CC BY
6
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
В.П. Марфицын, В.К. Коротовских Курганский государственный университет, г.Курган
ЭНТРОПИЙНЫЕ И
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛЕ В УСЛОВИЯХ РЕАЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МИНИМУМА
В процессе работы материала под нагрузкой в нем происходят как энтропийные, так и восстановительные процессы. Энтропийные, или разрушительные, процессы полностью или частично компенсируются восстановительными. Это позволяет преодолевать последствия нагружения материала, вследствие чего он может работать длительное время.
Энтропийные процессы определяются величиной приложенной нагрузки и возрастают с ее увеличением. Поэтому для обеспечения надежной, безопасной работы конструкции в течение предусмотренного срока эксплуатации важно выбрать значение допускаемой нагрузки и величину допускаемого напряжения. Так, для оборудования, работающего под давлением, согласно международному стандарту API Specification 6A/IS010423 (пункт 4.3.3.2; метод ASME, раздел VIII, глава 2, приложение 4), допускаемое напряжение Sm принимается в 1,5 раза меньше минимального предела текучести SY. Но даже при таком снижении величины напряжения в металле происходят энтропийные, необратимые изменения, которые могут привести к достижению предельного состояния металла. Чем меньше рабочее напряжение в металле, тем более длительное время он работает до достижения предельного состояния, то есть тем выше его ресурс.
Согласно настоящему ГОСТ 15150-69 для расчета ресурса используется следующая формула:
L = Ает
В.^-пс-ш
(1)
[2] восстановительные процессы протекают без помех, упругость материала сохраняется до достижения предельного состояния. Поэтому восстановительный член вероятности достижения предельного состояния Р, косвенно позволяющей оценить ресурс, принимается за (-1) [2]:
AU Т
н
яния;
Р = ехр( т -у )-1, (2)
где Р - вероятность достижения предельного состо-
А1Т
~ = f - приращение энтропии за промежуток
времени t от начала отсчета (ди - приращение энергии при увеличении нагрузки; Т - абсолютная температура
н
при рабочих режимах); тт - начальный упругий энтропийный напор (Тн- абсолютная температура в начальном состоянии; йн - потенциальная энергия при номинальном состоянии).
AU Т
н
Выражение ( т 'тт ) принято называть энтро-1 ин
пийно-энергетическим параметром и обозначать как ц. С учетом данного обозначения формула (2) будет иметь вид:
Р = ехр ф — 1 Р = еф — 1
или
где 1_ - срок службы или сохраняемости объекта; Т-температура, °К; Т|- относительная влажность воздуха, %; с - концентрация агрессивной среды в воздухе, г/м3 или %; А, В, п, т - постоянные коэффициенты, зависящие от природы материала и условий применения, определяемые экспериментально для конкретного материала (группы, системы материалов) или изделия:
В = Е /Я
э
где Еэ - эффективная энергия активации процесса, вызывающего отказ; определяемая экспериментально для конкретного материала (группы, системы материалов) или изделия; - универсальная газовая постоянная; т, п - соответственно учитывают воздействие влажности воздуха и жидких агрессивных сред; (постоянная А не имеет четкого толкования).
Основным недостатком приведенной стандартной формулы (1) является то, что в ней нет наглядного разделения на энтропийные и восстановительные процессы, как это сделано в работе [1]. Это не позволяет в полной мере управлять величиной ресурса оборудования.
В условиях идеального энергетического минимума
(3)
В условиях же реального энергетического минимума восстановительные процессы ослабляются и при определении ресурса необходимо учитывать соотношение
предела пропорциональности (7ПЦ и предела текучести (ут , т.е.у = (7Пц / (7Т- Если предел пропорциональности достаточно мал по сравнению с пределом текучести, то энтропийные процессы начинаются раньше и отрицательно влияют на длительность работы детали.
Если учесть теоретически вычисленное соотношение напряжений у = (Упц / (7Т = 1/1,301 = 0,7686
некоторых металлов [3], то вероятность достижения предельного состояния будет равна:
Р = ехр ф + V ехр 1 л
или
Р = е^ + 0,7686(-1) = е^ -1 + 0,2314 (4)
Из формулы (4) видно, что восстановительная способность металла в условиях реального энергетического минимума ослабляется. Величина 0,2314 - это энтропийный вклад в реальный энергетический процесс.
Восстановительные процессы являются свободными от внешних факторов и определяются в основном природой материала, его механическими свойствами, а также проявлением начала неупругости. В одних металлах они идут медленнее, в других быстрее и зависят от подвижности свободных электронов при фазовых переходах [4]. На энтропийные процессы основное влияние оказывают внешние факторы, такие как агрессивные среды,
90
ВЕСТНИК КГУ, 2005. №4
влажность воздуха. Эти внешние факторы увеличивают энтропийно - энергетический параметр ц. Например, в агрессивной среде происходит интенсивная коррозия материала, уменьшается рабочая площадь сечения. Это ведет к увеличению напряжения от действующей нагрузки, следовательно, и к увеличению потенциальной энергии в единице объёма материала. Поэтому влияние постоянных коэффициентов m, п и учитывается в энтропийно - энергетическом параметре формулы (4).
Расчетный ресурс может быть увеличен за счет первой составляющей уравнения (4), если подставить в знаменатель показателя степени ц потенциальную энергию упругой деформации UH от эквивалентного напряжения, полученного по энергетической теории предельных состояний. Это напряжение определяется гидростатическим давлением и его величина ограничивается следующим критерием (пункт 4.3.3.3; API Specification 6A/ISO 10423):
sE=sY,
где SE - максимально допустимое эквивалентное напряжение в наиболее нагруженном месте в стенке емкости давления.
Таким образом, предлагаемая выше формула (4) позволяет обеспечить наглядную взаимоувязку энтропийных и восстановительных процессов в металле и показывает зависимость времени работы конструкции от нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коротовских В.К., Марфицын В.П., Марфицын A.B., Марфицын C.B.
Схема учета энтропийно-энергетических комплексных соотношений в металле при оценке ресурса. Курган: Курганский госуниверситет, 2001. Рук. den. в ВИНИТИ, № 1958-В01.
2. Марфицын C.B., Марфицын A.B., Макаров В.И., Марфицын В.П. К
вопросу повышения сопротивляемости материалов в условиях энергетического минимума. Курган: Курганский госуниверситет, 1996. Рук. Деп. в ВИНИТИ, № 1883-В96.
3. Макаров В.И., Марфицын A.B., Марфицын C.B., Марфицын В.П.
Использование энтропийных вероятностных зависимостей при рассмотрении некоторых констант материалов,-Курган: Курган, госуниверситет, 1994,- Рук. Деп. в ВИНИТИ, № 23033-В94.
4. Макаров В.Н. Явление электронно-топологических переходов
металлов при упругих деформациях. Открытие, диплом № 238, 1981/Юткрытия СССР: Справочник. М.: 1991. С. 28.
В.В. Пивень, О.Л. Уманская, Б.А. Голосеев Курганский государственный университет, г. Курган
УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВИБРАЦИОННЫХ МАШИН С УЧЕТОМ УПРУГИХ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЯ
В большой группе машин, работающих в различных отраслях (горно-обогатительной, пищевой, фармацевтической), для осуществления технологического процесса (дозирования, перемешивания, разделения компонентов) используется вибрационное или колебательное движение рабочих органов. Вибрация рабочих органов передается на несущую конструкцию машины. Величина вибрационных перемещений несущей конструкции ограничивается соответствующими стандартами по технике безопасности или требованиями к качеству выполнения технологического процесса, который может нарушаться при наложении на рабочий орган дополнительных вибраций со стороны несущей конструкции.
При установке вибрационной машины на перекрытие производственного помещения, которое очень часто представляет собой металлическую пространствен-
ную стержневую систему, колебания перекрытия приводят к увеличению вибрации самой машины[1 ].
Для уменьшения или устранения этого явления необходимо совместно рассмотреть движение отдельных элементов несущей конструкции с движением перекрытия.
Рассмотрим вышеописанный процесс на примере вибрационной машины для ситового разделения сыпучих материалов (рисунок 1). На эффективность ситового сепарирования наиболее отрицательно влияет вибрация сепарирующей поверхности в вертикальном направлении. Расчетная схема вибрационной машины для составления уравнений движения несущих элементов в вертикальном направлении представлена на рисунке 2. Упругие свойства подвесок ситовых корпусов совместно с элементами рамы вибрационной машины
4
I
f с 0 ■ /
I
ft л В
\ А
1- приводной механизм; 2- нижний ситовой корпус; 3- верхний ситовой корпус; 4- аспирационная система
Рисунок 1 - Схематичное изображение несущей конструкции вибрационной машины
1- вибрационная машина; 2 - перекрытие
Рисунок 2 - Расчетная схема вибрации основания
характеризуются коэффициентом упругости сг Упругие свойства перекрытия с основанием - коэффициентом упругости с2. Массу вибрационной машины обозначим как т.
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
91
