Повышение качества плазменного напыления путем разработки конструкции плазмотрона Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N»2 (ВО).

удк*29.ш с н НУРАКОВ

А. К. ТОМАШЕЦ В. В. САВИНКИН

Евразийский национальный университет им. Л. Гумилева Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ ПЛАЗМОТРОНА_____________________________________

В данной статье рассмотрены вопросы повышения качества напыления реанимируемой поверхности с использованием высококонцентрированных плазменных источников энергии. В частности, исследовано влияние конструктивных особенностей плазмотрона на величину адгезии, состав порошковой композиции и ее расход, а также на снижение пористости в покрытии.

Ключевые слова: многокомпонентный, конусносуживающаяся насадка,

электромагнитная призма, адгезия.

Технологический процесс реновации в идеале должен обеспечить сопротивление усталостному разрушению и износостойкость на уровне новых деталей. Особые трудности при ремонте сопряжений гидроцилиндров строительно-дорожных, сельскохозяйственных и автотракторных машин возникают при восстановлении геометрических и физико-механических параметров штока и цилиндра. От качества восстановления свойств зависит надежность и долговечность узлов.

Под качеством восстановления плазменным напылением понимается следующее [1,2]:

— отсутствие трещин и пор, однородность покрытия;

— наименьшая концентрация внутренних напряжений;

— высокая твердость, адгезия и износостойкость.

На качество плазменного напыления влияют технологические параметры и конструктивные особенности плазмотрона, оптимизировать которые, по ряду факторов очень сложно. В настоящей статье представление конструкция плазмотрона и рассчитаны его параметры, в частности многокомпонентного порошкового дозатора, ступенчатой конусно-суживающейся насадки и электромагнитной призмы, фокусирующей плазменную струю на выходе.

Для восстановления деталей плазменным напылением с последующим оплавлением рекомендуется применять порошковые твердые сплавы на никелевой основе с грануляцией, не превышающей 200 мкм (ПР-Н70Х17С4Р4, ПР-Н67Х18С5Р5, и др.). Порошковые сплавы на никелевой основе содержат в своем составе присадки бора и кремния. Эти два элемента при оплавлении (термообработке) покрытия образуют оксиды В 20 з и БЮз, которые способствуют са-мофлюсованию и снижению температуры плавления до 980 - 1080°С. С целью уменьшения пористости, повышения адгезии, рекомендуется применять покрытия из самофлюсующих сплавов марки В. 01 ПР-Р80Х13С2Р (НЯС-29-33), В. 02 ПР-77Х0Х15СЗР2 (ЬШС-37-88) и т.д. [3].

Ценность твердых порошковых сплавов состоит в том, что они, как высоколегированные металлические материалы, позволяют существенно повысить срок службы восстанавливаемых деталей путем создания композиций между ними и получения покрытий с требуемыми физико-механическими свойствами.

Учитывая номенклатуру оборудования и временной фактор, влияющий на сепарацию порошковых компонентов при их хранении, приготовление композиций является технологически сложным процессом. Решить эту проблему предлагаем внедрением многокомпонентного дозатора (рис. 1), состоящего из обоймы 3 и штуцеров разного диаметра 2, выбор которых и будет задавать процентное содержание порошка или химического элемента в общей массе композиции.

Расчет диаметра дозирующего штуцера основывался на определении динамического давления Ра, необходимого для транспортировки порошка и определялся методом расхода транспортирующего газа.

Часовой расход газа в плазмотроне определяли по формуле

0 = 3600УсрБ (1)

где О - часовой расход газа в м3/час; Уср - средняя скорость транспортирующего газа в рабочем канале плазмотрона, м/сек.; Б — площадь дюза сопла плаз-матрона, м2.

Среднюю скорость потока порошка в рабочем канале плазмотрона определим из равенства [4]

Уср.^Ш (2|

где Н — напор транспортирующего газа; у — удельный вес нанесенного материала, кг/м3.

Подставив в формулу (1) выражение для средней скорости из (2) и, учитывая значения известных величин, (я/4; у; Ч) получим окончательное равенство для определения расхода воздуха

0 = 11500с?27^ср.

(3)

В процессе выбора рабочего сечения дозирующего штуцера применён способ регулирования подачи порошковой композиции в процентном соотношении к общему удельному весу при помощи штуцеров, вставленных в многокомпонентную дозирующую обойму. Необходимую площадь сечения отверстия штуцера, I, рассчитываем по формуле [5]

(4)

где /г — площадь сечения трубопровода, по которому подается транспортирующий газ, м2; Р — полное давление, замеренное в сечении, МПа; Онообх - необходимый расход порошка, м3/час; О - фактичес-

кий (замеренный) расход порошка, м /час.

С целью повышения величины адгезии напыляемого материала рекомендуется обеспечить максимальную скорость напыляемых частиц [4].

Эта закономерность определена соотношениями, установленными в [4]

= К, .£^.( ^ +—1-сг. 10-3, (5)

" ' нв V 360; * '’

где К, - коэффициент, учитывающий подготовку поверхности для нанесения покрытия; у — удельный вес нанесенного материала, кг/м3; НВ — твердость напыляемой поверхности; и - скорость напыляемых частиц в момент соударения с подложкой, м/с; - коэффициент, учитывающий опыленность поверхности; Я - коэффициент, числено равный величине микронеровностей; о„ — прочность основного метала в напыляемом состояние, мПа.

На скорость частиц влияют факторы: удельный вес материала, кг/м3; степень некруглости частиц; расстояние до напыляемой детали, мм; плазмообразующий газ, его свойства, состояние (рис. 2).

Один из вариантов увеличения скорости истечения плазменной струи можно реализовать конструктивным изменением рабочего канала сопла плазмотрона.

Расчеты по изменению рабочего канала сопла плазмотрона основывались на законах давления и скорости истечения газов, за основу взято уравнение И.Бернулли. Цель газового расчета состоит в определение необходимого диаметра ступеней насадки и скорости плазменной струи.

Скорость истечения плазмообразующего газа через отверстие насадки в атмосферу из закрытого сосуда с давлением Рн, Па, в зависимости от диаметра насадки определяем по формуле [5]

V =2-и

Г Г-Н г*і

2 С р-л-сі '

(6)

где цн — коэффициент расхода насадки; р — плотность плазмообразующего газа, кг/м3.

Результаты расчетов позволили нам разработать конструкцию плазматрона с несколькими конусными ступенями (рис. 3).

Результаты исследований показали, что увеличение скорости полета частиц, способствует увеличению адгезии материала покрытия с основой.

Как указывалось в начале статьи, одним из недостатков, снижающих качество напыления, является

Рис. 1. Многокомпонентный дозатор 1 - шестигранник под ключ, 2 - дозирующий штуцер, 3 - обойма с отверстиями для штуцеров

У,М'С

150

100

50

Те

Ґ Мо^

/ ,/ / \У

И

50

100 150 1», мм

Рис. 2. Зависимость скорости напыляемых частиц порошка от дистанции напыления

Рис. 3. Ступенчатая конусносуживающаяся насадка

Рис. 4. Сечение электромагнита (соленоид)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 («0). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (80). 2009

В=0,5^(!п1-(соза2-со5а1),

(8)

V

Рис. 5. Движение частиц под углом к вектору магнитной индукции поля

Рис. 6. Траектория полета частиц в однородном магнитном поле

пористость покрытия. Для повышения некоторых физико-механических параметров (твердость, износостойкость), необходимо снизить пористость в покрытии. Одним из способов решения проблемы предлагается фокусировка плазменного пучка с помощью электромагнитной призмы (соленоид). Если витки располагаем вплотную друг к другу, то соленоид рассматриваем как систему последовательно соединенных круговых токов одинакового радиуса с общей осью. На рис. 4 показано сечение соленоида радиуса Л и длины I. с током /.

Магнитная индукция В, поля соленоида равна геометрической сумме магнитных индукций В1 полей всех витков этого соленоида. В произвольной точке А, лежащей на оси соленоида О, О.¡, все векторы В{ и результирующий вектор В направлены по оси О, От На малый участок соленоида длиной сИ вдоль оси приходится пс11 витков. Если 1 — расстояние вдоль оси от этих витков до точки А, то, магнитная индукция поля этих витков [6]

йВ... Н>21тгЯ:*п(И (4*г>)

(7)

Так как а и /=Л/<да, то d^=-Яdа/s/n2а и

dB=-(ц0/2^л/slпada=/'|i0/2^л/d/'cosa| В пределах размеров соленоида угол а изменяется от а, до а2, поэтому

Из (7) и (8) видно что, магнитная индукция поля соленоида в точке А зависит от силы тока /, частоты намотки витков л, радиуса /? витков и длины I соленоида, а также от положения точки А относительно концов соленоида.

Рассмотрим случай движения заряженной частицы плазменной струи в однородном магнитном поле, когда ее скорость V направлена под произвольным углом а к вектору магнитной индукции В поля (рис.5).

Скорость частиц в магнитном поле не изменяется. Частица одновременно участвует в двух движениях: она равномерно вращается по окружности радиуса

т-у.

г =

т-у-зша

(\q\-B) (|д|-В)

(9)

и движется поступательно с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном плоскости вращения. Поэтому траектория заряженной частицы представляет собой винтовую линию, ось которой совпадает с линией индукции магнитного поля (рис. 6) [6].

Расстояние между соседними витками (шаг винтовой линии)равно

Л= У"-Т,

(Ю)

Частица движется по окружности радиуса г равномерно.

Л =

27Г-лі-у-соза

(кИ

(11)

Если заряженная частица движется в неоднородном магнитном поле, индукция которого возрастает в направление движения частицы, то по мере перемещения частицы значения г и Л уменьшаются. Следовательно, частица движется по скручивающейся спирали, траектория которой навивается на линию магнитной индукции поля. На этом принципе основано конструкторское предложение сфокусировать пучок заряженных частиц плазменной струи. Общий вид конструкции представлен на рис. 7.

Применение конструкции плазматрона с многокомпонентным дозатором, конусосуживающейся насадкой и фокусирующей призмой, позволит создать сбалансированную многокомпонентную порошковую композицию непосредственно на срезе дюза, увеличить скорость вылета частиц и сфокусировать плазменную струю до 2°, что улучшит физи-

Рис. 7. Схема разработанной конструкции плазмотрон 1 - сопло плазмотрона; 2 - ступенчатая конусносуживающаяся насадка; 3 - плазменная струя; 4 - дозирующий штуцер; 5 - обойма дозатора; б - электромагнитная призма; 7 - сфокусированная плазменная струя

ко-механические свойства восстанавливаемой детали с применением высококонцентрированных плазменных источников энергии.

Разработанный плазматрон защищен предварительным патентом РК № 2008/0778.1 и внедрен в ремонтном производстве ПРМЗиТОО «РЕМПЛАЗМА» Республика Казахстан, г. Петропавловск.

Библиографический список

1. Томашец А.К., Савинкин В.В. Обоснование основных технологических параметров, влияющих на качество плазменного напыления. — Вестник Карагандинского государственного университета им. Е.А. Букетова. — 2008. - № 2(50). - С. 53 - 56.

2. Нураков C.H., Томашец А.К., Савинкин В.В. Применение метода плазменного напыления для восстановления штоков гидроцилиндров // Материалы республиканской науч. практ. конф. «Козыбаевские чтения», г. Петропавловск : Северо-Казахстанский государственный университет. — 2006. — С. 82-84.

3. Томашец А.К., Савинкин В.В., Киселев Л.А. Опыт нанесения покрытий на изношенные поверхности деталей строительных машин с ведением процесса оплавления // Современная архитектура и строительство : проблемы и перспективы развития : материалы Меж-дунар. науч.-практ. конф., посвященной 10-летию Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, 27 — 28 апреля 2006. — С. 53 — 56.

4. Методы и аппаратура для измерения температур,

скоростей, давлений и других параметров, характеризующих тепловой режим РЭА и систем охлаждения : материалы семинара 21—22 марта 1968. — Л. : Ленинградский научно-исследовательский институт «Экспресс». 1968. - С.19 -24.

5. Тян А.Д. Гидравлика и газы в примерах и задачах. — Алма-Ата : Издательство «Рауан» гос. комитета Казахской ССР по печати, 1990. - 76 с.

6. Магнитные свойства твердых тел. - РЖ/ВИНИТИ. — М . : Издательство ВИНИТИ. - 2008, — №12. — С. 220.

НУРАКОВ Серик Нуракович, доктор технических наук, профессор, заведующий НИЛ «Технология, механизация и автоматизация строительных и транспортных процессов» Евразийского национального университета им. Л. Гумилева.

ТОМАШЕЦ Анатолий Константинович, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт» Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева. САВИНКИН Виталий Владимирович, старший преподаватель кафедры «Автомобильный транспорт» Се-веро-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева.

E-mail: [email protected]

Дата поступления статьи в редакцию: Об.04.2009 г.

© Нураков С.Н., Томашец Л.К., Савинкин В.В.

УДК 624 042 7 Ю. А. БУРЬЯН

В. Н. СОРОКИН Е. Н. ЕРЁМИН

Омский государственный технический университет

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ______________________________________________

В статье рассмотрен стержневой гидродинамический излучатель с экстремальной системой управления, расположенный в скважине на уровне нефтяного пласта.

Ключевые слова: скважина, гидродинамический излучатель, резонансная частота, расход жидкости, экстремальная система управления.

В настоящее время для интенсификации притока тройство с двумя осесимметрично расположенными

нефти в призабойной зоне пласта широко использу- отверстиями. Жидкость, вытекающая с большой ско-

ются волновые генераторы различных принципов ростыо из отверстия (сопла) формирует турбулент-

действия и работающие в широком диапазоне час- ную струю, в пограничном слое которой возникают

тот — от единиц герц до десятков килогерц. Практи- вихревые кольца в виде периодических структур,

ка применения волновых генераторов в добывающих Ударение этих колец с кромкой выходного отверстия

и нагнетательных скважинах показала их высокую приводит к появлению упругих волн,

эффективность (1 ]. Пульсации давления в потоке жидкости возбуж-

Одним из перспективных волновых генераторов дают изгибные колебания стержней на резонансной является стержневой гидродинамический излучатель частоте, что повышает интенсивность и монохрома-акустических волн, который представляет собой ус- тичность излучения генератора.