Учебное пособие 2170
.pdfавтоматически возвращают модуль к месту его старта с помощью дистанционного способа управления модулем.
Проходит рентгенографический контроль труб в любых климатических условиях, так как современные движущиеся рентгенографические кроулеры работают при любой температуре.
Выпускается множество моделей данного оборудования, которые предназначены для контроля труб различного диаметра. Наиболее используемыми можно назвать:
JME MK 6 и 8 – предназначены для дефектоскопии труб с диаметром от 135 до 457 мм,
JME 10-60 - для диагностики труб с диаметром от
250 до 1400 мм,
JME 24 - для труб с диаметром от 570 до 1828 мм. А также для рентгенографического контроля труб приме-
няют такие рентгеновские аппараты:
Сирена-5 — для диагностики труб с сечением от
530 мм до 1020 мм.
Сирена-6 – для дефектоскопии труб с сечением от
219 мм до 530 мм.
Кроулер ЮРК – применяют для диагностики труб
ссечением до 2000 мм.
Для работы рентгеновских аппаратов необходим источник электропитания, поэтому оборудование оснащают трансформатором с анодной высоковольтной обмоткой и с накальной низковольтной обмоткой. Чтобы преобразовать переменный ток сети в постоянный ток, к рентгеновской трубке подключают выпрямители кенотроны.
Для просвечивания изделий рентгеновскими аппаратами используют модели с различными электрическими схемами:
1.Аппараты, не имеющие выпрямителей,
2.Рентгеновское оборудование с полуволновой (кенотронной) схемой, в котором последовательно с трубкой подключены один – два кенотрона;
3.Аппараты со схемой удваивания, оборудованные одним кенотроном, а также двумя конденсаторами повышающими напряжение;
140
4. Аппараты со схемой удваивания Грейнахера, имеющие кенотрона и два конденсатора.
Изготовлением самоходных рентгеновских аппаратов занимаются многие отечественные и зарубежные производители. Все кроулеры, выпущенные этими компаниями, имеют одну принципиальную схему: содержат источники рентгеновского панорамного излучения, самоходную тележку, которая перемещает излучатель внутри трубы, снаружи трубы располагается командный аппарат для управления тележкой, а также приемник излучения командного аппарата.
Командный аппарат содержит радиоактивный источник, кванты которого проникают внутрь трубы, воздействуя на приемник. Когда кроулер подъезжает под пучок гамма-квантов, излучаемых командным аппаратом, срабатывает приемник излучения, и тележка с панорамным излучателем останавливается напротив контролируемого шва. Излучатель срабатывает автоматически, просвечивая пленку весь исследуемый кольцевой шов.
После окончания экспозиции кроулер получает команду на движение вперед для исследования следующего шва или команду назад для выезда из трубы. Процессом рентгенографического контроля оператор руководит с помощью командного аппарата. Схема расположения аппарата внутри трубопровода представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема расположения аппарата СИРЕНА-5 внутри трубопровода
141
Принцип работы данного аппарата: в качестве приемника проникающего излучения командного аппарата в кроулере используются два ионизационных счетчика 3,4. Перед началом движения самоходной тележки 1, включается с помощью выносного пульта 7 командный аппарат 5. Благодаря специальному коллиматору он имеет узконаправленную диаграмму излучения строго внутрь трубы. При попадании излучения командного аппарата на детектор 3, кроулер замедляет свое движение, а при срабатывании детектора 4, он останавливается в положении, когда фокус излучения панорамного аппарата 2 находится на линии, перпендикулярной контролируемому шву трубы 6 и рентгеновской пленке 8. Такое двухступенчатое торможение обеспечивает точную остановку кроулера по отношению к просвечиваемому кольцевому шву, что является непременным условием панорамного метода рентгенографии. По сравнению с изотопным способом управления, этот способ абсолютно безопасен для обслуживающего персонала и достаточно прост, хотя и требует некоторой тренировки оператора. Во избежание потери кроулера в трубе в случае неправильного управления, в электронной логике предусмотрена остановка кроулера при отсутствии любых команд в течение 5 мин и выезд его назад. Также кроулер выезжает самостоятельно при разряде аккумуляторов, при наезде на препятствие или на воду.
Недостатками всех кроулеров являются немалый вес и большие габариты аппаратов. Это не дает возможности контролировать изнутри состояние труб малых диаметров.
Большим спросом пользуются на рынке модели портативных рентгеновских аппаратов марки Сирена отечественного производителя «Спектрофлэш». СИРЕНА-5 используется для контроля трубопроводов от 530 мм до 1020 мм в диаметре, а СИРЕ-
НА-6 — от 219 до 530 мм.
Оба кроулера отличаются небольшим весом: масса кроулера СИРЕНА-5 составляет 50 кг, а СИРЕНА-6 — 15 кг.
Применение данных аппаратов позволяет выявить такие дефекты как трещины, поры, включения инородных материалов или шлаки, приведенные на рис. 3. С помощью рентгенографического контроля можно определить интенсивность расположения
142
неоднородностей в материале и сделать заключение об общем внутреннем состоянии трубопровода.
1 |
2 |
3 |
Рис. 3. Дефекты в трубопроводе: 1 – трещины; 2 – поры; 3 – включения инородных материалов и шлаки
Размеры дефектов, которые можно выявить данным методом контроля согласно ГОСТ 24034-80 :
Радиационная толщина до 40 мм - раскрытие непровара (трещины) 0,1 мм;
Радиационная толщина свыше 40 мм до 100 мм включительно - раскрытие непровара (трещины) 0,2 мм;
Радиационная толщина свыше 100 мм до 150 мм включительно - раскрытие непровара (трещины) 0,3 мм;
Радиационная толщина свыше 150 мм до 200 мм включительно - раскрытие непровара (трещины) 0,4 мм;
Радиационная толщина свыше 200 мм - раскрытие непровара (трещины) 0,5 мм.
В статье приведены технические характеристики и технологические возможности выявления дефектов в магистральных трубопроводах нефти и газа. Применение данных аппаратов дает возможность прямого контакта с диагностируемым материалом и повышает вероятность выявления дефектов в сварных швах.
Литература
1.Артемьев Б.В. Рентгеновская толщинометрия металлов.
-М.: Машиностроение-1, 2002. - 104 с.
2.Горбачев В.И., Семенов А.П. Радиографический контроль сварных соединений. - М.: Спутник, 2009. - 450 с.
143
3. Неразрушающий контроль: справочник / под общ. ред В.В. Клюева. Кн. 2. Соснин Ф.Р. Радиационный контроль. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2006. - 560 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.9.01
Д.М. Черных, ассистент, Ю.Э. Симонова, ст. преп.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОЧЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА
КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Приведены результаты расчета процесса точения заготовки из стеклопластика методом конечных элементов. Определены напряженнодеформированное состояние фрагмента заготовки и температура в зоне резания. Рассмотрены особенности моделирования процессов резания методом конечных элементов и определения на стадии проектирования оптимальных параметров рабочих процессов резания и конструкций режущего инструмента
Ключевые слова: метод конечных элементов, стеклопластики, точение
Одним из перспективных направлений развития новой техники является использование стеклопластиков в качестве конструкционных материалов, уникальные свойства которых могут в значительной мере повысить эксплуатационные характеристики изделий.
Армирование волокнами стеклоткани позволяет достичь высокой прочности и жесткости материала. Полимерная матрица способствует равномерному распределению нагрузки, позволяет эффективно использовать механические свойства стеклянного волокна. В качестве основных недостатков стеклопластиков можно выделить особенности строения и структуры материала, их высокую анизотропию и неоднородность составных частей.
На обрабатываемость резанием стеклопластиков влияет множество различных факторов, в том числе тип полимерного связующего, материал и ориентация стекловолокна, метод изготовления. Вследствие низкой теплопроводности материала определенные ограничения накладываются на температуру в зоне резания. При превышении теплостойкости на поверхности материа-
144
ла происходит выгорание связующего и образование прижогов. Для правильного выбора условий и режимов обработки необходимо знать закономерности изменения температуры резания в зависимости от влияющих на нее факторов.
Прогнозирование поведения стеклопластиков при механической обработке при различных режимных параметрах обработки необходимо, когда лабораторные и производственные методы испытаний затруднены или практически невозможны.
Для определения температуры в зоне резания методом конечных элементов был использован программный комплекс DEFORM. Эта система моделирования технологических процессов, предназначенная для анализа трехмерного (3D) поведения металла при различных процессах обработки. Алгоритм построения инженерных расчетов в DEFORM построен по методу конечных элементов и состоит из библиотеки конечных элементов, препроцессора, решателя, постпроцессора.
Автоматический сеточный генератор Deform 3D строит оптимизированную конечно-элементную сетку, увеличивая её плотность в наиболее критичных зонах. Результат создания ко- нечно-элементной сетки для инструмента и заготовки представлены на рис. 1.
а) |
б) |
Рис. 1. Конечно-элементная сетка: а) инструмента; б) детали
145
Данная математическая модель построена с учетом допущения, что коэффициент трения по задней поверхности принимался равным коэффициенту на передней поверхности.
Краевые условия на участках скольжения стеклопластика по передней поверхности инструмента являются смешанными и включают в себя кинематическое ограничение и уравнение для касательных напряжений на границе, задающее закон трения.
Реализация этих условий представляет наибольшую сложность для численного моделирования методом конечных элементов, поскольку в силу нелинейности и наличия ограничений в виде неравенств они не могут быть непосредственно включены в результирующую систему уравнений.
Таким образом, граничные условия до начала решения мгновенной квазистационарной задачи могут быть заданы лишь с некоторой степенью приближения с последующим итерационным уточнением. При этом определяются узлы, в которых выполняется условие отрыва, и граничные условия в них заменяются, а также уточняются касательные напряжения на остальных участках скольжения.
Исходными данными для препроцессора являются геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из системы CAD (3D моделирования). Основная функция препроцессора – наложение на исследуемый объект (деталь) сетки конечных элементов. На рис. 2. представлены входные данные для препроцессора.
Решатель – это программа, которая собирает модели отдельных конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц. Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме.
Критерием окончания процесса моделирования является конечное положение инструмента, которое можно задать контролированием координат двух точек.
146
а) |
б) |
в)
Рис. 2. Входные данные для препроцессора:
а) граничные условия; б) входные режимные параметры; в) управление симуляцией
Моделирование процесса точения в различные моменты времени с распределением температуры в зоне резания и эквивалентных напряжений приведено на рис. 3. В промежуточные моменты времени зафиксированы отрыв волокон от матрицы, увеличенное смещение слоев матрицы вдоль волокон, что и ожидалось в соответствии с известными данными из практики и публи-
каций [2, 3].
147
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
е) |
Рис. 3. Результаты постпроцессирования:
а) сила резания по оси Z; б) энергия; в) пятно контакта; г) тепловой поток; д) температура в зоне резания; е) эквивалентные напряжения
148
На рассматриваемом интервале времени механической обработки стеклопластика выявлена связь между изменением температуры от режимных характеристик
При возрастании скорости резания уменьшается как время взаимодействия режущего лезвия и теплового потока (рис. 3), так и время контакта инструмента и заготовки. Следовательно, меньшее количество тепла успевает перейти от инструмента в заготовку. При этом большее количество теплоты перераспределяется в стружку.
Локализация температурного поля в относительно тонком слое материала инструмента, находящегося в контакте со стружкой, приводит к уменьшению объема износа режущего лезвия. В этом случае максимальную защиту инструменту могут обеспечивать специальные одноили многослойные покрытия, наносимые на переднюю поверхность инструмента и выполняющие роль теплового щита.
Литература
1.Криворучко Д. В. Моделирование процессов резания методом конечных элементов : методологические основы : монография / Д. В. Криворучко, В. А. Залога ; под общ. ред. В. А. Залоги. - Сумы: Университетская книга, 2012. - 496 с.
2.Лапенков Е.Ю. Исследование процесса фрезерования стеклопластиков / Е.Ю. Лапенков, С.А. Катаева, С.В. Гайст. П.О. Черданцев. А.М. Марков // Вестник Алтайской науки. - 2015. - № 3/4. - С. 39-44.
3.Руднев А.В. Влияние структуры и физико-механических свойств стеклопластиков на их относительную обрабатываемость при точении / А.В. Руднев, А.А. Королев.-М.: ВНИИ. 1965.- С.65.
Воронежский государственный технический университет
149