Математическое моделирование качества плазменных покрытий при восстановлении деталей машин

Mathematical modeling of the quality of plasma coatings during the restoration of machine part

 

Авторы:

Старушкин Руслан Сергеевич

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

E-mail: rus.de2202@yandex.ru

Starushkin Ruslan Sergeevich

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

E-mail: rus.de2202@yandex.ru

Багно Оксана Петровна

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

Bagno Oksana Petrovna

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Свиридов Сергей Геннадьевич

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

Sviridov Sergey Gennadevich

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Плахотин Александр Александрович

ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, Россия.

Plahotin Alexander Alexandrovich

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Аннотация: В работе проводится исследование факторов, влияющих на качество плазменных покрытий. Также описываются разработанные математические модели, предназначенные для оптимизации расчетов кинематических режимов плазменного напыления.

Abstract: The study investigates factors affecting the quality of plasma coatings. The developed mathematical models are also described, designed to optimize the calculations of the kinematic modes of plasma spraying.

Ключевые слова: Плазменное напыление, кинематические режимы, скорость частиц, температура, сферическая поверхность, износ.

Keywords: Plasma spraying, kinematic modes, particle velocity, temperature, spherical surface, wear.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

 

Введение.

Практика эксплуатации машин и оборудования подтверждает, что наиболее распространенной причиной их выхода из строя в 80% случаях является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

После сравнительного анализа по экономическим и функциональным аспектам вопроса по повышению износостойкости деталей, а также выдвигаемым технологических и конструкционным требованиям машиностроительных производств был сделан вывод, что на сегодняшний день перспективным направлением по созданию надежных, долговечных и износостойких покрытий является плазменное напыление [1, 8].

В данной статье освещается актуальная задача математического моделирования и анализа кинематических режимов технологии плазменного напыления, а также факторов, влияющих на качество покрытий.

Материалы исследования.

Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Поток плазмы характеризуется следующими показателями: температура в ядре, скорость струи. Схема плазменного напыления представлена на рис. 1.

При плазменном напылении ограничений по габаритам при наружной наплавке деталей практически нет. При наплавке внутренних поверхностей ограничения накладывают габариты используемого плазмотрона.

В научной и аналитической литературе, посвященной технологии плазменного напыления, существует множество работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния разных факторов на свойства покрытий. Каждая стадия технологического процесса плазменного напыления характеризуется большим или меньшим количеством факторов, в той или иной степени оказывающих влияние на свойства покрытия [2]. Качество покрытий характеризуется свойствами, которые схематично изображены на рис. 2.

Научным коллективом авторов было решено рассмотреть вопрос о факторах, влияющих на качество покрытий, в частности на прочность сцепления и равномерность толщины покрытия, с помощью математического моделирования, которое используется в качестве основного методологического подхода при решении технологических задач.

Как видно из рис. 3, в основном свойства покрытий зависят от температуры и скорости частиц в момент их соударения с подложкой. Также значительно влияние на прочность сцепления покрытий и их равномерность оказывают кинематические режимы рис. 3. Например, чтобы уменьшить число периферийных частиц, оказывающих непосредственное влияние на нижний слой покрытия, скорость перемещения плазматрона стоит увеличить.

Следовательно, в методологическом плане при разработке технологии плазменного напыления можно выделить специфические проблемы, характеризующие конкретную деталь и её функциональный слой. В частности, возникает необходимость моделирования математической модели кинематических режимов плазменного напыления, скорости напыляемых частиц и их температуры в плазменной струе для внутренней сферической поверхности полумуфты шарнира равных угловых скоростей.

Результаты исследований.

В качестве детали-представителя для проведения математического моделирования выступает внутренняя сферическая поверхность полумуфта шарнира равных угловых скоростей рис. 4. Данный способ расчетов является методом построения математической модели и методом её исследования.

В работе [3] смоделированы условия обеспечения заданной толщины и шага волнистости покрытия в виде системы уравнений, описывающих кинематические режимы напыления:

Первое уравнение системы (1) определяет скорость перемещения плазматрона, второе – перемещение центра пятна напыления по напыляемой поверхности, а третье – уравнение напыляемой поверхности.

Для определения кинематических режимов напыления внутренней сферической поверхности детали необходимо: произвести математическое моделирование уравнения сферической поверхности, которая будет подвергаться напылению.

Кинематические режимы плазменного напыления, а именно скорость вращения полумуфты , продольная скорость перемещения плазматрона , радиальная скорость перемещения плазматрона  и контурная скорость перемещения плазматрона , в рассматриваемом случае внутренней сферической поверхности после моделирования процесса напыления и математических преобразований примут вид.

Скорость напыляемых частиц является предметом экспериментального изучения. В связи с этим предлагается аналитический и математический подходы по определению скорости напыляемых частиц.

Скорость порошка определяется [4]:

Экспериментально установлено [5], что для частиц с неправильной, но округлой формой, без резких выступов коэффициент лобового сопротивления на стадии установившегося обтекания дозвуковым потоком определяется числом Рейнольдса.

Опираясь на экспериментальные работы [5, 6] научным коллективом авторов была сформирована зависимость числа Рейнольдса и коэффициента сопротивления:

Температура напыляемых частиц находилась из уравнения теплообмена частиц порошка с газом. Проведя математическое моделирование процесса нагрева порошка карбида вольфрама, было получено уравнение температуры напыляемых частиц:

Приведенные зависимости можно использовать при отработке процесса нанесения плазменного напыления на автоматических установках при напылении сложнопрофильных деталей с внутренней сферической поверхностью.

Смоделированная оптимизация математической модели, дополненная алгоритмом уравнения поверхностей детали, элементарно реализуется в простейших программах. Модель позволяет просчитать кинематические составляющие процесса плазменного напыления, что дает возможность её использования в практических технологических задачах [8].

Выводы.

Основываясь на уравнениях геометрической составляющей полумуфты шарнира равных угловых скоростей и её габаритных размерах, были разработаны системы уравнений для поверхности напыления.

Опираясь на приведенные ранее зависимости кинематических режимов плазменного напыления, а также уравнения расчета скорости и температуры напыляемых частиц, были смоделированы системы уравнений, которые в перспективе позволят создать программный комплекс для управления процессом напыления сферических поверхностей деталей машин.

 

Список литературы:

1. Жачкин С.Ю. Применение технологии плазменного напыления для повышения эксплуатационной надежности сельхозмашин [Текст] / С.Ю. Жачкин, Н.А. Пеньков, Г.И. Трифонов // Журнал «Наука в Центральной России Science in the central Russia» ФГБНУ ВНИИТИН. №4 (28), 2017 г.- С.131-136.

2. Ильющенко А.Ф. Процессы формирования газотермических покрытий и их моделирование / А.Ф. Ильющенко, А.И. Шевцов, В.А. Оковитый, Г.Ф. Громыко – Минск: Беларус. навука, 2011. – 357 с.

3. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления // Учеб. пособие по курсу «Технология конструкций из металлокомпозитов». 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2008. – 360 с.

4. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. – М.: Машиностроение, 1981. – 192 с.

5. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1979. – 221 с.

6. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

7. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е перераб. и доп. – М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

8. Жачкин С.Ю. Моделирование кинематики плазменного напыления на сложнопрофильные поверхности [Текст] / С.Ю. Жачкин, М.Н. Краснова, Н.А. Пеньков, Г.И. Трифонов // Труды ГОСНИТИ. – 2017. – Т. 128. – С.133-139.