Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепловому розширенні

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2

Слащук В. О.,
Заспа Ю. П.
Хмельницький національний університет,,
м. Хмельницький, Україна
E-mail: Slashchuk_Viktor@ukr.net

ПОРУШЕННЯ ЦІЛІСНОСТІ НОМІНАЛЬНО-
НЕРУХОМОГО КОНТАКТУ ПРИ

ТЕПЛОВОМУ РОЗШИРЕННІ

УДК 621:62-2:531.4:534.1:534.4:536.3

В роботі досліджений процес теплового зриву посадки теплопроводу. Акустично - емісійним методом ви-

явлено наявність мікрозривів, що передують безпосереднім зривам. Визначені частоти коливань кріплення під час
порушення цілісності номінально-нерухомого контакту. Встановлено, що частота коливань опори відрізняється від
змодельованих для окремих мод коливань, що свідчить про гібридний характер коливань. Важливим чинником такої
різниці є в’язка компонента тертя між трубою теплопроводу та його кріпленнями.

Ключові слова: зрив посадки, акустична емісія, частота коливань, моделювання.

Вступ

Однією із основних задач трибології є дослідження реального процесу тертя та чинників, які на

нього впливають. Характерною особливістю сухого тертя є наявність граничної сили зсуву, перевищення
якої веде до зриву посадки, що вкрай небажано при роботі технічних систем [1, 2]. Ця проблема актуаль-
на зокрема при експлуатації теплопроводів [3].

В процесі нагрівання метал розширюється, що призводить до «ковзання» труби теплопроводу по
його кріпленнях. Коли труба розширюється то відгинає опори на які посаджена. При перевищені можли-
вого відхилення опори відбувається зрив посадкового контакту [4]. Динаміка такого зриву на сьогодні
недостатньо досліджена.

Квазістатичність та практична відсутність сторонніх шумів дає можливість використати в цій за-
дачі акустично-емісійний метод дослідження [5, 6, 7], що дозволяє проводити аналіз динамічної контакт-
ної взаємодії в реальному масштабі часу. Перевагами такого методу також є відсутність контакту з еле-
ментами, що потребують дослідження, висока точність результатів при відсутності механічних елементів
приводу.

Метою роботи є встановлення фізичних механізмів порушення цілісності номінально-
нерухомого контакту при тепловому зриві.

Результати досліджень

Для дослідження була обрана ділянка теплопроводу довжиною 3 метри. Теплопровід складався з

труби діаметром 50 мм. Через кожні 1,5 м в стіну були вбиті опори циліндричної форми діаметром 9 мм.
На рис. 1 показана ділянка теплопроводу.

Рис. 1 – Схема теплопроводу:

1 – труба;
2 – опори

Квазістатичний та тепловий характер приводу дозволяє за допомогою акустично-емісійного ме-

тоду зареєструвати мікрозриви на окремих локальних плямх контакту, які передують локальному зриву.
В ході експерименту був виявлений відносно тривалий етап мікрозривів посадки на плямах реального
дотику, що передує кожному зриву. Цей етап характеризується відносно низьким рівнем акустичної емі-
сії. Його тривалість в на два порядки перевищує тривалість зриву. Як було встановлено етап мікрозривів
складається з множини процесів поступового зменшення міцності та закінчується розривом контакту, що
має ударний характер. На рис. 2 показано загальний вигляд акустограми досліджуваного процесу.

Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепловому розширенні

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2

Рис. 2 – Акустограма:
зона 1 – етап мікрозривів;

зона 2 – зрив;
зона 3 – акустичні контактно-наведені коливання теплопроводу

При збільшені масштабу видно, що тривалість етапу мікрозривів становить в середньому

2,5  10-2 с, а глобального зриву 1  10-4 с. Тобто, безпосередній зрив займає менше одного відсотка від
процесу зриву контакту. На рис. 3 показаний момент зриву при більшому масштабі.

Рис. 3 – Акустограма із збільшеним масштабом:
зона 1 – етап мікрозривів;

зона 2 – зрив;
зона 3 – акустичні контактно-наведені коливання теплопроводу

Спеціально слід відмітити значну асиметрію етапів навантаження та релаксації. Швидкість ква-

зістатичного навантаження, як слідує з рисунку 4, складає порядку 10-5 м/с (відношення оціночної амплі-
туди деформації опори ΔX 10-5 м до часу навантаження Δτload порядку  1 с), в той час як швидкість
релаксації  10-1 м/с. Це ілюструє специфіку порушення цілісності номінально-нерухомого контакту в
процесі швидкого в’язкопластичного зриву після перевищення граничної сили зсуву.

Результати експерименту свідчать про суттєво нестаціонарний характер сухого тертя в умовах
нарощування сили зсуву. Перехід від часткового до глобального контактного проковзування супрово-
джується процесами ударного характеру напруженої опори по теплопроводу. Наявність такого удару сві-
дчить про недостатню демпфуючу здатність сухого тертя, а також неадекватність апріорного обмеження
форми руху елементів номінально-нерухомого з’єднання в момент порушення цілісності при тепловому
зриві.

Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепловому розширенні

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2

Рис. 4 – Акустограма з серією зривів

Після зриву опора починає коливатись з частотою 6460 Гц, що можна побачити на спектрограмі

(рис. 5).

Рис. 5 – Спектрограма зриву

Була проведена симуляція коливань опри теплопроводу в системі аналізу конструкцій
SolidWorks Simulation. Частоти коливань отримані при симуляції відрізняються від отриманих при дослі-
дженні. На рис. 6 показані форми коливання опори.

а б

Рис. 6 – Форми коливань опори теплопроводу
а – перша форма коливання;

б – друга форма коливань

Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепловому розширенні

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2

Частоти коливань симуляції та експериментальних даних наведені в табл. 1.

Таблиця 1
Частоти коливань

Перша форма, Гц Друга форма, Гц Експеримент, Гц
2217,8 12924 6460

Отримані в ході експерименту дані відрізняються від змодельованих в SolidWorks Simulation,

тому що система аналізу не враховує поєднання форм коливання опори. Тобто в реальних умовах (не си-
муляція) опора починає коливатися в гібридній формі, яка поєднує в собі форму згину та форму кручен-
ня. На цю гібридну форму коливань впливає багато чинників [8] і їх неможливо адекватно врахувати при
моделюванні.

Серед цих чинників одним із основних є в’язкість контактного шару, яка суттєво залежить від
температури та реального тиску на плямах контакту. Виходячи з частоти другої форми коливання опори,
середня в’язкість контактного шару на етапі релаксації оцінюється величиною порядку 106 Пас, що бли-
зько до динамічної в’язкості фрикційного контакту, отриманої методом згасаючих коливань в роботі 9.

Висновки

Встановлено, що в процесі теплового зриву порушення контакту проходить в два етапи: етап мі-

крозривів, глобальний зрив. Тривалість першого етапу на 2 порядки величини перевищує тривалість дру-
гого. Виявлена різниця в частотах коливань форми опори та змодельованих форм, ця різниця пояснюєть-
ся гібридним характером коливань та впливом динамічної в’язкості граничного контактного шару на ча-
стоти коливань опори.

Література

1. Артамонов Є. Б. Моделювання систем визначення місця пошкодження теплопроводу // Мате-

матичні машини і системи. – 2013. – № 3. – С. 156-161.
2. Малявіна О. М. Статистичне моделювання показників надійності теплопроводів і трубопрово-

дів гарячого водопостачання теплових мереж // Энергосбережение • Энергетика • Энергоаудит. – 2010,
№12 (82). – С. 48 - 54.

3. Копсов А. Я. Численое моделирование собственных колебаний трубопроводов ТЭС и АЭС / А.
Я. Копсов, Ю. В. Коломцев, С. Я. Красновський, Л. Б. Маслов, В. И. Шапин, И. А. Белов // «Весник
ИГЭУ». – 2005, Вып. 1. – С. 1-5.

4. Дацишин О. П. Розрахункові моделі механіки руйнування для оцінювання довговічності твер-
дих тіл при їх циклічній контактній взаємодії: автореферат дис. д. т. наук : 01.02.04 / Дацишин О. П.,
НАН України. – Львів, 2007. – С. 3-5.

5. Німченко Т. В. Застосування акустичної емісії як одного з засобів технічного захисту // Вісник
НТУ “ХПІ” 2015. – №21(1130). – С. 50-56.

6. Чернявський В. М. Результати застосування методу акустичної емісії для діагностування стану
зразків овт в експлуатації / В. М. Чернявський, Р.М. Джус, С.В. Степанов // Системи озброєння і військо-
ва техніка. – 2011, № 4(28). – С. 105-108.

7. Попович О. В. Аналіз акустичних методів ідентифікації та визначення параметрів дефектів
металоконструкцій / О. В. Попович, М. О. Карпаш // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. –
2014. – № 2(51). – С. 141-148.

8. Басюк Б. И. Теория феномена Рийке в системе с сосредоточенными параметрами / Б. И. Басюк,
В. В. Голуценко // Акустичний вісник. – 2010. – Том №13 – № 3. – С. 3-8.

9. Костогриз С. Г. Визначення динамічної в’язкості номінально нерухомого фрикційного контак-
ту при вібронавантаженні / С. Г. Костогриз, Ю. І. Шалапко, В. О. Слащук, О. О. Слащук // Проблеми
трибології . – 2015. – № 4. – С. 27-31.

Поступила в редакцію 17.06.2016

Порушення цілісності номінально-нерухомого контакту при тепловому розширенні

Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2

Slashchuk V.O. Zaspa Yu.P. Violation of integrity nominally-fixed contact the by thermal breakdown.

Abstract - In this work the process of thermal breakdown landing thermal conductivity. By the acoustic-emission

method revealed the presence of micro disruption prior direct disruption. Defined oscillation frequency when mounting viola-
tions of integrity nominally-fixed contact. Established that the oscillation frequency of support differs from the simulated
fluctuations for certain events, indicating that the hybrid nature of the oscillations. An important factor in this difference is
the viscous component of the friction between the pipe thermal conductivity and its attachments.

Keywords: loss of contact, acoustic emission, oscillation frequency, modeling.

References

1. Artamonov Ie. B. Modeliuvannia system vyznachennia mistsia poshkodzhennia teploprovodu. Mate-

matychni mashyny i systemy, 2013, № 3. S. 156-161.
2. Maliavina O. M. Statystychne modeliuvannia pokaznykiv nadiinosti teploprovodiv i truboprovo-div

hariachoho vodopostachannia teplovykh merezh. Эnerhosberezhenye • Эnerhetyka • Эnerhoaudyt, 2010, №12
(82). S. 48 – 54.

3. Kopsov A. Ia. Chyslenoe modelyrovanye sobstvennыkh kolebanyi truboprovodov TЭS y AЭS / A.
Ia. Kopsov, Iu. V. Kolomtsev, S. Ia. Krasnovskyi, L. B. Maslov, V. Y. Shapyn, Y. A. Belov. «Vesnyk YHЭU»,
2005, №. 1. S. 1-5.

4. Datsyshyn O. P. Rozrakhunkovi modeli mekhaniky ruinuvannia dlia otsiniuvannia dovhovichnosti
tver-dykh til pry yikh tsyklichnii kontaktnii vzaiemodii: avtoreferat dys. d. t. nauk : 01.02.04., NAN Ukrainy –
Lviv, 2007. S. 3-5.

5. Nimchenko T. V. Zastosuvannia akustychnoi emisii yak odnoho z zasobiv tekhnichnoho zakhystu.
Visnyk NTU “KhPI” 2015. №21(1130). S. 50-56.

6. Cherniavskyi V. M. Rezultaty zastosuvannia metodu akustychnoi emisii dlia diahnostuvannia stanu
zrazkiv ovt v ekspluatatsii. V. M. Cherniavskyi, R.M. Dzhus, S.V. Stepanov. Systemy ozbroiennia i viiskova
tekhnika, 2011, № 4(28) S. 105-108.

7. Popovych O. V. Analiz akustychnykh metodiv identyfikatsii ta vyznachennia parametriv defektiv
metalokonstruktsii. O. V. Popovych, M. O. Karpash. Rozvidka ta rozrobka naftovykh i hazovykh rodovyshch,
2014, № 2(51). S. 141-148.

8. Basiuk B. Y. Teoryia fenomena Ryike v systeme s sosredotochennыmy parametramy. B. Y. Basiuk,
V. V. Holutsenko. Akustychnyi visnyk. 2010. Tom №13. N 3. S. 3-8.

9. Kostohryz S. H. Vyznachennia dynamichnoi v’iazkosti nominalno nerukhomoho fryktsiinoho kon-
taktu pry vibronavantazhenni. S. H. Kostohryz, Iu. I. Shalapko, V. O. Slashchuk, O. O. Slashchuk. Problemy
trybolohii. 2015, № 4. S. 27-31.