Russian Federation
UDK 621.793 Нанесение металлических и неметаллических покрытий. Металлизация. Нанесение проводниковых, полупроводниковых, резистивных, диэлектрических, магнитных покрытий и пленок из них
An analytical substantiation of the protection of the working surface of the shot blasting nozzle from abrasive wear using supersonic near-wall flows in comparison with subsonic near-wall flows is given. The calculations are confirmed by experimental studies on an improved shot blasting nozzle.
SHOT BLASTING NOZZLE, ABRASIVE WEAR, SUPERSONIC WALL FLOWS.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Традиционные меры повышения износостойкости рабочих поверхностей технологических средств, таких как, например, дробеструйные устройства, от струйно-абразивного воздействия за счет использования твердосплавных материалов малоэффективны [1-3]. Недостаточной защитной способностью поверхностей обладают также дозвуковые пристеночные газовые потоки. В связи с этим представляет интерес использование для этой цели недорасширенных сверхзвуковых пристеночных потоков. Отжатие ими основного струйно-абразивного потока происходит вследствие того, что на длине пристеночного потока до сечения «запирания» граница сверхзвуковой струи обладает высокой устойчивостью к воздействию на ее извне возмущений, в том числе и в виде отдельных частиц, например, абразива [4]. Это объясняется упругими свойствами границы струи, так как при сверхзвуковой скорости уменьшение проходного сечения потока приводит к его торможению и увеличению давления [5-7].
Дополнительно к этому защитные свойства сверхзвуковой струи проявляются в следующем: когда упругости сверхзвуковой струи недостаточно и частица все-таки пробивает ее границу, то в момент проникновения частицы в струю на величину, примерно равную радиусу частицы, сверхзвуковой поток перед частицей локально затормозится, что вызовет повышение давления. Вследствие существенной разницы давления, действующих на частицу в этом случае со стороны пристеночного сверхзвукового и основного потоков, частица вытолкнется пристеночным потоком, не успев коснуться стенки рабочего сопла. К этому выводу можно прийти путем аналитически обоснованного следующего обоснования.
2 Результаты исследований
Перед частицей в сверхзвуковом потоке образуется скачок уплотнения, давление за которым описывается уравнением [8] :
(1)
где k – показатель адиабаты рабочего тела в сверхзвуковом потоке; – число Маха перед скачком уплотнения;
– давление перед скачком уплотнения;
– давление после скачка уплотнения.
Давление P2, определимое формулой (1), можно считать средним давлением, воздействующим непосредственно на частицу, так как оно находится между минимальным и максимальным давлением, действующим на переднюю точку частицы. Давление перед скачком уплотнения выражается через давление энергоносителя в ресивере (давление торможения), откуда он поступает, следующей формулой (1):
(2)
где – давление торможения в сверхзвуковом потоке;
– коэффициент скорости;
– скорость потока перед скачком уплотнения, м/с;
– критическая скорость, м/с.
Число Маха через коэффициент скорости выражается формулой [4]:
. (3)
Подставляя (2) и (3) в (1), имеем:
. (4)
Выталкивающая сила, действующая на частицу, определится выражением
, (5)
где – радиус частицы.
– статическое давление в основном потоке.
Давление дополнительного энергоносителя дробеструйного сопла, который эжектирует абразив с энергоносителем (в результате чего образуется основной поток), берем равным 0,5 МПа, поэтому лежит в пределах 0,1-0,5 МПа.
С другой стороны,
(6)
где – ускорение частицы; m – масса частицы.
Из (5) и (6) следует:
, (7)
где – плотность материала частицы.
По определению: .
Проинтегрируем это уравнение
,
где – средняя величина ускорения равнозамедленного движения.
Откуда следует
, (8)
где – нормальная к внутренней поверхности дробеструйного сопла составляющая скорости частицы.
Согласно [9] скорость частиц на входе из обычного дозвукового дробеструйного сопла при давлении сжатого воздуха 0,5 МПа не превышает 60 м/с и при угле раствора оставляет не более
Хотя скорость частиц внутри сопла меньше, чем на выходе, для надежности выводов возьмем неблагоприятный вариант м/с. Нормальная составляющая к поверхности часть пути, которую пройдет частица за время t при изменении ее скорости
от 10 м/с до нуля в предложении равнозамедленного движения, составит:
1. Suslov, A. G. Surface engineering of details / A. G. Suslov, V. F. Bezyazychny, Yu. V. Panfilov et al.
2. Mineev, A.S. Statistical analysis of wear of guide metal-cutting machines // Physics, chemistry and mechanics of tribosystems: interuniversity. Sat. scientific tr., Issue. 4./ Ivan. state un-t. Ivanovo, 2005. - S. 60-62.
3. Utenkov, V. M. Prediction of the loss of accuracy of machine tools with sliding guides: Abstract of the thesis. dis…. Dr. tech. Sciences: 05.03.01 / V. M. Utenkov. - M., 1995. - 29 p.
4. Abramovich, G. N. Applied gas dynamics. M. : Nauka, 1969. - 824 p.
5. Voronetsky, A. V. Features of the flow of supersonic flows in narrow cylindrical channels / A. V. Voronetsky, S. A. Suchkov, L. A. Filimono Engineering journal: science and innovation, 2013, no. 4. - C. 1-17.
6. Guskov, O. V., Kopchenov V. I., Lipatov I. I., Ostras V. N., Starukhin V. P. Deceleration processes of supersonic flows in channels / O. V. Guskov, V. I. Kopchenov, I. I. Lipatov, V. N. Ostras, V. P. Starukhin. - Moscow, Fizmatlit. - 2008. - 168 p.
7. Lipatov, II Processes of deceleration of supersonic flows in channels. News of the Saratov University. Ser. Maths. Mechanics. Informatics, 2008, vol. 8. no. 3, p. 49-56.
8. Landau, L. D., Lifshitz E.M. Theoretical Physics: Textbook. In 10 vols., vol. U1 Hydrodynamics. 4th ed., ster. M.: Science. Ch. ed. physics and mathematics lit., 1988. - 736 p.
9. Rykovsky B. P., Smirnov V. A., Shchetinin G. M. Local hardening of parts by surface hardening. M. : Mashinostroenie, 1985. - 152 p.
10. A. s. No. 1662819 V24S 1 / 00. A method of protecting surfaces in jet-abrasive ejection apparatuses / B. E. Gutman, A. M. Kadyrmetov et al. - Bul. No. 26 07/15/91. - p. 5.
