Имитация капельно-дождевого воздействия трибофатическим нагружением
Авторы: Алиев А.А., Ампилогов А.Ю.
Опубликовано в выпуске: #6(102)/2020
DOI: 10.18698/2308-6033-2020-6-1992
Раздел: Металлургия и материаловедение | Рубрика: Материаловедение в машиностроении
Наружные поверхности воздушных судов периодически подвергаются в полете интенсивным дождевым потокам, вызывающим гидроэрозию внешнего лакокрасочного покрытия. Экспериментальная оценка гидроэрозионной стойкости основана на проведении испытаний в скоростном потоке воды. Недостатки подобных исследований — громоздкость стендов, большой расход воды. Предложена имитация капельно-дождевых испытаний близкими по кинетике процесса трибофатическим исследованиям по схеме «шар — полуплоскость», где на полимерное покрытие на жесткой подложке через стальной шар прилагается вертикальная нагрузка. Процесс циклически повторяется вплоть до истирания покрытия на заданную толщину. Экспериментально полученные трибофатические характеристики покрытия затем могут быть пересчитаны в близкую по смыслу оценочную величину эрозионной стойкости. В качестве образца лакокрасочного материала был выбран полиуретан CAAPCOAT-B274-ASP108, ранее уже исследованный на дождевую эрозию другими авторами. Использованы формулы механики контактных взаимодействий, полученные при расчете силы капельного удара и напряжения в пятне контакта, для количественной оценки перехода от капельно-дождевого нагружения к эквивалентному трибофатическому. Трибофатические испытания проводили на установке UMT-2 TriboLab. При равных расчетных контактных напряжениях интенсивность износа при трибофатическом нагружении была почти в семь раз выше по сравнению с условиями капельно-дождевой эрозии. Причиной может быть масштабный фактор из-за фактической разницы в площадях контакта при капельном и трибофатическом нагружении, а также неучет динамики волн после удара капель. Полученные данные трибофатических испытаний могут дать оценочную величину гидроэрозионной стойкости покрытия.
Литература
[1] NASA Contractor Report 158954. Aircraft surface coatings study: energy efficient transport program. Boeing commercial airplane company. Contract NAS 1-14742, task 4.1.3, Jan. 1979. URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19850002627.pdf (дата обращения 20.03.2020).
[2] Кондрашов Э.К., Владимирский В.Н., Бейдер Э.Я. Эрозионностойкие лако-красочные покрытия. Москва, Химия, 1989, 1354 с.
[3] ГОСТ 23.002–78. Обеспечение износостойкости изделий. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. Москва, Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1978.
[4] Морозов Н.Ф., Смирнов В.И., Петров Ю.В. Об эрозионном разрушении твердых тел. В кн.: Айзикович С.М. и др. Механика контактных взаимодействий. Москва, Физматлит, 2001, с. 640.
[5] Седов Л.И., Степанов Г.Ю., ред. Неустановившиеся течения воды с большими скоростями: Труды международного симпозиума (г. Ленинград, 22–26 июня 1971 г.). Москва, Наука, 1973, с. 187.
[6] Чижов А.В., Шмидт А.А. Высокоскоростной удар капли о преграду. Журнал технической физики, 2000, т. 70, вып. 12, с. 18–27.
[7] Гимранов Э.Г., Ольхов А.А., Свистунов А.В., Хакимова Л.Ф. Моделирование методом крупных частиц полета и удара капли жидкости о твердую поверхность. Вестник УГАТУ. Машиностроение, 2012, т. 16, № 5 (50), с. 128–131.
[8] Эдлер У.Ф. Механика ударного воздействия жидкости. В.Ф. Алымов, пер. В кн.: К. Прис, ред. Эрозия. Москва, Мир, 1982, с. 140–196.
[9] ASTM G73-10 (2017). Standard Test Method for Liquid Impingement Erosion Using Rotating Apparatus. Subcommittee G02.10 on Erosion by Solids and Liquids, Book of Standards. Volume 03.02. West Conshohocken, PA, 2017.
[10] ГОСТ 23.219–84. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний на износостойкость материалов и деталей при гидроэрозионном изнашивании дисперсными частицами. Москва, Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1984.
[11] Ковальский А.Э. Универсальная математическая модель инкубационного периода каплеударной эрозии материала рабочих лопаток влажно-паровых турбин. Вестник двигателестроения, 2006, № 3, с. 107–116.
[12] Baker D., Jolliffe K., Pearson D. The resistance of materials to impact erosion damage. Phil. Trans. Of the Royal Society of London, Ser. A, 1966, vol. 260, no. 1110, pp. 193–203.
[13] Спринжер Дж.С. Эрозия при воздействии капель жидкости. Москва, Машиностроение, 1981, 200 с.
[14] Алексеев В.К., Бодрышев В.В., Денисов Ю.Д., Перельман Р.Г. Экспериментальное исследование прочности при импульсных каплеударных нагружениях. Проблемы прочности, 1977, № 6, с. 110–113.
[15] Rozhkov A., Prunet-Foch B., Vignes-Adler M. Dynamics of a liquid lamella resulting from the impact of a water drop on a small target. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2004, vol. 460 (2049), pp. 2681–2704.
[16] Тененбаум М.М. Об основных направлениях и задачах стандартизации методов испытании на трение и изнашивание. В кн.: Методы испытания на изнашивание. Москва, Изд-во АН СССР, 1962, с. 5–11.
[17] Смирнов С.В., Экземплярова Е.О. Влияние радиуса скругления вершины индентора на напряженно-деформированное состояние при внедрении индентора в упругопластический материал. Физическая мезомеханика, 2009, т. 12, № 6, с. 73–78.
[18] Гаврилов Д.Г., Корнев Ю.В., Мамонов С.В., Мартиросов М.И. Наноиндентирование порошковых лакокрасочных покрытий, наносимых на металлические поверхности. Вестник Московского авиационного института, 2011, т. 18, № 1, с. 81–91.
[19] Автономов Н.Н., Тололо А.В. Влияние осевой деформации шара на величину измеряемой глубины вдавливания шара по перемещению верхней точки шара. Вестник СибГАУ, 2015, т. 16, № 3, с. 638–644.
[20] Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Ленинград, Химия, 1972, с. 31.
[21] Легаев В.П., Генералов Л.К., Галковский О.А. Аналитический обзор существующих гипотез о природе трения. Вестник Московского авиационного института, 2019, т. 26, № 1, с. 174–181.
[22] Петрова И.М., Москвитин Г.В., Гриб В.В. Влияние износа на накопление усталостных повреждений. Заводская лаборатория. Диагностика мате-риалов, 2006, т. 72, № 11, с. 49–52.
[23] Алиев А.А. Трибофатические испытания лакокрасочного покрытия. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2018, № 1, с. 92–100. DOI: 10.18698/0236-3941-2018-1-92-100
[24] Lorincz J. Waterjets: Evolving from Macro to Micro. Manufacturing Enginee-ring Journal, 2009, 143 (5), November, pp. 25–31.
[25] Огибалов П.М., Малинин Н.И., Нетребко В.П., Кишкин Б.П. Конструкционные полимеры. Книга первая. Москва, Изд-во МГУ, 1972, с. 263–264.
[26] Райхер В.Л. Усталостная повреждаемость. Москва, МАТИ, 2006, 239 с.
[27] Ковальский А.Э., Картмазов Г.Н., Кунченко В.В. Обоснование толщины и условий нанесения вакуумного противоэрозионного покрытия для рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин. Авиационно-космическая техника и технология, 2006, № 6 (32), с. 5–18.
[28] Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. Пер. с англ. Москва, Мир, 1989, 510 с.; с. 480.
[29] Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Москва, Машиностроение, 1971, с. 56.
[30] CETR-UMT & CETR-Apex. Multi-Specimen Test System. Tribology and mechanical testing. User manual. Bruker Nano, Inc. Tribology & Mechanical Testing Division, 2014, p. 13.
[31] ГОСТ 25.503–97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Москва, Государственный комитет стандартов Совета Министров РФ, 1997.
[32] Брантон Дж.Х., Рочестер М.К. Эрозия поверхности твердого тела при ударе жидких капель. В кн.: Эрозия. К. Прис, ред. Москва, Мир, 1982, с. 201–233.
[33] Sosnovskiy L.A., Shcharbakou S.S. Troppy Phenomenon. Proceedings of World Tribology Congress III (September 12–16, 2005, Washington D.C., USA). Washington, 2005, pp. 205–206.