Разработка вибродемпфирующих металлических материалов на основе железа для снижения производственного шума
На правах рукописи
УТЕПОВ ТИМУР ЕРКАСЫНОВИЧ
Разработка вибродемпфирующих металлических материалов
на основе железа для снижения производственного шума
Специальность 05.26.01 – Охрана труда
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Республика Казахстан Алматы, 2010
Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сулеев Д.К.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Русак О.М.
доктор технических наук, профессор Шакиров А.Т.
доктор технических наук, профессор Дюсебаев М.К.
Ведущая организация: Институт горного дела имени Д.А. Кунаева
Защита состоится «30» октября 2010 года в 1430 на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, корпус НК, 1 этаж, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского националь ного технического университета имени К.И.Сатпаева.
Автореферат разослан «_» _ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор М.Т. Жараспаев ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследований. Одними из вредных факторов производства являются шум и вибрация. Шум, излучаемый повышенного уровня при работе деталей машин и механизмов, значительно выше санитарных норм. В борьбе с шумом и вибрацией в основном используют традиционные методы:
звукопоглощение, звукоизоляция, использование индивидуальных средств защиты органов слуха (ИСЗОС), административные мероприятия. Недостаток этих методов очевиден - с шумом борются после того, как его создали, устанавливая преграды на пути его распространения. При этом ухудшаются условия труда, загромождается рабочее пространство (звукоизоляция, звукопоглощение), повышается запыленность и пожароопасность (звукопоглощение), маскируются предупреждающие сигналы (ИСЗОС) и др.
Поэтому наиболее перспективным способом защиты работника от шума является борьба с шумом в источнике возникновения (замена ударных процессов безударными, например, замена зубчатых передач клиноременными;
использование малошумных технологий;
использование неметаллических материалов вместо металлических;
применение демпфирующих сплавов).
К сожалению, не всегда получается заменить ударные процессы на безударные. Неметаллические материалы существенно уступают по прочностным свойствам металлическим материалам, особенно при повышенных температурах. Некоторые специалисты рекомендуют в качестве демпфирования использовать цветные металлы (бронза, медные, алюминиевые и др. сплавы). Следует отметить, что цветные металлы также существенно уступают по прочностным свойствам черным металлам. Поэтому наиболее радикальным и современным является создание демпфирующих сплавов на основе железа. Несмотря на немногочисленные публикации научных работ по созданию демпфирующих сплавов на основе железа, до сих пор отсутствуют сведения об акустических и диссипативных свойствах черных металлов в справочной литературе. Технологи и конструкторы создают машины и механизмы без учета демпфирующих свойств сталей. Это научное направление по борьбе с шумом развивалось усилиями ученых Киева (академик Писаренко Г.С.), Московского института стали и сплавов (проф., к.т.н. Б.М. Злобинский), проф., д.т.н. В.Н. Бринза, к.т.н. Е.Б. Утепов, д.т.н. М.М. Хакдодов, доц., к.т.н.
Л.Н. Москалева, к.т.н. А.А. Парфенов, к.т.н. В.А. Муравьев, к.т.н. Е.П.
Потоцкий, к.т.н. В.Н. Тен и др.), Кировского технического университета, Тульского технического университета (проф., д.т.н. С.А. Головин), Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева (академик НАН РК Д.К. Сулеев, проф., д.т.н. Е.Б. Утепов, к.т.н. Г.Ж. Нурулдаева, к.т.н.
К.К. Карменов, к.т.н. М.Р. Турлыбекова, к.т.н. А.Б. Утепова, к.т.н. Ф.К.
Батесова, к.т.н. В.С. Шевцова, к.т.н. Д.М. Акубаева). Сущность этого направления состоит в создании демпфирующих сплавов на основе железа за счет изменения химического состава и использования термической обработки.
Однако этим способом удается снизить шум максимум на 6-10 дБА. Поэтому представляет интерес появление научных работ, использующих сочетание нескольких металлических материалов (листовых) в виде биметаллов и использования наноструктурных покрытий. В этих редких работах исследователи попытались исследовать акустические свойства биметаллов и хромокремнистых сталей с наноструктурным покрытием. Исследователями не затронуты такие перспективные с точки зрения демпфирования как порошковые металлические материалы на основе железа.
Из проведенного анализа следует сделать вывод, что необходимо разнообразить способы создания вибродемпфирующих материалов на основе железа за счет порошковых металлических материалов, слоенных металлов (биметаллов) и применения наноструктурных материалов.
Объектом исследования являются отрасли промышленности, характеризующиеся повышенным уровнем шума и вибрации и металлические материалы, используемые для деталей машин и механизмов в режиме цикличе ских ударных нагрузок.
Предметом исследования являются повышенные уровни шума и вибрации на рабочих местах.
Основная идея работы состоит в оценке акустических, демпфирующих и физико-механических характеристик известных сплавов на основе железа с использованием лучших из них в технике борьбы с шумом и вибрацией, создании новых литых, порошковых, биметаллических и наноструктурных ма териалов на основе железа с повышенными демпфирующими свойствами.
Целью работы является разработка вибродемпфирующих металлических материалов на основе железа с использованием порошковых металлических материалов (ПММ), слоеных (биметаллических) материалов и наноструктурных материалов на основе железа и математической модели к ним, описывающей синусоидальную зависимость звукового давления в трехмерном пространстве от частоты собственных колебаний стальной трубы.
В соответствии с идеей и целью работы в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
- оценить акустические, демпфирующие, физико-механические свойства металлических материалов, используемых для изготовления деталей, работающих в режиме соударений (стали 08, 08кп, 10, 15, 20, 25, 10Г2, 20Г, 30, 45, 15Х, 20Х, 18ХГТ и др.);
- разработать литые, биметаллические и порошковые материалы на основе железа;
- изготовить наноструктурные материалы ионно-плазменным способом (нанопокрытие на поверхности сталей);
- исследовать акустические, демпфирующие и физико-механические свойства литых, порошковых, композиционных и наноструктурных материалов для техники борьбы с шумом и вибрацией;
- разработать рекомендации по использованию в промышленности наноструктурных, порошковых и композиционных материалов для снижения шума и вибрации;
- внедрить разработанные литые, порошковые, наноструктурные и композиционные материалы в производство с целью улучшения условий труда.
Научные положения, выносимые на защиту:
1 Созданные наноструктурные покрытия (до 400 нм) на поверхности сталей за счет генерации (Ti-Al-N) в вакуумное пространство камеры, обеспечивающие повышение диссипативных свойств металлического материала на 30-40%, что снижает шум на 8-16 дБА, гарантирующее улучшение условий труда.
2 Созданные композиционные металлические материалы (биметаллы) в виде клепанных двухслойных материалов, склеенных двух- и трехслойных материалов, обеспечивающие снижение шума и вибрации на 6-14 дБА по сравнению с литыми и коваными заготовками, что снижает опасность слуховой травмы работающих.
3 Математическая модель, описывающая синусоидальную зависимость звукового давления в точке трехмерного пространства от частоты собственных колебаний стальной трубы и экспоненциальную от диссипативных характеристик сплава, позволяющая рассчитывать уровни шума без проведения экспериментальных замеров;
4 Закономерность измененния резонирующих квазипродольных и квазисдвиговых мод при генерировании и затухании ударного шума.
5 Демпфирующие свойства порошковых металлических материалов, существенно зависящие от способа прессования и термической обработки, при этом демпфирующие свойства порошкового материала (ДПМ) повышаются при создании переменной плотности прессованного порошкового материала.
6 Закономерность изменения демпфирующих и акустических свойств, раз работанных вибродемпфирующих металлических материалов при термической обработке.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана технология получения наноструктурных покрытий, обеспечивающая повышение демпфирующих свойств;
- биметаллы (двухслойные, трехслойные) обеспечивают снижение шума на 6-14 дБА по сравнению с литыми и коваными заготовками;
- разработана математическая модель, описывающая зависимость уровня шума от частоты собственных колебаний стальной трубы;
- теоретически определен уровень звукового давления в пространстве на определенном расстоянии от оси стальной трубы;
- теоретически определены резонирующие квазипродольные и квазисдвиговые моды ударного шума;
- отжиг плакирующего слоя биметалла обеспечивает снижение шума на 10 14 дБА по сравнению с нормализацией и закалкой (с низким отпуском);
- нанопокрытие толщиной 400 нм обеспечивает как снижение шума и вибрации, так и повышение прочностных характеристик наноструктурных материалов;
- разработаны демпфирующие порошковые материалы на основе железа, отличающиеся от обычных порошковых металлических материалов (ПММ) переменной плотностью, что обеспечивает изменение скорости звука в структуре порошковых металлических материалов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются:
- использованием теоретических предпосылок, базирующихся на законах акустики, металловедения, физики, химии, теории демпфирования, колебаний и волн;
- корректностью постановки теоретических задач, принятыми допуще ниями, достаточным объемом исходных данных и инструментальных иссле дований;
- совокупностью и удовлетворительной сходимостью результатов ана литических, лабораторных, промышленных исследований характеристик звукоизлучения.
Результаты исследований проверены опытно-промышленными испыта ниями, внедрены на производстве, при этом получен экономический эффект.
Методы исследования. В работе использована комплексная методика исследований, включающая аналитический обзор, патентный поиск и обобщение отечественного и зарубежного опыта снижения шума ударного происхождения, физическое моделирование, математическое планирования экспермента, натурные испытания, а также применение математической статистики.
Практическая ценность и реализация работы заключается в: создании новых литых, наноструктурных, порошковых и биметаллических материалов с повышенными демпфирующими свойствами, разработке рекомендаций по улучшению условий труда на шумоопасном оборудовании.
Личный вклад автора в науку: разработаны литые, наноструктурные порошковые материалы с повышенными демпфирующими свойствами;
композиционные демпфирующие материалы и конструкции;
исследованы акустические, демпфирующие и физико-механические характеристики разработанных и стандартных сталей и сплавов.
Связь диссертации с планами НИР. Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева. Результаты работы были использованы при выполнении:
- гранта МОН РК по теме 6.636П.02 «Разработка новых конструкционных материалов с повышенными демпфирующими свойствами для использования в технике борьбы с шумом» (срок: 2002-2006 гг., объем финансирования – 000 тенге);
- гранта HAH PK по теме 6.649Ф.03 «Исследование процессов дефектообразования и структурно-фазовых превращений в демпфирующих сплавах на основе железа» (срок: 2003-2005 гг., объем финансирования 2 000 тенге);
- бюджетной программы 006 «Прикладные научные исследования технологического характера», подпрограммы «Разработка биметаллических материалов с повышенными демпфирующими свойствами» (объем финансирования 2 000 000 тенге, договор № 24/8 от 30.05.2006 Министерства индустрии и торговли РК);
- программы фундаментальных исследований 19.02 по теме:
«Исследование структурно-фазовых превращений в демпфирующих спеченных порошковых сплавах» (срок: 2006-2008 гг., объем финансирования 9 000 тенге);
- гранта МОН РК по теме: «Разработка научных основ и технологии конструирования и синтеза наноструктурных демпфирующих материалов»
(срок: 2007-2009 гг., объем финансирования 6 180 000 тенге);
- гранта МОН РК по теме "Разработка научных основ и технологии конст руирования и синтеза наноструктурных демпфирующих материалов» (СРОК:
2007-2009 гг., объем финансирования 9 000 000 тенге).
Реализация результатов работы. Наноструктурные, литые, порошковые, биметаллические материалы, с повышенными демпфирующими свойствами внедрены в производство.
Апробация работы. Результаты работы доложены на: VI Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности»
(охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология). Алматы, КазНТУ, 2004 г.;
Международной конференции «Индустриально инновационное развитие экономики». – Алматы: КазНТУ, 2004 г.;
VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические и правовые аспекты БЖД). Алматы, КазНТУ, 2005 г.;
Втором форуме возрождения китайской северо восточной старой промышленной базы: научно-техническое сотрудничество Китая (Форум – 2006), Китай, Харбин. – 2006 г.;
VIII Международной научно технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика). Алматы, КазНТУ, 2006 г.;
IX Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика). - Алматы: КазНТУ, 2007 г.;
научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны труда и здоровья работников на современном этапе». – Астана, 2007 г.;
Международной научно-технической конференции «Инновационные пути развития нефтегазовой отрасли Республики Казахстан». – Алматы: КазНТУ, 2007 г.;
Международной научно-практической конференции, Ставрополь «Сервисшкола», 2008 г.;
X Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, защита человека в ЧС, экономические, правовые, логистика). - Алматы: КазНТУ, г.;
XІ Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (защита человека в ЧС, охрана труда, экология, логистика, экономика, материаловедение демпфирующих сплавов). Алматы: КазНТУ, 2009 г.
Публикации по теме диссертации: Результаты диссертационной работы опубликованы в 59 научных трудах, в том числе 6 монографиях, 19 статей в из даниях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и нау ки МОН РК, 30 статей опубликованы в сборниках трудов КазНТУ имени К.И.
Сатпаева и в трудах международных научно-технических конференциях. Полу чены 4 инновационных патента РК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 разде лов, заключения, списка использованных источников из 212 наименований, со держит 257 страниц компьютерного набора, в том числе 85 рисунка, 52 табли цы, 8 приложений.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, представлены основные защищаемые научные положения, научная новизна, личный вклад автора в науку, обоснованность и достоверность научных положений, практическая значимость работы, реализация результатов работы, апробация работы, связь диссертации с планами научно-исследовательских работ, количество публикаций, структура и объем работы.
Первый раздел посвящен аналитическому обзору известных теоретических и прикладных исследований по проблеме снижения производственного шума.
При этом выделен шум соударений – как один из самых вредных.
Несмотря на успехи в деле создания демпфирующих сплавов, проблема снижения шума соударений остается актуальной.
Анализ научной литературы показал, что практически отсутствуют разработки демпфирующих металлических материалов на основе порошковой металлургии, слоеных металлов, наноструктурных материалов.
В связи с этим были поставлены задачи по исследованию акустических, демпфирующих и физико-механических свойств биметаллов, спеченных и наноструктурных материалов.
В разделе 2 приведены методы исследования акустических, диссипативных, физико-механических свойств металлических материалов. В работе определялись: а) физико-механические характеристики материалов – модуль сдвига, модуль Юнга, предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение;
б) параметры диссипации – внутреннее трение, относительное рассеяние, декремент колебаний;
в) акустические характеристики – уровень звука, частотная зависимость уровня звукового давления;
г) вибрационные характеристики – общий уровень виброускорения, частотная зависимость уровня виброускорения;
д) металлографические параметры – фазовый состав, структурные составляющие, наличие неметаллических включений, их форма, химический состав, процентное содержание, величина зерна и т.д.
В качестве объекта исследования были выбраны, стали и сплавы как стандартные, используемые в промышленности, так и оригинальные, выплавленные автором. Данные о химическом составе исследуемых материалов приведены в таблице 1.
Кроме этих сталей был получен «Сплав КазНТУ на основе железа» (0,01% С;
0,5% Si;
(0,8-1,0)% Mn;
(0,5-1,0)% Ni;
0,5% Ti;
0,05% Ca;
0,05% La;
остальное – Fe). Этот сплав снижает шум на (10-12) дБА по сравнению со стандартными сталями. На этот сплав получен патент РК № 21005, С22С, 38-60.
Получен патент на «Сплав на основе железа» (патент № 21006, С22С, 38 60), содержащий (0,16-0,22)% С;
(0,25-0,65)% Si;
(1,3-1,5)% Mn;
(1,0-1,35)% Ni;
(0,8-1,5)% Cr;
(0,25-0,5)% Mo;
(0,08-1,5)% V;
(0,05-0,08)% Se;
0,58% Nb;
1,0% Al;
0,5% B;
остальное – железо. Этот сплав также обеспечивает снижение шума при соударении.
Для снижения шума соударения был разработан также «Железоуглероди стый сплав КазНТУ V» (патент РК № 22295), содержащий (0,14-0,22)% С;
(3,05-3,17)% Si;
(2,9-3,15)% Mn;
1,3% Cr;
0,3% Ni;
0,05% S;
0,04% Р;
0,3% Cu;
0,08% As;
остальное - железо.
Исследование акустических (уровень звука, уровень звукового давления) и вибрационных (уровень виброускорения) свойств сплавов проводили на уст ройстве для исследования материалов по звукоизлучению (патент РК № 22198).
Устройство работает следующим образом (рисунок 1).
1 - образец;
2 - ударник;
3 - наконечник ударника;
4 - отверстие для фиксатора в ударнике;
5 - корпус;
6-рёбра жесткости;
7 - отверстия для фиксатора в корпусе;
8 - шумомер «Октава-101А»;
9 - виброимерительный прибор «Октава-101В»;
10 - микрофон;
11 - вибродатчик;
12 - фиксатор;
13 виброизолирующий слой;
а - расстояние от микрофона до корпуса;
б - высота падения ударника;
в - расстояние между отверстиями для установки фиксатора;
14 - основание Рисунок 1 - Устройство для исследования соударения моделей «пуансона» и «матрицы»
Таблица 1 - Химический состав и механические свойства исследованных литых сталей Марка Химический состав,% вес Механические Критич.
стали свойства точки C Si Mn Cr Cu Ni As Ce La S P В,, %,% ан, Ас1 Ас МПа Дж/см 08 0,05- 0,17 0,35- 0,10 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 310- 20-30 50- 230-240 735 0,12 0,37 0,65 320 0,8кп 0,05- 0,03 0,25- 0,10 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 175- 20-40 60 - 732 0,11 0,5 10 0,07- 0,17- 0,35- 0,13 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 290- 23-35 50- 230-245 732 0,14 0,37 0,65 390 15 0,12- 0,17- 0,35- 0,25 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 330- 23-27 45- 70-115 735 0,19 0,37 0,65 460 20 0,17- 0,17- 0,35- 0,25 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 420 25 55 50 735 0,24 0,34 0, 25 0,22- 0,17 0,5-0,8 0,25 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 390- 19-26 40- 135-145 735 0,30 540 10Г2 0,07- 0,17 1,2-1,6 0,3 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 430 22 50 90 732 0, 20Г 0,17- 0,17 0,7-1,0 0,3 0,25 0,25 0,08 - - 0,04 0,035 460 24 50 90 723 0, Т1 0,04 0,19 0,45 0,15 0,25 0,25 0,08 0,1 - 0,04 0,035 360 27 57 245 735 Т2 0,03 0,22 0,50 0,18 0,25 0,25 0,08 0,15 0,01 0,04 0,035 510 29 55 234 732 Т3 0,09 0,20 0,48 0,14 0,25 0,25 0,08 0,11 0,01 0,04 0,035 480 26 48 202 732 Т4 0,18 0,31 0,35 0,10 0,25 0,25 0,08 0,08 0,1 0,04 0,035 495 27 54 118 735 Т5 0,25 0,28 0,37 0,09 0,25 0,25 0,08 0,13 0,01 0,04 0,035 585 32 53 210 735 Т6 0,15 0,15 0,48 0,08 0,25 0,25 0,08 0,07 0,12 0,04 0,035 496 22 48 236 735 Т7 0,11 0,33 1,5 0,12 0,25 0,25 0,08 - 0,15 0,04 0,035 565 24 53 285 732 Т8 0,10 0,30 0,9 0,13 0,25 0,25 0,08 0,06 0,14 0,04 0,035 574 27 51 231 732 Ударник 2 устанавливается внутри корпуса 5 и фиксируется фиксатором 12. Образец 1 устанавливается под корпусам 5 на виброизолирующий слой 13.При извлечении фиксатора 12 из отверстия 7, обеспечивается свободное падения ударника 2. Ударник 2 соударяется с образцом 1, создает шум и вибрация соударения, фиксируемые шумомером «Октава-101А» и виброметром «Октава-101В». Для повторного соударения ударник 2 поднимается на определенную высоту и фиксируется фиксатором 12.
Уровни звукового давления исследовали в октавных полосах частот в диапазоне 500-16000 Гц. Уровень звука – по шкале "А".В качестве объекта исследования были выбраны также хромистые стали (стандартные: 15Х, 20Х, 18ХГТ;
выплавленные: Т-17, Т-18, Т-19, УТЕ-4, УТЕ-5, УТЕ-5, УТЕ-6, УТЕ-7, УТЕ-8, УТЕ-9, УТЕ-10). Назначение сталей их общая характеристика приведены в таблице 2. Механические свойства и химический состав исследованных сталей приведены в таблице 3.
Плавку производили в индукционной печи.
Таблица 2 - Назначение и общая характеристика хромистых сталей Сталь Назначение 15Х Для цементуемых деталей, работающих на трение и требующих повышенной, по сравнению с углеродистой сталью, прочности 20Х сердцевины (поршневые пальцы и кольца, распределительные и червячные валы, толкатели клапанов, копиры, ролики толкателей автотракторных двигателей, детали моторов сечением до 30 мм, подвергаемые цементации и цианированию). Сталь 20Х может применяться так же, как улучшаемая сталь.
18ХГТ Зубчатые колеса коробок передач автомобилей и тракторов и ведомое зубчатое колесо бортовой передачи трактора.
Оптимальными свойствами обладает при глубине цементованного слоя 0,9 мм и концентрации углерода 0,87%.
Сталь применяется и как азотируемая для ходовых валиков и винтов станков и других деталей, от которых требуется минимальная деформация.
Таблица 3 - Химический состав исследованных хромистых сталей Сталь C Si Mn Cr Тi РЗМ НСП, м 1 2 3 4 5 6 7 15Х 0,12-0,18 0,17-0,37 0,4-0,7 0,7-1,0 - - 20Х 0,34-0,42 0,17-0,37 0,5-0,8 0,7-1,0 0,3 - 18ХГТ 0,17-0,23 0,17-0,37 0,8-1,1 1,0-1,3 0,03-1,09 - Т-17 0,15 0,22 0,5 0,9 0,5 0,25 Т-18 0,21 0,32 0,4 0,8 0,6 0,30 T19 0,22 0,28 1,2 0,85 1,1 0,32 Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 210- 15ХНС 0,12-0,18 0,17-0,37 0,4-0,7 0,7-1,0 - 0,25 2,510- Т-1НС 0,04 0,19 0,45 0,15 0,16 410- Т-2НС 0,03 0,22 0,50 0,18 0,12 210- Т-3НС 0,09 0,20 0,48 0,14 УТЕ-4 0,28 0,18 0,6 0,9 0,3 0,25 УТЕ-5 0,30 0,22 0,5 0,8 0,4 0,25 УТЕ-6 0,33 0,33 0,7 0,9 0,4 0,15 УТЕ-7 0,35 0,22 0,8 0,7 0,5 0,12 УТЕ-8 0,40 0,20 0,5 0,9 0,6 0,18 УТЕ-9 0,42 0,19 0,4 0,8 0,7 1,19 УТЕ-10 0,43 0,35 0,4 1,0 0,7 0,20 УТЕ-17 0,45 0,31 0,3 1,0 0,8 0,22 УТЕ-18 0,18 0,33 0,3 0,9 0,9 0,18 УТЕ-19 0,24 0,29 0,4 0,7 0,9 0,19 Примечание: 15ХНС, Т-3НС, Т-2НС – стали с наноструктурным покрытием.
НСП - толщина наноструктурного покрытия.
Звуковой импульс фиксировали микрофонным капсюлем МК-102. Этот импульс преобразуется в электрический сигнал, усиливается предусилителем МК-102 подается на вход точного импульсного шумомера 00017 фирмы RFT (Германия) или шумомера «Октава-101А» (РФ). Индикатор шумомера позволя ет регистрировать уровни звукового давления от 30 до 130 дБ с точностью до 0,5 дБA. Для измерения частотного спектра звукового сигнала предназначен блок октавных фильтров OF-101.
Звуковой генератор ЗГ-10 использовали для калибровки производимых измерений звукового сигнала. Поправку на изменение звукового сигнала от атмосферного давления осуществляли при помощи пистонфона марки РТ-101.
Температура воздуха и влажность в лаборатории поддерживались постоянными. Акустические измерения находили как среднее значение десяти измерений.
Проводили также математическую обработку результатов эксперимента и определение доверительных интервалов в соответствии с методикой. Перед началом работы настройку измерительного тракта осуществляли проверкой уровней звукового давления эталонного образца.
Звуковой импульс от соударения исследуемого образца с ударником (шарик) фиксировали не только шумомером, но и регистрировали с помощью запоминающего осциллографа. Зафиксированный сигнал фотографировали и далее определяли характеристики демпфирования: логарифмический декре мент, скорость затухания звука. Относительное рассеяние и внутреннее трение определяли расчетным путем.
В работе решены следующие задачи по оценке свойств материалов:
- исследовали физико-механические свойства металлических материалов (предел прочности в, предел текучести т, относительное сужение, относи тельное удлинение 5, ударную вязкость ан, твердость);
- исследовали акустические свойства металлических материалов при со ударении (уровень звукового давления, уровень звука);
- используя метод математического планирования экспериментов опреде ляли влияние легирующих элементов на эффект затухания шума соударений;
- определяли вибрационные характеристики сплавов (уровень виброскоро сти, уровень виброускорения, общий уровень виброскорости, общий уровень виброускорения);
- определяли металлографические параметры (фазовый состав, структур ные составляющие, размеры количество неметаллических включений, размеры зерен, химический состав и др.).
В разделе 3 представлена теоретическая часть работы – математическое моделирование звукоизлучения при соударении ударника (шара) с трубой из стали 08кп. Была поставлена задача - определить уровни звукового давления в стандартных полосах частот при соударениях при этом использован энергетический метод. На рисунке 2 представлено моделирование соударения шара и трубы.
Рисунок 2 - Моделирование соударения шара и трубы Поскольку соударение происходит в течение очень короткого промежутка времени t, стенка оболочки не успевает прийти в движение, в результате чего импульс силы, воздействующий на оболочку при соударении, составляет:
Dt F (t )dt = M (n + n 2 ), (1) Dt где n1иn 2 – скорости шара в момент соударения с оболочкой и отскока от неё.
Также определено количество резонирующих квазипродольных и квазисдвиговых мод ударного шума:
4P S обpк 2 D 4pS об fk 2 D (2) N кP = ;
N кс =, Ct Сl где С = СL 1- 0 – скорость сдвиговой волны, – коэффициент Пуассона.
Таким образом, используя приведенные формулы, можно построить угловую характеристику излучения оболочки в данной частотной полосе, либо частотную характеристику уровня излучения в заданной точке пространства.
S Интенсивность шума будет затухать во времени ~ e -2 pfkh t = e -62,8 t. Это k означает, что интенсивность уменьшится в 106 раз (на 60 дБ, что соответствует 6ln10 13, стандартному времени реверберации) за время T = = » 0,22 сек.
2pfkhS 62, k Место соударения косвенным образом влияет на полученный результат, поскольку от него зависит высота отскока шарика и тем самым, импульс воздействующей силы.
Для нахождения спектрального состава приложенного импульса определяется спектральная амплитуда плотности силы по формуле:
wDt Dt Dt sin F - jwt 2 SF (w) = Fe - jwt dt = e = FDt (3) wDt - jw Dt Dt - 2 где величина Ft дается формулой (2). Интерес представляет, как изменяется sin x функция в области малых значений х (таблица 4).
x sin x Таблица 4 - Изменение функции в области малых значений xx х 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, 1 0,998 0,993 0,985 0,974 0,959 0, sin x x sin x Видно, что вплоть до значения х 0,30,4 можно принять 1 (исходя x sin 2 x из условия, что погрешность в вычислении величины характеризующей x энергетический спектр, не превысит 5%). Это означает, что спектральная плотность силы SF() остается практически постоянной по величине SF()= Ft wDt 0, 0,4, т.е. вплоть до частоты f @ при условии. При этом первый нуль pDt wDt wDt функции sin /, отсекающий основную, энергонесущую часть спектра, 2 wDt = p, чему соответствует частота f гр = 1 Dt.
определяется из условия На основании теоретических оценок, можно получить, что время соударения упругого шарика радиусом Rш и массой М с упругой массивной поверхностью составляет:
1/ M Dt = 2,94 2 (4) K V 3 1 - u 2 1 - uп Rш, D =, Е ш, u ш и Е п, u п – модули Юнга и + где К= ш 4 Eш Еп 5D коэффициенты Пуассона материалов шара и поверхности, – скорость шарика в момент соударения. Для того, чтобы оценить порядок величины Dt, рассмот рен стальной шар радиусом Rш=5·10-3м, падающий на стальную же поверхность с высоты Н1 = 1 м. тогда расчет по формулам (4) дает:
м2 м н М=4,08·10-3кг, n D = 6,4 10 -12 = 2 gH= 4, К=8,84 10 9 3,,, н сек м Dt 2,5 10 сек.
= - На основании полученной оценки величины t можно заключить, что спектральная плотность силы соударения будет равномерной вплоть до частоты f = 0, pDt = 5100 Гц. Основная, энергонесущая часть спектра будет простираться вплоть до частоты f гр = 1 Dt= 40 кГц, что существенно перекрывает диапазон слышимых частот. Таким образом, воздействие импульса силы должно проявляться во всех стандартных частотных полосах измерения.
В разделе 4 приведены результаты исследования акустических, демпфи рующих и физико-механических свойств литых сталей и сплавов.
Проведена оценка виброакустических характеристик часто применяемых для деталей машин, работающих в режиме ударных нагружений, сталей с высокой пластичностью и свариваемостью – 08, 08кп, 10, 15, 20, 25, 10Г2, 20Г.
С целью улучшения демпфирующих свойств, за счет легирования редкоземельными металлами (РЗМ) были выплавлены стали такие, как Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, Т7, Т8. В таблице 5 приведены химический состав, механические свойства и критические точки исследованных металлических материалов. Наряду со стандартными сталями высокой пластичности и свариваемости 08, 08кп, 15, 20, 25, 10Г2 и 20Г разработаны легированные стали Т1-Т8. Легированные стали отличаются от стандартных не только процентным содержанием углерода, кремния, марганца, хрома, но и добавками церия (0,06 0,15%) и лантана (0,01-0,15%). Разработанные стали Т1-Т8 существенно превосходят по прочностным характеристикам стандартные стали (в, ) так, например, предел прочности на разрыв (в) у легированных сталей Т2-Т составляет 480-585 МПа, что практически в два раза выше, чем у сталей 08кп, 08, 10. В то же время стали, Т1-Т8 не уступают стандартным сталям по пластическим свойствам (, ). Содержание таких вредных примесей, как сера и фосфор в разработанных легированных сталях Т1-Т8 не превышают предельную норму 0,035-0,04%.
Попытки найти функциональную связь между демпфированием из другими физико-механическими характеристиками положительного результата не дали, вследствие чего демпфирование принято считать одной из первичных физических характеристик материала.
Исследования амплитуднозависимого демпфирования показали, что высокое рассеяние энергии при значительных амплитудах напряжений обусловлено перемещением относительно легкоподвижных линейных и поверхностных дефектов типа дислокаций и двойников.
Вместе с тем рассеяние энергии вследствие локальной пластической деформации может быть с успехом использовано в сплавах с резко выраженной гетерогенной структурой, состоящей из относительно прочной матрицы и мягких, пластичных включений избыточной фазы. В этом случае пластическая деформация более мягкой фазы при циклическом нагружении не снижает общей прочности сплава, а приводит только к значительному рассеянию энергии для сплавов высокого демпфирования.
К легкоподвижным двумерным дефектам в металлах и сплавах, которые могут быть причиной высокого уровня демпфирования, относятся упругие двойники, межфазные когерентные границы при обратимых мартенситных превращениях, границы доменов в ферромагнетиках и антиферромагнетиках.
В разделе 5 приведены результаты акустических, демпфирующих и физи ко-механических свойств разработанных биметаллов.
Биметаллы первой группы, размерами 50х50х5 (10) мм изготавливали следующим образом: к листовой стали Ст.20Х, ТЕ-3 клеем «Момент»
прикрепляли алюминиевый лист или стальной лист (таблица 6, 7).
Биметалл ТЕБМ-1 (50х50х10 мм) состоит из двух пластин: из стали ТЕ- (50х50х2,5 мм) и алюминиевого сплава Ал2 (50х50х2,5 мм). Обозначение ТЕБМ-1 (С) означает, что соударение происходит по стали ТЕ-3, а не по алюминиевому сплаву Ал2. Обозначение биметалла ТЕБМ-1 (А) означает, что соударение с ударником происходит по алюминиевому сплаву Ал2. Биметалл ТЕБМ-2 состоит из двух пластин: сталь 30 (50х50х5 мм) и алюминиевый сплав Таблица 5 – Акустические, демпфирующие механические свойства исследованных литых сталей и биметаллов Q-1·10- № Марка УЗД, дБ, в октавных полосах со Уровень в, ан,, 5, МПа Дж/м стали среднегеометрическими частотами, Гц звука, дБА % % 250 500 1000 2000 4000 8000 1 08 47 41 44 61 75 104 103 106 8,3 315 80 55 2 08 кп 46 43 45 60 76 107 105 108 8,4 380 - 60 3 10 48 42 46 62 75 106 104 107 9,3 320 70 53 4 15 49 42 47 63 72 108 107 110 4,5 410 110 51 5 20 44 44 46 64 74 110 108 112 4,1 420 50 55 6 25 48 46 45 65 73 111 109 114 3,9 450 80 45 7 10Г2 49 47 43 62 72 110 106 110 4,5 430 90 50 8 20Г 50 41 44 61 73 109 106 109 5,6 460 90 50 9 Т1 47 45 47 62 75 107 104 108 5,6 360 90 57 10 Т2 48 44 48 64 76 109 107 111 5,4 510 95 55 11 Т3 50 48 49 65 75 107 104 107 10,2 480 101 48 12 Т4 46 46 47 68 74 105 101 105 10,5 495 110 54 13 Т5 47 48 48 62 78 102 99 103 12,4 585 90 53 14 Т6 46 43 44 64 74 103 100 104 11,6 496 95 48 15 Т7 48 45 47 63 76 109 108 112 9,8 565 85 53 16 Т8 49 46 48 61 77 108 106 109 6,4 574 87 51 17 Т1:45 52 48 48 60 75 100 98 101 18,4 250 70 45 18 Т2:45 51 47 47 62 76 101 100 103 20,1 275 65 40 19 Т3:45 54 46 46 63 77 102 99 102 18,5 265 65 40 20 Т4:45 52 45 45 61 74 103 100 103 22,6 280 75 51 21 Т5:45 49 48 47 63 73 98 96 98 23,4 295 70 52 22 Т6:45 48 49 48 62 72 100 97 100 22,5 300 60 47 23 Т7:45 50 44 46 61 73 103 100 103 16,1 210 75 38 24 Т8:45 49 46 47 60 74 103 99 103 17,5 225 68 40 25 20:45 50 43 48 63 75 105 101 105 15,8 215 70 42 26 08кп:45 51 48 49 61 75 103 100 103 16,4 215 55 44 Ал2 (50х50х5 мм). Обозначение ТЕБМ-2 (С) означает, что соударение происходит по стальной пластине из стали 30, а не по алюминиевому сплаву Ал2.
Обозначение ТЕБМ -2 (А) означает, что соударение с ударником (шаром) происходит по пластине из алюминиевого сплава Ал2, а не по стальной пластине.
Биметалл ТЕБМ-3 состоит из двух пластин (из стали ТЕ-3). Биметалл ТЕБМ 4 (50х50х10 мм) состоит из двух пластин стали 30 (50х50х5 мм). Биметалл ТЕБМ 5 (50х50х10 мм) состоит из двух пластин стали 20Х (40х40х2,5 мм).
Биметаллы второй группы на основе стали 20Х: ТЕБМ-6;
ТЕБМ-7;
ТЕБМ-8;
ТЕБМ-9;
ТЕБМ-10;
ТЕБМ-11.
Биметалл ТЕБМ-9 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм.
Биметалл ТЕБМ-10 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли клепкой.
Биметалл ТЕБМ-11 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли сваркой.
Биметалл ТЕБМ-6 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли клеем. Одна из пластин подвергалась термической обработке: ТЕБМ-6 (Н) нормализации, 850С, другая пластина ГЕБМ-6 (О) подвергалась отжигу. Соударение осуществлялось по обеим пластинам.
Биметалл ТЕБМ-7 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли склеиванием. Одна из пластин подвергалась термообработке – отжигу (ТЕБМ-7 (О)), другая пластина подвергалась нормализации, 850С.
Биметалл ТЕБМ-8 состоит из двух пластин из стали 20Х размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли склеиванием. Одна из пластин подвергалась термообработке – отжигу, другая подвергалась нормализации.
В таблице 6 представлены характеристики биметаллов, созданных на основе стали 20Х, ТЕ-3, сплава Ал2.
Для получения биметаллов этой группы, изготавливали механическим способом (фрезеровка, строгание, шлифовка, полировка) образцы размерами 50х50х2,5 мм из сталей ТЕ-3, 20Х, 30, 18ХГТ, Ал2.
Полученные образцы соединяли специальным клеем для металлических образцов и выдерживали в течении 24 часов при комнатной температуре.
Получали биметаллы размерами 50х50х5 мм, которые сопоставимы с размерами образцов, использованных по методикам Московского института стали и сплавов (МИСиС), Казахского национального технического университета имени К.И.
Сатпаева (КазНТУ), Владимирского технического университета (ВТУ), а также отвечающие требованиям Кремера Х. для соударяемых исследуемых металлических материалов.
Таблица 6 – Химический состав исследованных биметаллов № Марка Химический состав, % вес Размеры, п/п биметалла мм С Si Mu Cr Тi РЗМ Al 1 50х50х ТЕБМ- Лист-сталь ТЕ-3 0,22 0,28 1,2 0,85 1,1 0,32 - 50х50х 50х50х Лист-алюминий - 10-12 - - - - ост Al-Si Ал 2 ТЕБМ-2 50х50х 0,17- 0,17- 0,5- 0,7- 50х50х Лист-сталь30 - - 0,23 0,37 0,8 1, Лист-алюминий 50х50х - 10-12 - - - - ост Al-Si Ал 3 ТЕБМ-3 50х50х Лист-сталь ТЕ-3 0,22 0,28 1,2 0,85 1,1 0,32 - 50х50х Лист-сталь ТЕ-3 0,22 0,28 1,2 0,85 1,1 0,32 - 50х50х 4 ТЕБМ-4 50х50х Лист-сталь 0,17- 0,17- 0,5- 0,7- - - - 50х50х Ст-20Х 0,23 0,37 0,8 1, Лист-сталь 20Х 0,27- 0,17- 0,5- 0,25 - - - 50х50х 0,35 0,37 0, 5 ТЕБМ-5 40х40х Лист-сталь 20Х 0,17- 0,17- 0,5- 0,7- - - - 40х40х 0,23 0,37 0,8 1, Лист-сталь 20Х 0,17- 0,17- 0,5- 0,7- - - - 40х40х 0,23 0,37 0,8 1, Таблица 7 – Характеристика исследованных биметаллов на основе стали 20Х Марка Основно Плакирую Термообработка Размеры Способ биметал й слой, щий слой, Основной Плакирую биметалла, соединения ла маркиро маркировк (составляю биметаллов слой -щий слой вка а щих) 1 2 3 4 5 6 ТЕБМ-6 Ст.20Х Ст.15Х Нормали- отжиг, 50х50х5 склеивание 8800С ТЕБМ- ТЕБМ-6(О) зация (50х50х2, 6(Н) 850С 50х50х2,5) ТЕБМ-7 Ст.20Х Ст.20Х Нормали- отжиг 50х50х5 -// ТЕБМ- ТЕБМ-7(О) зация (50х50х2, 7(Н) 850С 50х50х2,5) ТЕБМ-8 Ст.20Х Ст.20Х Отжиг, нормализа 50х50х5 -// ТЕБМ-8(Н) 8800С ТЕБМ- ция, (50х50х2, 8500С 8(О) 50х50х2,5) Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 ТЕБМ-9 Ст.20Х Ст.18ХГТ Прокатка Прокатка 50х50х5 -// ТЕБМ-9 ТЕБМ-9 (50х50х2, 50х50х2,5) ТЕБМ- Ст.20Х 15 Прокатка Прокатка 50х50х5 клепка 10 ТЕБМ- ТЕБМ-10 (50х50х2, 10 50х50х2,5) ТЕБМ- Ст.20Х 20 Прокатка Прокатка 50х50х5 сварка 11 ТЕБМ- ТЕБМ-11 (50х50х2, 11 50х50х2,5) Таким образом, биметалл (18ХГТ+Ал2) размерами 50х50х5 мм был получен из пластин стали 18ХГТ (50х50х2,5) и алюминиевого сплава Ал2;
биметалл (20Х+АЛ2) был получен из пластин стали 20Х (50х50х2,5) и сплав Ал2;
биметалл (15Х+Ал2) был получен соединением пластин из стали 15Х (50х50х2,5) и алюминиевого сплава Ал2;
биметалл (Ал2+Ал2) был получен соединением (склеивание) двух образцов из алюминиевого сплава Ал2 (50х50х2,5);
биметалл (18ХГТ+20) был получен из пластин стали 18ХГТ (50х50х2,5) и стали 15Х (50х50х2,5);
биметалл (18ХГТ+45) был получен из пластин стали 18ХГТ (50х50х2,5) и стали 20Х (50х50х2,5) методом также склеивания;
биметалл (15Х+20Х) получен из пластин стали 15Х (50х50х2,5) и стали 20Х (50х50х2,5) также склеиванием;
биметалл (15Х+15Х) был получен из образцов стали 15Х (50х50х2,5);
биметалл (20Х+20Х) был получен из двух образцов сталей 20Х (50х50х2,5);
биметалл (20Х+Ал2+20Х) был получен из трех образцов (50х50х2,5) из стали 20Х и алюминиевого сплава Ал2, при этом алюминиевый сплав располагали посередине двух пластин из стали 20Х;
биметалл (18ХГТ+Ал2+18ХГТ) также получали как и предыдущий из трех пластин: двух пластин из стали 18ХГТ (50х50х2,5) и одной пластины Ал2;
биметалл (18ХГТ+Ал2+20Х) получали соединением трех пластин из разных материалов:
стали 18ХГТ (50х50х2,5), стали 20Х (50х50х2,5) и алюминиевого сплава Ал (50х50х2,5);
биметалл (18ХГТ+Ал2+15Х) получали также как и предыдущий из трех разных материалов: стали 18ХГТ (50х50х2,5), стали 15Х (50х50х2,5) и алюминиевого сплава Ал2 (50х50х2,5).
В таблице 9 представлены уровни звука и уровни звукового давления при соударении биметаллических образцов с ударниками диаметрами 6,5;
8,5;
11, мм. Как видно, амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов (АЗДЗБМ) наблюдается на биметаллических образцах (20Х+Ал2), (15Х+Ал2), (18ХГТ+А2+15Х) по характеристикам уровня звука. Амплитудно зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов заключается в том, что при соударении ударниками разной массы (диаметра) излучается шум неадекватного характера (НХ), суть которого состоит в том, что ударник большей массы генерирует шум меньшего уровня (или одинакового) по сравнению с ударником меньшего диаметра (массы). Так, у образца (20Х+Ал2) при соударении ударником 8,5 мм (удар по пластине Ал2 создается шум уровня дБА, т.е. столько же, сколько и при соударении ударником 11,5 мм. Хотя должно быть таким образом, что уровень звука при соударении ударником 11,5 мм ожидается выше по значениям, чем при соударении ударником диаметром 8,5 мм.
Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов в частотном диапазоне наблюдается практически у всех образцов. При этом особенно часто наблюдается амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов при соударениях ударниками 11,5 мм и 8,5 мм, хотя наиболее интересные значения амплитудно-зависимого демпфирования звукоизлучения биметаллов наблюдаются при соударениях ударником 11,5 мм, так как это самый массивный ударник, поэтому проявление эффекта Сулеева Утепова весьма интересно с научной точки зрения для биметаллов (18ХГТ+Ал2), (18ХГТ+Ал2), (15Х+Ал2), (Ал2+Ал2), (18ХГТ+15Х), (18ХГТ+20Х) (18ХГТ+18ХГТ), (15Х+20Х), (15Х+15Х), (20Х+20Х), (20Х+Ал2+20Х), (18ХГТ+Ал2+18ХГТ), (18ХГТ+Ал2+18ХГТ), (18ХГТ+Ал2+15Х).
Как видно из таблицы 8, пониженным звукоизлучением обладают биметаллы (20Х+Ал2), Т3-Т3 (99-96 дБА);
Т7-20Х (93-94 дБА);
Т4-Т4 (93 дБА);
Т5-Т5 (90-92 дБА);
Т5-Ал2-15Х (92-94 дБА). Повышенные значения звукоизлуче ния наблюдаются у биметаллов 20Х-Ал2 (104 дБА);
15Х-Ал2 (104 дБА);
Ал2-20Х (104 дБА). Для практических задач по борьбе с шумом, например, для галтовочных барабанов можно рекомендовать биметаллические пластины для стенок барабана: Т3-Т3;
Т7-20Х.
Следует отметить, что амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлу чения биметаллов у образца Т4-Т4 наблюдается практически на каждой частоте и по уровню звука.
Таблица 8 – Акустические свойства биметаллов Уровень звукового давления, дБ, в октавных полосах со Урове Марка СС d, среднегеометрическими частотами, Гц нь биме- мм звука, талла дБА 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11,5 46 48 52 47 51 45 56 68 97 96 Т 8,5 43 47 45 48 49 44 47 61 98 96 18ХГТ 6,5 50 46 44 48 51 46 47 55 99 100 +Т 11,5 45 41 48 49 44 45 57 53 96 99 18Х 8,5 44 45 46 47 44 47 45 58 98 98 ГТ 6,5 56 52 48 49 48 41 47 56 97 101 11,5 49 44 49 42 41 49 48 61 99 99 20Х 8,5 45 54 49 47 44 40 48 58 100 102 20Х +Ал2 6,5 46 54 50 50 48 47 52 53 100 101 Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ал2 11,5 43 46 42 44 40 44 47 52 101 104 8,5 41 49 47 42 41 41 42 53 100 103 6,5 50 49 44 42 47 49 50 52 99 99 11,5 50 50 59 49 47 47 45 55 101 101 15 Х 8,5 49 44 48 40 45 49 46 55 100 99 15Х+ 6,5 52 49 57 41 57 48 49 53 101 100 Ал 11,5 53 57 50 42 49 50 48 54 102 101 Ал 8,5 54 52 45 45 54 50 52 52 99 68 6,5 58 50 54 48 64 50 46 55 99 72 11,5 51 48 41 52 52 47 47 51 96 94 Т3-Т 8,5 44 52 48 50 48 49 49 51 94 92 6,5 48 48 48 48 42 48 52 56 92 93 11,5 46 49 47 46 41 47 44 55 101 102 18ХГТ 18Х 8,5 57 55 48 54 48 44 45 53 100 103 +20Х ГТ 6,5 52 56 49 48 47 47 48 57 100 100 11,5 42 50 50 52 44 48 50 59 101 103 20Х 8,5 48 52 48 49 48 49 48 51 99 100 6,5 55 55 59 47 47 48 49 55 103 103 11,5 43 50 56 48 49 51 46 53 90 90 Т7 Т 8,5 48 54 51 57 55 52 48 54 92 91 +20Х 6,5 49 52 50 50 54 49 52 55 90 91 11,5 45 52 44 51 47 44 44 55 99 98 20Х 8,5 44 49 47 48 46 55 46 56 100 99 6,5 51 47 48 55 60 58 45 54 96 96 11,5 55 48 50 44 57 49 47 46 104 101 18ХГТ 8,5 56 46 51 47 52 48 49 52 103 102 +18ХГТ 6,5 62 55 47 50 54 46 50 51 100 101 11,5 44 48 46 48 49 48 52 58 104 100 15Х+ 15Х 8,5 45 50 55 50 48 52 48 62 100 99 20Х 6,5 51 51 55 49 50 51 49 61 99 96 11,5 49 46 48 48 50 50 50 58 102 102 20Х 8,5 51 49 49 47 48 48 50 61 101 102 6,5 49 48 48 48 46 49 52 51 99 99 11,5 43 52 49 60 48 48 53 62 92 91 Т4-Т 8,5 56 50 49 55 46 50 51 52 93 90 6,5 56 49 48 48 48 49 46 54 93 91 11,5 46 48 57 57 49 47 45 58 90 92 Т5-Т 8,5 49 48 48 49 52 50 41 54 91 90 6,5 55 49 55 56 55 48 41 57 90 88 Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 11,5 48 49 44 54 49 42 48 58 103 102 20Х+Ал 8,5 46 49 43 56 57 42 52 52 101 101 +20Х 6,5 44 47 49 44 48 49 53 55 99 97 11,5 47 48 44 58 55 41 50 62 103 102 18ХГТ+Ал 8,5 55 49 46 54 49 48 49 52 100 101 +18ХГТ 6,5 59 54 58 62 58 53 51 53 99 98 11,5 56 53 52 56 49 41 47 64 103 103 18ХГТ Ал 8,5 55 58 55 55 48 42 51 55 101 100 +Ал2+ 6,5 54 58 56 52 49 47 52 53 100 101 20Х 11,5 44 46 48 50 48 48 50 63 101 102 8,5 56 54 55 58 47 51 49 54 99 99 Х 6,5 48 52 52 52 48 52 41 55 98 98 Ал2 11,5 49 48 48 46 49 52 46 65 90 92 Т 8,5 48 46 49 48 48 48 45 54 91 93 +Ал 6,5 47 49 50 49 47 49 44 55 91 94 +15Х 11,5 49 48 46 46 48 48 43 56 91 90 8,5 48 49 45 48 48 49 42 54 90 92 15Х 6,5 46 48 48 47 48 48 41 52 89 92 В разделе 6 приведены результаты исследований акустических, демпфирую щих, физико-механических характеристик порошковых металлических материа лов.
В таблице 9 и 10 представлены химический состав, механические и акустиче ские свойства порошковых металлических материалов, а также состав и свойства конструкционных порошковых сталей после спекания и термической обработки.
Способность тормозить скорость звука порошковым материалом показано в табл.10. Видно, что для снижения производственного шума соударения можно рекомендовать ПММ Т14П (0,75% Cr;
1,0% Mn;
0,4% Si;
0,30% Cu;
0,25% Al;
ос тальное - железо);
T13П (0,9% Cr;
0,5% Mn;
(0,3-0,5)% Si;
0,30% Cu;
0,25% Al;
ос тальное - желоезо);
T15П (1,0% Cr;
1,1% Mn;
0,4% Si;
0,3% Cu;
0,25% Al;
осталь ное - железо).
Уже при насыпании порошка в форму поверхностные слои частиц (как правило, обогащенные примесями или обладающие искаженной кристаллической решеткой, в результате чего физические свойства приповерхностного слоя частицы могут значительно отличаться от свойств основного материала) воспринимают контактную нагрузку. Поверхность порошинок характеризуется шероховатостью (часто значительной) и наличием микроскопических или субмикроскопических трещин. В результате контакт между соприкасающимися частицами при отсутствии внешнего давления возможен только в отдельных точках.
Таблица 9 - Химический состав, механические и акустические свойства порошковых металлических материалов Уровень зву Содержание ПММ Акустические свойства, дБ ка, дБА Дж/м Марка 5, Q-1·10-, % МПа в, ан, сплава % Cr Mn Si Cu Al Fe Т-13П 0,9 0,5 0,3- 0,30 0,25 ост 49 44 50 62 70 90 88 91 22,5 150 5 4 0, Т-14П 0,75 1,0 0,4 0,3 0,25 ост 50 46 52 64 71 91 86 91 25,4 158 8 6 Т-15П 1,0 1,1 0,5 0,3 0,25 ост 52 48 54 61 72 92 84 92 26,5 165 10 2 Т-16П 1,5 1,5 0,5 3,5 0,25 ост 54 52 56 63 74 94 89 94 28,4 161 9 6 СП-10 - - 0,6 0,3 0,25 ост 52 50 54 59 70 96 92 96 18,5 181 6 4 СП-30 - - 0,5 0,3 0,25 ост 50 48 54 62 71 99 94 99 18,6 182 8 6 СП70 - - 0,4 0,3 0,25 ост 59 52 61 60 76 96 93 96 2,4 186 9 8 СП90 - - 0,5 0,3 0,25 ост 49 47 51 66 72 97 95 98 21,5 191 12 10 Таблица 10 - Состав и свойства конструкционных порошковых сталей после спекания и термической обработки Марки Содержания элементов, об.% После спекания После термической обработки Lа, стали дБА углерод хром прочие в, МПа, %, НВ, МПа Тем.закалки в, МПа, %, НRC кДж/м2 кДж/м С СП-10 0,2 - Si,Mn,S,P 120/250 8/18 350/700 700-800/900- - - - - - СП-30 0,3 - » 160/250 8/18 350/700 700-800/900- - - - - - СП-70 0,5-0,8 - » 200/360 8/15 300/600 700-900/1100- 820- 350/660 2/10 100/450 30- 1500 840**/820-840 35/45 СП-90 0,8-1,1 - » 200/450 4/10 220/450 800- 820-840-/820- 450/1000 1/3 50/350 33- 1000/1200- 840 40/50 1880 В связи с этим действительные контактные давления в силу малости начальных поверхностей соприкосновения (0,001-0,01 % от общей поверхности контактирующих частиц) достигают таких значений, при которых возникают пластические деформации или местные разрушения, т.е. напряженное состояние материала частицы в окрестностях зоны контакта должно быть близким к предельному. По подсчетам, при среднем напряжении в массе песка 0,1 МПа наибольшее контактное давление составляет 2000 МПа. При таких давлениях первоначальный точечный контакт переходит в контакт по некоторой поверхности, хотя и малой. При разработке демпфирующих порош ковых металлических материалов прессование проводили таким образом, что бы плотность порошка была различной. Такого в литых сплавах достичь невоз можно.
Контактная поверхность исследована визуально (после разрушения прессовки по отпечаткам на частицах, особенно имеющих сферическую форму) и путем измерения электросопротивления порошкового тела по формуле Sк =(к/) SH, (5) где SH – номинальное сечение порошкового тела, Sк – контактная поверхность в номинальном сечении порошкового тела;
– удельная элетропроводность (табличная или измеренная для компактного беспористого материала);
к - контактная (реалная) удельная электропроводность пористого порошкового тела.
Сущность процесса прессования для получения демпфирующего материа ла заключается в деформировании некоторого объема сыпучего порошкового тела переменным обжатием, при котором происходит уменьшение первоначального объема и формирование заготовки (прессовки) заданных формы, размеров и свойств. Объем порошкового тела при прессовании изменяется в результате смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними, и деформации частиц.
В разделе 7 приведены результаты исследования акустических, демпфи рующих и физико-механических характеристик сталей с наноструктурным по крытием. В таблице 11 представлены химический состав исследованных сталей с наноструктурным покрытием Таблица 11 - Химический состав исследованных сталей с наноструктурным покрытием № Сталь C Si Mn Cr Ni РЗМ Fe НСП, М п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1,2*10- 1 33ХС 0,32 1,20 0,55 1,45 0,3 - ост.
2,6*10- 2 20Л 0,22 0,35 0,65 0,20 0,30 - ост.
Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,14% Mn 2,3*10- 3 18Х2Н4ВА 0,16 0,16 0,50 1,87 3,82 ост.
0,07%V 0,87%W 2,7*10- 4 25ПС 0,26 0,17 0,7 0,25 0,25 - ост.
1,2*10- 5 Т-9Н 0,26 0,4 1,3 - 1,5 0,02 ост.
2,5*10- 6 Т-10Н 0,20 3,0 2,0 - 1,2 0,02 ост.
2,2*10- 7 Т-11Н 0,31 1,5 1,1 - 0,6 0,02 ост.
2,6*10- 8 Т-12Н 0,25 1,6 2,6 - 0,6 0,02 ост.
В таблице 12 показаны акустические и механические свойства сталей с наноструктурным покрытием.
Таблица 12 - Акустические и механические свойства сталей с наноструктурным покрытием УЗД, дБ, в октавным полосах со Уровень звука, Марка стали средногеометрическими частотами, ан, Дж/см в, МПа Q-1·10- Гц, 5, дБА % % 33ХС(Н) 47 44 45 60 75 108 106 110 4,5 900 80 70 20Л(Н) 46 42 47 61 71 107 105 109 5,8 450 50 55 18Х2Н4 46 43 45 62 72 109 106 111 6,2 850 80 80 ВА(Н) 25ПС(Н) 45 44 46 62 74 110 108 112 8,5 500 60 60 Т-9(Н) 42 40 43 63 73 100 98 101 18,5 950 90 70 Т-10(Н) 44 43 47 61 72 99 96 99 20,4 1050 100 75 Т-11(Н) 47 45 48 63 73 97 95 98 19,5 980 85 80 Т-12(Н) 46 44 49 64 74 96 94 97 18,5 960 95 90 В таблице 13 представлены вибрационные характеристики образцов (пластины размером 50х50х5 мм) из хромокремнистых сталей Т-9, Т-10, Т-11, Т-12, а также Т-9НС, Т-10НС, Т-11НС, Т-12НС после соударения с шарами ударниками диаметрами d=9,5 мм, d=12,7 мм, d=15,2 мм и d=18,3 мм.
Одной из задач исследования являлось получение и исследование наност руктурных покрытий на поверхности сталей с целью повышения демпфирую щих свойств.
Среди методов формирования наноструктурных покрытий одним из перспективных является процесс вакуумно-дугового ионноплазменного осаждения, получивший в мировой практике наименование процесса arc-PVD.
Таблица 13 – Вибрационные характеристики разработанных сталей Т-9, Т-10, Т-11, Т-12, Т-9НС, Т-10НС, Т-11НС, Т-12НС Уровни виброускорения, дБ, в октавных полосах со средне ударника, d, мм Диаметр шара геометрическими частотами, Гц ОУВУ, дБ № Марка п/п стали 31, 9,5 69 72 79 66 60 56 59 72 88 84 86 12,7 72 79 82 74 75 60 55 69 66 65 68 Т- 1 15,2 77 66 69 60 62 58 55 60 59 56 54 18,3 68 60 59 63 63 60 94 87 80 89 92 9,5 64 62 73 66 56 59 57 60 59 62 66 12,7 56 57 64 66 62 59 60 64 65 59 62 2 Т- 15,2 90 110 93 91 82 69 64 63 61 64 68 18,3 112 108 94 90 89 79 66 63 61 60 64 9,5 72 85 75 59 58 55 61 60 59 57 56 12,7 97 82 73 77 68 66 69 67 64 55 59 Т- 3 15,2 70 101 104 72 64 66 69 60 59 56 59 18,3 92 114 89 63 64 75 83 88 83 86 84 9,5 76 86 78 51 58 60 64 58 60 58 54 Т-12 12,7 94 84 80 74 70 72 69 72 69 59 62 15,2 70 97 92 72 62 66 59 61 57 60 64 18,3 92 118 86 62 69 76 88 89 84 80 85 9,5 66 70 68 59 57 55 54 68 74 79 80 12,7 69 76 80 71 69 65 60 62 61 62 67 5 Т-9НС 15,2 71 60 66 58 61 59 54 59 64 61 55 18,3 66 59 54 62 60 59 78 81 79 75 87 9,5 62 61 68 67 59 60 52 59 55 59 64 Т- 12,7 59 55 62 64 60 61 59 67 61 64 61 10НС 15,2 88 92 91 89 84 78 61 60 62 65 66 18,3 100 98 92 89 92 78 64 62 60 59 60 9,5 65 70 74 79 68 69 60 58 55 59 54 Т- 12,7 82 80 79 74 67 62 64 65 62 59 57 11НС 15,2 68 78 69 70 66 62 64 58 54 51 57 18,3 87 98 88 67 66 61 74 72 79 84 82 Т- 9,5 66 79 70 64 69 65 67 62 64 62 61 12НС 12,7 88 80 72 66 67 74 70 70 67 61 67 15,2 89 91 75 70 60 69 62 64 62 59 62 18,3 94 100 89 68 71 72 79 78 74 77 81 Процессы PVD основаны на генерации вещества в вакуумное пространство камеры с подачей реакционного газа (N2, O2, CH4 и др.). Различие технологий PVD состоит в принципах генерации вещества, различной степени ионизации паро-ионного потока, конструкциях и технологических особенностях установок. Наибольшее применение в практике производства инструмента покрытием нашли системы низковольтного вакуумно-дугового испарения, arc-PVD (КИБ – наименование процесса в странах СНГ).
Процессы КИБ основаны на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала катода в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Характерной особенностью процессов КИБ является высокая химическая активность испаряемого вещества, состоящего из высокоионизированного потока низкотемпературной плазмы (степень ионизации может достигать 9095 %). Субстрат и осаждаемый конденсат подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого металла, что приводит к частичному распылению приповерхностных слоев субстрата и повышению температуры в зоне формирования покрытия. В результате резко возрастает подвижность атомов на поверхности субстрата, происходит дополнительная активация осаждаемого конденсата, формируется прочная адгезионная связь между покрытием и субстратом.
Процессы КИБ отличаются высокой производительностью в десятки раз превышающей производительность процессов CVD, что связано с возможностью существенного ускорения высокоионизированного потока ионов путем приложения отрицательного потенциала (относительно корпуса камеры) к субстрату или значительного повышения его плотности и гомогенности путем применения специальных плазмо-оптических магнитных систем. Процессы КИБ позволяют осаждать покрытия при существенно относительно низких температурах (до 600-700°С), что в сочетании с высокой скоростью и уменьшенным временем осаждения конденсата позволяет избежать или существенно заблокировать интердиффузионные процессы на границах раздела «покрытие-субстрат», предельно снизить вероятность разупрочнения субстрата. Кроме того, процессы КИБ являются экологически безопасными.
Процесс КИБ включает в себя следующие этапы:
- нагрев субстрата (термоактивация) посредством электронной и ионной бомбардировки;
- химико-термическое плазменное азотирование субстрата (для инструментов из быстрорежущей стали);
- ионная обработка (очистка поверхности путем распыления);
- ионно-ассистированное осаждение функциональных слоев покрытия.
Для реализации основных положений по формированию многофункцио нальных покрытий на рабочих поверхностях сталей была использована специ альная установка на основе модернизированного вакуумно-дугового агрегата ННВ-6.6-И3 (Московский институт стали и сплавов).
В частности, установка позволяет сепарировать нейтральные частицы (микрокапельная фаза). Сепарация капельной составляющей производиться в результате отклонения заряженных частиц ионного потока (ионы, электроны) мощным магнитным полем. Кроме того, сепаратор может выполнять роль ус корителя плазменного потока, служить источником электронов для термоакти вации инструмента и источником высокозаряженных ионов газа (например, азота) для стимулированной химико-термической обработки инструмента.
Принципиальная схема универсальной вакуумно-дуговой установки пред ставлена на рисунке 3, схема сепаратора-ускорителя показана на рисунке 4.
1 – газосмеситель;
2 – вакуумметр;
3 – камера установки;
4 – источник электропитания ускорителя-сепаратора;
5 – система контроля температуры;
6 – вакуумная система;
7, 9 – дуговые испарители;
8 – источник сепарированной плазмы;
10, 11 – системы охлаждения испарителей;
12, 13 – источники электропитания испарителей;
14 – поворотный стол для размещения инструмента;
15 – система нагрева и охлаждения камеры;
16 – источник импульсной подачи напряжения смещения на инструмент Рисунок 3 - Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки универсального назначения Источник сепарированной плазмы (рисунок 4) состоит из плазмовода, который представляет собой часть тора с углом 120. Внутренний диаметр тора равен 200 мм. С наружной стороны плазмовода расположена электромагнитная катушка. На входе плазмовода располагается катодный узел с закрепленным на нем катодом, который смещен от центра плазмовода таким образом, что он находится относительно центра тора на радиусе Ro= r R, где r и R соответственно малый и большой радиусы стенок плазмовода. На противоположном конце плазмовода располагается анод дугового разряда, которым могут служить стенки вакуумной камеры. На корпус плазмовода подается положительное или отрицательное напряжение.
Рисунок 4 - Источник сепарированной плазмы При пропускании тока через катушку внутри плазмовода создается равномерное по длине магнитное поле. Величина напряженности магнитного поля на осевой линии тора составляет около 600 эр. Дуговой разряд зажигается между катодом и анодом и обеспечивает прохождение электронного тока дуги через плазму, сформированную внутри плазмовода. Поскольку электронная компонента плазмы замагничена, то силовые линии магнитного поля, пересекающие катод и проходящие вблизи оси плазмовода принимают потенциал близкий к потенциалу катода, а силовые линии вблизи стенок плазмовода – потенциал стенок. Таким образом, в плазме создается электрическое поле, перпендикулярное к стенкам плазмовода. Электрическое поле обеспечивает дрейф ионов от стенок или к стенкам плазмовода – в зависимости от полярности и величины напряжения, приложенного к стенкам.
Таким образом, ионизованная компонента плазмы транспортируется вдоль силовых линий магнитного поля по плазмоводу к выходу. Тогда как микрочастицы и нейтральная компонента плазмы осаждаются на стенках плазмовода.
C учетом низкой электропроводности субстратов из градиентной керами ки была разработана специальная технология синтеза покрытий на основе ис пользования специальных источников низко- и среднеэнергетической плазмы (газовой и газометталической), разделения процессов теромоактивирования и очистки поверхности субстрата, гашения микродуг и сепарации капельной со ставляющей, особенно при использовании элементов с относительно низким атомным весом (Al, Ti и др.).
115 Прочность, в, МПа Уровень звука, дБА 105 95 85 - ) П П Н 9Н Н : : Т - - :Т Т С( Т Т СП СП кп 4:
ГТ Т Т Т Х Т Х уровень звука предел прочности Рисунок 5 - Сравнительные характеристики уровней шума и предела прочности исследованных материалов.
Полученные наноструктурные покрытия на поверхности сталей обеспечили снижение уровня шума при соударениях.
Нанопокрытие поверхности исследованных сталей осуществляется поэтап но (послойно) по 20нм, общая толщина покрытий достигает 400нм-2мкм. Ис следование акустических характеристик инструментальных сталей показало, что стали с нанопокрытиям (Т10(НС), Т11(НС), Т12(НС)) при соударении гене рируют шума на 5-9 дБА ниже, чем без покрытия. Исследование демпфирую щих свойств сталей показал, что образцы с нанопокрытиями (Т10(НС), Т11(НС), Т12(НС)) имеют повышенные демпфирующие свойства и пониженное звукоизлучение.
На рисунке 5 представлены сравнительные харатеристики уровней шума и предела прочности при растяжении исследованных литых, биметаллических, порошковых и наноструктурных материалов. Как видно, у каждого материала свои преимущества. Высокие демпфирующие свойства у биметаллов и ПММ характеризуются с невысокими прочностными свойствами. Средняя демпфи рующие свойства у литых и наноструктурных материалов характеризуются средними свойствами демпфирования.
В разделе 8 приведены результаты внедрения научных разработок на производстве.
На заводе ТОО КВОиТ (завод котельно-вспомогательного оборудования и трубопроводов) внедрена вибродемпфирующая сталь Т3 (0,24%С;
Si 0,1%;
0,65%Мn;
0,42%Сr;
0,14%Са;
0,15%La;
остальное - железо) На участке листовой штамповки слесаро-сварочного цеха ТОО «Завод КВОиТ» (г. Алматы) на 200-тонном гидравлическом прессе были испытаны стальные полосы (500х150х2мм) из сталей 08кп, 08ю и Т-3. Операция листовой штамповки – вырубка пуансоном заготовки диаметром 15 мм. Результаты измерения шума представлены в таблице 15.
Экономический эффект составил 419220 тенге.
В испытательной лаборатории ТОО «МунайГазЭкология ИНК» были ис пытаны валы редуктора из сталей 40Х и Т5 (0,25% С;
0,28% Si;
0,37% Mn;
0,09% Cr;
025% Ni;
0,13 % Ce;
0,01 % La;
остальное-железо).
В испытательной лаборатории ТОО «Шумомер» были испытаны правиль ная плита из сталей 15 и Т6 (0,15% С;
0,15% Si;
0,48% Mn;
0,08% Cr;
0,25% Ni;
0,07% Ce;
0,12 % La;
остальное - железо).
Изготовлены и внедрены в ТОО «Сенімді рылыс» корпус редуктора мостового крана.
Корпус редуктора изготовлен из чугуна ЕА-1 (3,3-3,5% С;
1,4-2,4% Si;
0,7 1% Mn;
0,7-0,85% Cr;
0,15% S;
0,2% P;
остальное- Fe );
- снижение шума составило 4-6 дБ;
- годовой экономический эффект составил 500000 тенге.
Изготовлены и внедрены шестеренки на литейно - механическом заводе ЖГМК ТОО "Корпорации Казахмыс":
- шестеренки изготовлены из чугуна ЕА-1(3,3-3,5% C;
1,4-2,4% Si, 0,7-1% Mn;
0,7-0,85% Cr;
0,7-0,85% S;
0,15% P;
0,2% Cu;
остальное -Fe );
- снижение шума составило 5-7дБ;
- годовой экономический эффект составил 125000 тенге.
Изготовлены и внедрены корпус редуктора в ремонтно- механизированным специализированном управлении ЖГМК ТОО "Корпорации Казахмыс":
корпус редуктора изготовлен из чугуна ЕА-1 (3,3-3,5% C;
1,4-2,4% Si, 0,7-1% Mn;
0,7-0,85% Cr;
0,7-0,85% S;
0,15% P;
0,2% Cu;
остальное -Fe).
Экономический эффект от мероприятий по охране труда объясняется тем, что при улучшении условий труда за счет снижения производственного шума, снижается заболеваемость рабочих, уменьшается число дней нетрудоспособно сти.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации на основании полученных результатов изложены научно обоснованные решения по снижению производственного шума путем разработки вибродемпфирующих металлических материалов на основе железа (литые сплавы, биметаллы, стали с наноструктурным покрытием, порошковые металлические материалы).
Основные выводы по результатам исследований заключаются в следующем:
1 Методы снижения производственного шума от соударений (замена ударных процессов безударными, использование прессования вместо штамповки, заменой ударной правки листов вальцовкой, использование амортизирующих устройств и др.), не всегда можно внедрить в производство.
Использование демпфирующих сплавов на основе железа не эффективны из-за высокой плотности литого металла (максимальное гашение шума достигает 8 10 дБА).
2 Разработано устройство для исследования материалов по звукоизлучению (патент № 22198 РК, C01N 29/00), использование которого увеличивает точность измерения уровня ударного шума, при одновременном упрощении конструкции, что осуществляется за счет того, что ударник выполнен в виде стержня со шпоночным выступом, шаровидным бойком на торце, цилиндрический корпус со сквозными последовательно по высоте расположенными симметрично оси корпуса отверстиями для фиксации ударника, а также в корпусе, на внутренней поверхности которого имеется прямоугольный шпоночный продольный паз, предназначенный для направления движения ударника корпус закреплен жестко к основанию с помощью ребер жесткости трапецеидальной конфигурации при этом одним концом прикреплен к корпусу, другим к основанию. Экспериментальным методом установлено, что при падении ударника весом 2,5 m с высоты 2,2 h (где m – масса заготовки;
h – высота модели пуансона) обеспечивается повышенная точность измерения.
3 Разработаны вибродемпфирующие сплавы на основе железа, обеспечивающие снижение шума соударений на (3-11) дБА по сравнению с аналогичными стандартными сталями марок 08, 08кп, 10, 15, 20, 25, 10Г2, 20Г, при этом наилучшими демпфирующими свойствами обладают сплавы Т5 (0, % С;
0,28 % S;
0,37 % Mn;
0,09 % Cr;
0,25 % Cu;
0,25 % Ni;
0,13 % Ce;
0,01 La, остальное - железо) и Т6 (0,15 % С;
0,15 % Si;
0,48 % Mn;
0,08 % Cr;
0,25 % Cu;
0,25 % Ni;
0,07 % Ce;
0,12 % La, остальное - железо), причинами повышенных демпфирующих свойств разработанных сплавов Т5 и Т6 являются амплитудно независимое демпфирование, обусловленное внутренними напряжениями, вызванными несовершенствами (влияние церия и лантана) области расположения этих несовершенств образует пики микронапряжений, вызывающие тормозящие действия звуковой волне.
Одним из возможных механизмов « фонового» демпфирования является фононное рассеяние. В метастабильной решетке, характеризующейся повышенной собственной энергией и более резко напряженной, чем в стабильном состоянии, анизотропией, при распространении волн упругих напряжений имеются благоприятные условия для зарождения и аннигиляции фононов, своеобразного движения «фононного» газа. При встрече фононов с препятствиями типа дефектов кристаллической решетки или друг с другом происходит рассеяние энергии, проявляющееся с повышенном фоне демпфирования. С повышением температуры и увеличением общей метастабильности кристаллической решетки рассеяние резко возрастает.
Использованный метод математического планирования эксперимента (метод крутого восхождения Бокса-Вилсона) позволил установить зависимость уровня звука от содержания легирующих элементов. У=102х0+2,33х1+0,79х2 1,99х3-2,66х4, где коэффициент 2,33 - оценивает влияние содержания углерода;
0,79 - влияние никеля;
1,99 - влияние хрома;
2,66 - влияние РЗМ, при этом повышение содержание хрома с 0,1 до 0,3%, РЗМ до 0,16% вызывает снижение уровня ударного шума;
а повышения содержании углерода до 0,24%, никеля до 0,25% вызывает рост уровня шума.
4 Получены биметаллические материалы на основе сталей 20Х, 15Х, 18ХГТ, 30, 45, алюминиевого сплава Ал2, разработанных низкоуглеродистых трубных сталей Т1, Т5, Т6, Т7, Т8. Повышенными демпфирующими свойствами обладают биметаллы Т3:Т3 (94-96 дБА);
Т7:20Х (93-94 дБА);
Т4:Т (93 дБА);
Т5:Т5 (90-92 дБА);
Т5:15Х (92-93 дБА);
Т5:45 (98 дБА), это на 10 дБА ниже чем у литых стандартных сталей. Причинами повышенного затухания у биметаллов является приграничный слой между пластинами, где происходит рассеивание звука.
5 Для получения наноструктурных материалов (покрытий на поверхности сталей) использовали специальную установку на основе модернизированного вакуумно-дугового агрегата ННВ-6.6-ЗИ, осуществляли сепарацию нейтральных частиц. Сепарация капельной составляющей производили в результате отклонения заряженных частиц понного потока (поны, электроны) мощным магнитным полем. Получали на поверхности сталей наноструктурное многослойное покрытие толщиной 400 нм, обеспечивающее демпфирование производственного шума ударного происхождения на (8-12) дБА.
6 Разработаны спеченные порошковые материалы на основе железа Т-13П (5,5 % Cr;
4,5 % Mn;
3 % Si;
1 % Cu ;
2 % Al, остальное железо), T14 П (6 % Cr;
4,5 % Mn;
3,5 % Si ;
1,5 % Cu ;
2,5 % Al,, остальное железо), обладающие пониженным звукоизлучением (на 2-6 дБА) ниже, чем у стандартных спеченных порошковых материалов марок СП10, СП30, СП70, СП90.
Причинами повышенного затухания звуковой энергии при соударении является переменная плотность порошкового металлического материала, обеспечиваемая при прессовании.
7 Предложенная математическая модель, описывающая синусоидальную зависимость звукового давления в точке трехмерного пространства от частоты собственных колебаний стальной трубы и экспоненциальную от диссипативных характеристик сплава, позволяет рассчитывать звуковое давление без проведения экспериментальных замеров;
8 Теоретически определенный в стандартных полосах частот уровень излучаемого шума в произвольной точке на определенном расстоянии от оси стальной трубы может быть использован при расчете акустических характеристик в реальном производстве;
9 Теоретически определено количество резонирующих квазипродольных и квазисдвиговых мод при генерировании ударного шума.
10 Определено, что интенсивность шума соударения будет затухать по экспоненциальной зависимости при демпфировании наноструктурными и биметаллическими материалами;
11 Термическая обработка (отжиг) плакирующего слоя биметалла позволяет обеспечить снижение шума на 10-14 дБА по сравнению с нормализацией и закалкой.
12 Термическая обработка обеспечила дополнительное повышение демпфирующих свойств как литых сплавов (Т1-Т8), так и биметаллов и наноструктурных порошковых материалов. Двойной отжиг плакирующего слоя биметалла повышает диссипацию звуковых энергии за счет резкого роста зерна перлита, сопоставимые с длиной изгибной звуковой волны. Закалка и низкий отпуск основного слоя биметалла обеспечивает снижение шума соударений за счет создания мартенситной структуры, образующиеся модификации мартенсита характеризуются весьма подвижными межфазными границами, перемещение которых при приложении внешней нагрузки приводит к рассеиванию звуковой энергии.
13 Полученные новые литые вибродемпфирующие металлические материалы (железоуглеродистый сплав КазНТУ – V, сплав КазНТУ- IV на основе железа, сплав на основе железа) защищены патентами Республики Казахстан №№ 22295, 21005, 21006 соответственно.
14 Созданные вибродемпфирующие металлические материалы были внедрены на предприятиях РК и обеспечили экономический эффект в сумме 3 042 054,08 тенге в год за счет снижения заболеваемости работающих, уменьшения числа дней нетрудоспособности.
Оценка полноты решения поставленных задач. Задачи, поставленные в диссертации полностью выполнены. Результаты научной работы внедрены в производство и защищены патентами Республики Казахстан. При этом получен эффект в сумме 3 042 054,08 тенге Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Разработанные вибродемпфирующие металлические материалы рекомендованы предприятиям с повышенным уровнем производственного ударного шума.
Оценка технико-экономический эффективности внедрения. Внедрение разработанных вибродемпфирующих материалов позволило получить экономический эффект в сумме 3 042 054,08 тенге. Кроме того, рассчитанный социальный эффект оказался положительным, что подтверждает эффективность противошумных мероприятий.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в этой области. Разработанные вибродемпфирующие металлические материалы на основе железа являются новыми материалами в технике борьбы с шумом, аналогов не имеют, отвечают современным требованиям, предъявляемым к демпфирующим сплавов. Теоретическая работа по определению уровней звукового давления в произвольной точке пространства по оценке акустической обстановки на рабочих местах.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1 Утепов Т.Е. Пути снижения производственного шума за счет сплавов высокого демпфирования. // Труды восьмой международной научно технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономиче ские, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика) Ч 1 Алматы: 2006.
- С. 33-38.
2 Утепов Т.Е. Технико-экономическая эффективность от применения разработанных демпфирующих сталей. // Труды восьмой международной науч но-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (ох рана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, эконо мические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика). - Алматы:
КазНТУ, 2006. – Ч 1. - С. 40-45.
3 Утепов Т.Е. Демпфирующие сплавы, легированные редкоземельными элементами. // Вестник КазНТУ, Алматы – 2007. - № 1(58). – С. 35-43.
4 Утепов Т.Е. Снижение производственного шума за счет демпфирую щих железоуглеродистых сплавов. // Вестник КазНТУ, Алматы – 2007. - № 1(58). – С. 87-93.
5 Утепов Т.Е. Демпфирующая сталь, легированная хромом и ванадием для техники борьбы с шумом. // Министерство образования и науки Кыргыз ской Республики. Журнал «Наука и новые технологии», Бишкек - 2007. - №3-4.
- С.12-15.
6 Утепов Т.Е. Влияние термообработки на эффект затухания шума в структуре сплава. // Федеральное агентство по образованию Ставропольский государственной университет. Актуальные проблемы безопасности жизнедея тельности: Интеграция науки и практики. «Сборник научных трудов по мате риалам международной научно-практической конференции. – Ставрополь:
«Сервисшкола - 2008. - С. 175-179.
7 Утепов Т.Е. Малошумная направляющая труба токарного автомата. // Федеральное агентство по образованию Ставропольский государственной уни верситет. Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности: Интеграция науки и практики. «Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. – Ставрополь: Сервисшкола – 2008. - С.
179-182.
8 Утепов Т.Е. Новый вибродемпфирующий сплав, легированный каль цием. // Федеральное агентство по образованию Ставропольский государствен ной университет. Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности: Ин теграция науки и практики. «Сборник научных трудов по материалам междуна родной научно-практической конференции. – Ставрополь: Сервисшкола – 2008.
- С. 182-186.
9 Утепов Т.Е. Демпфирующие углеродистые стали, легированные хро мом, кальцием для техники борьбы с шумом. // Журнал «Известия вузов», Биш кек – 2008. - № 3-4. – С. 34-38.
10 Утепов Т.Е. Разработка сплавов с повышенными диссипативными характеристиками, легированные хромом и иттрием. // Журнал «Наука и новые технологии», Бишкек – 2008. - № 3-4. – С. 22-25.
11 Утепов Т.Е. Сплавы с повышенными характеристиками диссипации для техники борьбы с шумом. // Вестник КазНТУ, Алматы – 2008. - № 4 (67). – С.
12 Утепов Т.Е. Применение легированной демпфирующей стали в тех нике борьбы с шумом. // Инновационные и наукоемкие технологии в строи тельной индустрии: Сборник материалов Международной научно-практической конференции. - Алматы: КазГАСА, 2008. – С. 259-263.
13 Утепов Т.Е. Демпфирующая сталь, легированная хромом и ванадием для техники борьбы с шумом. // Металлург, 2008. - № 5. – С. 23-28.
14 Утепов Т.Е. Звукоизлучение конструкционной стандартной стали. // Десятая Международная научно-техническая конференция «Новое в безопасно сти жизнедеятельности» (охрана труда, экология, защита человека в ЧС, эконо мические, правовые аспекты БЖД, логистика). – Алматы: КазНТУ, 2009. – С.
246-249.
15 Утепов Т.Е. Акустические свойства легированных сталей. // Десятая Международная научно-техническая конференция «Новое в безопасности жиз недеятельности» (охрана труда, экология, защита человека в ЧС, экономиче ские, правовые аспекты БЖД, логистика). – Алматы: КазНТУ, 2009. – 253-257.
16 Утепов Т.Е. Сравнение акустических свойств стандартных и вновь выплавленных рессорно-пружинных сталей. // Десятая Международная научно техническая конференция «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, защита человека в ЧС, экономические, правовые аспекты БЖД, логистика). – Алматы: КазНТУ, 2009. – С. 351-363.
17 Утепов Т.Е. Метод повышения демпфирующих свойств известной конструкционной стали. // Одиннадцатая Международная научно-техническая конференция «Новое в безопасности жизнедеятельности». - Алматы: КазНТУ, 2009. – Т. 1. – С. 24-25.
18 Утепов Т.Е. Разработка диссипативных упругих сталей. // Одинна дцатая Международная научно-техническая конференция «Новое в безопасно сти жизнедеятельности». - Алматы: КазНТУ, 2009. – Т. 1. – С. 25-26.