Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Выполнен обзор исследований эффективного КПД дуг с неплавящимся и плавящимся электродами в среде аргона на изделиях из различных металлов. Значения эффективного КПД имеют существенный разброс. Установлено, что в таких условиях наименее исследовано действие стационарной во времени дуги на алюминиевые детали. Эффективный КПД в большинстве работ приводится без значений напряжения дуги, что затрудняет его использование в инженерной практике. Наиболее целесообразным с позиций тепловой эффективности при сварке является использование понятия удельной эффективной мощности на 1 А тока дуги. Перспективным способом сварки алюминиевых сплавов в настоящее время является сварка вольфрамовым электродом в аргоне с использованием разнополярных прямоугольных импульсов тока (способ VP-GTAW). Разработанные численные математические модели для этого способа сварки дали противоречивые результаты. Вклад полярностей дуги в общую эффективную мощность исследован недостаточно. Это затрудняет выбор оптимальных соотношений значений длительности полярности в периоде. Для определения роли полярностей разработана методика калориметрирования алюминиевых деталей на одинаковых токах импульсов при различном соотношении длительности импульсов прямой и обратной полярностей. Проведенные эксперименты позволили составить системы уравнений для общей эффективной мощности дуги. Решение систем уравнений дало высокую сходимость данных по удельной эффективной мощности полярностей. При токе около 100 А удельная эффективная мощность на обратной полярности почти в 2 раза выше, чем на прямой полярности. Этот результат согласуется с данными о соотношении значений скорости плавления алюминиевой проволоки при наплавке плавящимся электродом.

Исследованы проблемы надежности, возникающие при освоении современных передовых видов тонкостенных насосов API, пока еще редко встречающихся на территории Российской Федерации. Освещены их основные отличия от традиционно применяемых толстостенных насосов, включая повышенные эксплуатационные напряжения в штоках, рассмотрены типичные отказы. Проведен обзор усталостных разрушений резьбовых соединений штоков и поиск эффективных методов повышения их надежности и долговечности. Реализован классический порядок определения причин отказов, включая экспертизу качества штоков, металлографическое исследование типичного для нефтяной отрасли изделия, специальную фрактографию разрушения. Сделаны предположения относительно схожести разрушений, полученных в разных эксплуатационных условиях. Для разъяснения системности разрушений выполнен аналитический расчет напряжений по модифицированной формуле Инглиса. Представлены нелинейные распределения напряжений по микрообъемам под профилем конической резьбы API. Подробно рассмотрена существенная концентрация напряжений под впадиной резьбы, достигающая пятикратных номинальных напряжений по телу детали за резьбой. На основе графической интерпретации модифицированного уравнения Гудмана для конических резьбовых соединений штоков API построены области безопасных напряжений, при которых должная надежность и долговечность изделий будут обеспечены. Пояснен подход к прогнозированию усталостного разрушения штоков сопоставлением действующих циклических напряжений и безопасной области работы, ограниченной по модифицированному закону Гудмана характеристиками нагружения и механическими свойствами изделия. Высказаны предположения относительно требуемых свойств резьбовых концов штоков, объяснен метод построения областей. Проведены обзор и оценка методов повышения надежности и долговечности резьбы деталей, работающих под циклической нагрузкой. Установлена взаимосвязь статической и циклической пластических зон с минимально необходимой зоной локального упрочнения резьбовых концов штоков. Приведены формулы для определения указанных зон, нуждающихся в упрочнении. Выделены особенно эффективные комплексные меры, показана возможность их комбинирования. Объяснена недостаточность классических методов металлургии для повышения качества исследованных штоков.

Сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением является одним из самых опасных факторов, разрушающих детали металлических конструкций при добыче углеводородов. В настоящее время количество коррозионного фонда скважин, содержащих H2S, увеличивается, а применение ингибиторов коррозии не приносит ожидаемого эффекта. Подбор резистентных материалов является основным эффективным способом повышения живучести оборудования с увеличением наработки в условиях агрессивной среды H2S. Часто скважинные условия представляют собой набор осложненных факторов, оказывающих комплексное воздействие на материалы конструкций. В связи с этим разработан ряд экспериментальных процедур для оценки восприимчивости материалов к СКРН. Результаты этих тестов можно использовать для сравнения чувствительности различных металлов в специальных условиях и учитывать при выборе наиболее подходящего. Для рассмотрения предложены общие теоретические сведения о причинах агрессивного воздействия сероводорода, отечественные и международные нормативные документы для выбора и тестирования материала в условиях кислой среды H2S, методы испытания, оборудование, схемы и стандартные образцы. Значимые достижения в разработке стандартов принадлежат Американской национальной ассоциации инженеров-коррозионистов NACE, которая в настоящее время осуществляет деятельность в 130 странах мира. Первая международная конференция на территории России состоялась сравнительно недавно - 30 мая 2019 г. - в Политехническом университете им. Петра Великого (г. Санкт-Петербург). На сегодняшний день международный опыт тестирования материалов в среде H2S мало изучен в Российской Федерации, поэтому в статье большое внимание уделяется именно зарубежнным методикам испытаний.

Алюминиевые сплавы 1420 относятся к сложной системе легирования Al-Mg-Li. Применение сплавов данной группы не ограничивается авиационной промышленностью, эти сплавы используют и в других областях для создания сварных конструкций. Технологии сварки алюминиевых сплавов активно развиваются, несмотря на ряд возникающих трудностей. Для каждого способа сварки трудности, как правило, преодолимы при использовании разных технологических решений. Среди таких решений достаточно важную роль играет сварочный материал - сварочная проволока, обеспечивающая формирование сварного шва. Рассмотрены металлографические исследования и термокинетические расчеты фазового состава сварного шва алюминиевого сплава 1420, полученного аргонодуговой сваркой с применением сварочной проволоки Св-АМг-6. Металлографические исследования выявили дендритное строение сварного шва алюминиевого сплава сложной системы легирования с выделением фаз, заметно меняющимся в областях от центра шва к линии сплавления. Теромокинетические расчеты позволили установить, что температура начала кристаллизации алюминия в сварочной ванне TL = 622 °С и температура конца кристаллизации TS = 551,5 °С. Выявлено, что при температуре T = 642 °С из жидкости начинает образовываться фаза Al6(Mn, Fe), а к моменту начала кристаллизации Al в сварочной ванне его содержание в расплаве шва составляет 1,39 %. К моменту конца кристаллизации происходит выделение следующих фаз: Al3Mg2 - 14,29 %, Al6(Mn,Fe) - 4,64 %, (Al-Mg-Zn-Cu) - 1,62 %, Mg2Si - 1,09 %, Al3(Fe) - 0,05 %.

Известны два подхода к решению вопросов кинематики карданных передач. В первом случае карданная передача рассматривается как пространственный механизм с постоянными углами между осями карданных валов. Этот подход приемлем в случае рассмотрения карданной передачи при движении в кривых участках пути малого радиуса. При втором подходе карданная передача рассматривается как плоская карданная передача с переменными углами между осями карданных валов. Достаточно часто карданные передачи используются в случаях, когда при эксплуатации машин может изменяться угол излома либо расстояние между осями ведущего и ведомого валов передачи. В подобных условиях кинематические и динамические характеристики трансмиссии существенно зависят от режимов ее движения. При увеличении угла излома карданного вала заметно увеличивается неравномерность вращения и уменьшается среднее значение угловой скорости. Поскольку при увеличении угла излома карданной передачи увеличивается неравномерность вращения ведомого вала, из-за неравномерности угловых скоростей уменьшается область их применяемости, а снижение уровня крутильных колебаний достигается только за счет применения гасителей крутильных колебаний. Рассмотрена карданная передача, состоящая из одного карданного шарнира; получено уравнение движения карданного шарнира с учетом угла излома карданной передачи и график зависимости угла поворота карданного шарнира на один оборот от угла перекоса валов карданной передачи и угловой скорости. Разработаны расчетные динамические модели и получены значения собственных частот колебаний карданной передачи с одним карданным шарниром и карданной передачи с двумя карданными шарнирами. Получены графики зависимости углов излома карданной передачи от частоты собственных колебаний карданной передачи с одним карданным шарниром и с двумя карданными шарнирами.