Розділ 2
Обгрунтування методики досліджень та вибір апаратних засобів
2.1. Аналіз механізму взаємодії швидкоплиного струменя з захисним шаром
(плівкою) на пружній основі
Процеси, що відбуваються при натіканні струменя на перепону у вигляді плівки,
адгезійно зчепленої з пружною основою, складні і багатогранні [110-112, 160].
Ряд авторів важає [131, 132, 173], що деструкція перепони з наступним її
руйнуванням (у даному випадку поверхневої плівки) відбувається внаслідок
швидкоплинного розвитку процесів зсуву, стиснення, розтягування,
високоеластичного деформування та, нарешті, відриву.
Дослідники також зазначають [90, 111], що руйнуванню властива етапність,
причому на першому етапі для квазістаціонарної постановки задачі струминного
руйування спостерігається високоеластичне втиснення зони впливу, а на другому –
розвиток розривів і мікротріщин на дефектах структури і відокремлення частинок
матеріалу.
У випадку використання обертових роторних пристроїв [130] задача аналізу
процесів струминного руйнування ускладнюється тим, що окремі ділянки поверхні
сприймають швидкорухоме струминне навантаження, відтоді, можна очікувати, що
розвитку розривів на мікродефектах плівки від безпосереднього однократного
впливу не виникатиме зовсім, натомість циклічне струминне навантаження перепони
у межах певної зони впливу призводитиме до відповідного високоеластичного
деформування, обумовленого як гідродинамічним впливом, так і хвильовими
процесами, з наступним порушенням адгезійного зчеплення плівки з основою і її
відшаруванням. Незважаючи на те, що кожного разу при наіканні струмінь в ту
саму точку на поверхні не потраплятиме, прояв реологічних властивостей плівки
та незначне відхилення точки натікання струменя (співставне із величиною
пружно-пластичного втиснення) призводитиме до виникнення певних ділянок
відшрованої та деструктованої плівки. Відтоді, саме таким механізмом можна
пояснити нявність крупнодисперсного бруду, вилученого після струминного
очищення поверхні труби обертовими роторними пристроями.
Тож за певних умов можна вважати, що при використанні обертових роторних
пристроїв руйнування захисної плівки відбувається за механізмом, відмінним від
узагальненої уявщи щодо гідроерозії твердого тіла під впливом швидкоплинного
струменя рідини. Приймемо ці твердження за початкову гіпотезу.
Якщо покласти в основу механізму струминного руйнування еластичної або
квазіеластичної плівки припущення про існування тільки однієї фази процесу,
однак повтореної кілька разів, то стає очевидним, що підвищення руйнівної
здатності струменя полягає не тільки у збільшенні інтенсивності циклічності
навантаження, а і у більшому використанні ефектів гідродинамічного розтікання,
хвильових процесів, а також різнонаправленого гідроструминного навантаження
елементів плівки. Останнє особливо важливо у випадку, коли межа міцності плівки
і міцності її адгезійного зчеплення з основою відрізняється.
Розглянемо розрахункову схему рис.2.1. Достеменно встановлено, що для схеми
технологічного налагодження, яка відповідає різанню листового матеріалу без
руху подачі (за так званим контрольним обсягом [73]) руйнування матеріалу
настає за умови, що. Так, за даними А.Зайченко [41], струмінь, що натікає на
перепону, створює гідродинамічний тиск, який є функціями кількох параметрів: ,
тобто і також визначається компактністю струменя, оскільки за [31] сила
динамічного тиску на перепону визначається як
. (2.1)
Незруйнована перепона викликає виникнення поперечно розтічної хвилі [112],
швидкість руху якої дорівнює . Остання виникає через час
(2.2)
де rс - радіус струменя рідини;
К - коефіцієнт відміни головної частини струменя від циліндричної, К=1...4;
C - швидкість розповсюдження ударної хвилі в рідині, що приймається рівній
швидкості звуку в рідині;
Кс - коефіцієнт стиснення рідини;
r - щільність рідини.
Якщо розглянути схему натікання стуменя на перепону у вигляді поверхневої
плівки, то для випадку квазістаціонарної постановки задачі взаємодії маємо, що
максимальне деформування плівки відбуватиметься у випадку перпендикулярного
натікання струменя на поверхню. З теорії пластичності відомо [6], що поперечне
деформування відповідатиме величині втиснення вернього шару плівки, відтоді для
виникнення максимальних напружень і початку деструкцій плівки необхідно
створити умови, за яких інша сила діятиме у площині, перпендикулярній дії
струменя. Конструктивно створити умови натікання перпендикулярного струменя
неможливо, однак використання переривчастого кутового струменя дозволить
використати ефект розтікання оболонки, який, за описом [112], може бути
значним.
Рис. 2.1. Схема дії струменя на захисних поверхневий шар
Так, поздовжньо розтічна хвиля, утворена протягом часу td, здатна виконувати
навантаження бічної поверхні, викликаючи напруження
, (2.3)
де sz, sr, sq - відповідно нормальні, радіальні та тангенціальні напруги.
Таким чином, пружне втиснення основи з одночасним деформуванням плівки у
площині основи дозволяє поєднати два ефекти: збільшити величину деформацій
плівки з торця та створити дотичні напруження на межі „плівка-основа”, які є
найбільш дієвими для відшарування плівки.
Вважаючи, що струмінь натікає на місце контакту поверхневої плівки із основою
за схемою рис. 2.1, вираз для визначення геометричних параметрів зони дії
розтічної хвилі hp набуде вигляду [112]:
, (2.5)
де a - кут між твірною конуса струменя та поверхнею обробки (залежить від
відстані зрізу струменеформуючого сопла від обробл