводить до теплового забруднення атмосфери.

Міцність композитного транспортно-пускового контейнера для старта ракети

Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

Розглядається транспортно-пусковий контейнер для старту ракет із склопластику. Основною метою статті є розрахунок напруженого стану цього контейнера й перевірка умов міцності. Розрахунок тисків продуктів згоряння проводиться для декількох положень сопла ракети в контейнері. Розглядаються два випадки: коли сопло знаходиться посередині контейнера і на виході з контейнера. Максимальні значення тиску, що діє на внутрішній бік контейнера, спостерігаються при виході сопла ракети з контейнера. Поле тисків є осесиметричним. З огляду на це для апроксимації поля тиску воно розкладається в ряд Фур'є за поздовжньою координатою ракети. Напружений стан контейнера також є осесиметричним. Крім того, він також розглядається для двох випадків взаємного розташування сопла і контейнера. Для розрахунку напруженого стану використовувався метод скінченних елементів, який реалізовано в програмному комплексі ANSYS. Найбільші значення напружень спостерігаються під час виходу сопла з контейнера. Як випливає із скінченно-елементних розрахунків, найбільшими напруженнями є окружні. Для аналізу міцності контейнера використовується межа міцності склопластику. Як видно з розрахунків, контейнер задовольняє умовам міцності з великим коефіцієнтом запасу.

Вплив урахування механічної деформації на результати розрахунку приводного валу вакуумного вимикача

Є. І. Байда, М. Г. Пантелят, А. О. Кузьмін — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

Одним з важливих напрямків теоретичних, розрахункових та експериментальних досліджень стосовно удосконалення й розробки нових елементів конструкції сучасних електричних апаратів, у першу чергу вимикачів і контакторів середніх напруг, є вивчення не лише електромагнітних, а й механічних процесів у зазначених електричних апаратах. Стаття присвячена створенню й використанню обчислювальних моделей для розрахунку механічних зусиль і деформацій абсолютно жорсткого й реального приводного валу вакуумного вимикача середньої напруги у статичному режимі з метою кількісного порівняння отриманих чисельних результатів. Розрахункові дослідження виконуються за допомогою методу скінчених елементів. У статті на підставі розроблених моделей проведено порівняльний аналіз розрахунку механічних напружень у привідному валу вакуумного вимикача у статичному режимі для абсолютно жорсткого й реального валу. Отримані результати комп‘ютерного моделювання детально наведені у табличній та графічній формах, у тому числі представлено форму прогину вала вакуумного вимикача середньої напруги при максимальному ході актуатора електричного апарата, що досліджується. Продемонстровано, що механічна деформація валу викликає зменшення провалу контактів і сил контактного натискання, але при правильно обраному поперечному перетину ці значення не є критичними і мало впливають на роботу вимикача (близько 20% і 7% відповідно). Показано, що в результаті вигину валу в опорах з'являються додаткові осьові зусилля, які істотно впливають на вибір підшипників за еквівалентним статичним навантаженням.

Вибір раціональної технології виготовлення обода ротора гідрогенераторів-двигунів

П. М. Макаров — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

Об’єктом дослідження у статті є технологія виготовлення сегментів ободу ротора великих гідрогенераторів-двигунів. Предметом вивчення виступає конструкція й геометричний стан ободу ротора у процесі експлуатації гідроагрегатів. Мета – постановка тривимірного механічного розрахунку сегмента ротора для подальшого визначення найбільш оптимальної технології виготовлення ободу ротора. Задачі: дослідити особливості технології виготовлення сегментів ободу ротора; провести аналітичний розрахунок і тривимірний розрахунок із визначенням середніх значень напружень і деформацій в сегменті ротора. Використовуваними методами є: метод скінченних елементів математичного моделювання термонапруженого стану вузлів. Отримано наступні результати: надано опис двох основних технологій виготовлення сегментів ободу ротора, а саме метод штампування і метод лазерного різання. Проаналізовано переваги й недоліки кожного технологічного процесу, визначено, що при виробництві потужних дрібносерійних гідрогенераторів доцільно застосувати метод лазерного різання. Розроблено тривимірні моделі сегмента ротора й виконано тривимірний механічний розрахунок даної моделі, у результаті чого отримано значення переміщення ротору гідрогенератора при номінальній частоті обертання, а також середні значення напружень у спиці й ободі ротора. За результатами розрахунків встановлено, що значні допуски при виготовлені сегментів ротора можуть призвести до зміни форми ротора при його подальшій експлуатації, появи додаткових вібрацій і в подальшому вплинути на працездатність гідроагрегату. Наукова новизна полягає у комбінованому підході до оцінки середніх значень напружень і деформації ободу ротора з урахуванням технології його виготовлення, що включає в себе елементи аналітичного механічного розрахунку й розрахунку у тривимірній постановці.

Шляхи модернізації енергоблоків ТЕС при переведенні їх на ультрасуперкритичні параметри пари

А. О. Костіков, О. Л. Шубенко, В. О. Тарасова, В. А. Яковлєв, А. О. Мазур — Thu, 18 Jan 2024 00:00:00 +0200

У роботі проаналізовано підхід до вирішення прикладної проблеми модернізації енергоблоків серії 300 МВт виробництва АТ «Українські енергетичні машини» шляхом переведення їх з суперкритичних на ультрасуперкритичні параметри пари за умови максимально можливого збереження системи регенерації підігріву живильної води, що приведе до підвищення енергоефективності ТЕС при мінімальному переобладнанні. Переведення турбоустановки К-300-240-2 на параметри свіжої пари 650 °С/30 МПа й пари проміжного перегріву 650 °С/7 МПа, що визначено як оптимальні в результаті попередніх досліджень, може бути здійснено шляхом повної заміни циліндру високого тиску наявного блоку на новий циліндр високого тиску із ультрасуперкритичними параметрами і надбудови додатковим циліндром середнього тиску при повному збереженні параметрів і конструкцій вихідних частин середнього й низького тиску. Розглянуто два варіанти модернізації структури теплової схеми енергоблоку серії 300 МВт й оцінено масштаби переобладнання системи регенерації підігріву живильної води. У першому варіанті теплової схеми 1-й відбір пари організовано з холодних ниток модернізованого циліндра високого тиску із ультрасуперкритичними параметрами, а 2-й – з холодних ниток надбудови циліндру середнього тиску. При цьому заміні підлягають два підігрівачі високого тиску та турбопривід живильного насосу. Недоліком цього варіанта є те, що через суттєве підвищення параметрів пари неможливо підібрати підігрівачі високого тиску з існуючого модельного ряду, а необхідно розробляти нову конструкцію. Електричний ККД для цього варіанта модернізації підвищується з 36,5% (вихідна теплова схема турбіни К-300-240-2) до 42,5%. У другому варіанті пропонується для збереження наявних підігрівачів високого тиску на один вал із турбопривідом живильного насосу встановити додаткову турбіну потужністю 3 МВт, на вхід якої подається пара з холодних ниток циліндра високого тиску із ультрасуперкритичними параметрами з витратою, що дорівнює сумі 1-го та 2-го відборів вихідного варіанта турбіни. Пара з відборів додаткової турбіни надходить до підігрівачів високого тиску ПВТ9 та ПВТ8 з параметрами, що відповідають вихідним даним наявної турбіни. Беручи це до уваги, підігрівачі високого тиску не підлягатимуть заміні. Крім того, потужності додаткової турбіни достатньо, щоб разом із турбопривідом живильного насосу забезпечити роботу живильного насосу для отримання тиску води 34 МПа. З огляду на це турбопривід живильного насосу теж залишається без змін, крім монтажу додаткової турбіни. Електричний ККД для другого варіанта схеми модернізації турбоустановки К-300-240-2 дорівнює 42,4%. Визначено, що строк окупності модернізації за першим варіантом складає 5 років з врахуванням модернізації котлоагрегату, а за другим – 4,5 роки. Запропоновано обрати варіант теплової схеми з додатковою турбіною, оскільки у цьому випадку можна провести модернізацію турбоустановки К-300-240-2 з максимально можливим збереженням системи регенерації підігріву живильної води при підвищенні її енергоефективності майже на 14%.