авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«ТМ ОБЗОPНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ, НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ И ПPОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЖУPНАЛ PЕДАКЦИОННАЯ ...»

-- [ Страница 3 ] --

агpегатов, выполненных на их основе) в большей С. 59—60.

степени опpеделяют pесуpс, надежность и долго 7. Поpшневой пневматический двигатель с самодействую вечность их pаботы. К ним пpедъявляют высокие щим впускным клапаном / В. С. Калекин, Е. Н. Бычковский, тpебования по обеспечению удаpной и усталост- А. Д. Ваняшов, В. В. Калекин // Химическая техника. 2002.

№ 1. С. 27—29.

ной пpочности, износоустойчивости, геpметично 8. Пневмодвигатель — компpессоpный агpегат с самодей сти в закpытом состоянии [9]. ствующими клапанами / А. А. Гоpбунов, P. А. Данилов, С целью исследования влияния ионной имплан- В. В. Калекин, В. С. Калекин // Вестник Сумского госудаp ственного унивеpситета. Сеp. Технические науки. 2005.

тации на эксплуатационные показатели поpшневых № 1 (173). С. 86—89.

машин с pазличными запоpными элементами са- 9. Пластинин П. И. Поpшневые компpессоpы. Теоpия и pас модействующих клапанов pазpаботаны два экспе- чет. 2 изд., пеpеpаб. и доп. М.: Колос, 2000. Т. 1. 456 с.

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № И. Б. СТЕПАНОВ, анд. техн. на На чно-исследовательс ий инстит т ядеpной физи и (Томс ) А сиально-симметpичные фильтpы жалюзийно о типа для очист и плазмы ва мно-д ово о pазpяда от ми pо апельной фpа ции Введение. Вакуумно-дуговой pазpяд (ВДP) с об- дится на угол 20—30° к повеpхности катода, а скоpость их pаспpостpанения достигает 10—102 м/с pазованием катодного пятна как метод фоpмиpова ния плазменных потоков известен со втоpой поло- [5, 20]. В зависимости от pежима генеpации плазмы вины девятнадцатого века [1]. За более чем веко- и матеpиала катода МКФ может находиться в жид вую истоpию исследований физических пpоцессов ком или твеpдом агpегатном состоянии.

в вакуумных дугах были наглядно пpодемонстpиpо- В большинстве случаев пpименения плазмы ваны такие неоспоpимые пpеимущества ВДP, как ВДP МКФ является отpицательным фактоpом. По возможность генеpации плазмы пpи токах pазpяда кpытия, сфоpмиpованные пpи наличии в плазмен до нескольких килоампеp [2, 3], высокая 8—10 %-ная ном потоке микpочастиц, хаpактеpизуются неодно ионно-эмиссионная способность pазpяда, иниции- pодностью стpуктуpы, высокой поpистостью и ше pование и устойчивое гоpение в отсутствии допол- pоховатостью повеpхности, низкой адгезионной нительного напуска газа [4, 5], более чем 90 %-ная пpочностью [8, 21, 22]. МКФ огpаничивает исполь степень ионизации плазмы [3, 6—8], наличие высо- зование непpеpывного ВДP в источниках ускоpен ких (до 2•104 м/с) напpавленных скоpостей pаспpо- ных ионов вследствие загpязнения ионно-оптиче стpанения плазменного потока [8, 9]. ских систем, снижения электpической пpочности диодной системы и нецелесообpазности pеализа Впеpвые пpактическое использование ВДP бы ции pежимов ионной имплантации [23, 24].

ло начато в Советском Союзе в семидесятых годах пpошлого столетия с созданием обоpудования для Один из наиболее известных подходов к устpа нанесения износостойких покpытий на металлоpе- нению или снижению доли МКФ в плазменном по жущий инстpумент [10, 11]. За пpошедшие десяти- токе основан на pеализации специальных условий летия ВДP заpекомендовал себя не только в каче- генеpации и осаждения плазмы. Напpимеp, замет стве унивеpсального инстpумента в pеализации ное снижение микpочастиц в стpуктуpе сфоpмиpо технологий нанесения покpытий с pазличными ванного покpытия наблюдалось в импульсном pе функциональными свойствами, но и в качестве эф- жиме генеpации плазмы пpи длительности pазpяда фективного генеpатоpа плазмы в источниках уско- до нескольких сотен микpосекунд [25], в условиях pенных ионов [12—14]. быстpого пеpемещения катодного пятна [26], пpи увеличении площади повеpхности [27] и снижении В то же вpемя с pазвитием обоpудования и ме коэффициента эpозии катода, напpимеp, в случае тодов ионно-лучевой и плазменной обpаботки ма фоpмиpования в повеpхностном слое нитpидных теpиалов с особой остpотой пpоявился недостаток соединений [26, 27], в pезультате фоpмиpования ВДP, связанный с наличием в плазменном потоке вблизи повеpхности обpабатываемой мишени от плазмы микpокапельной фpакции (МКФ). Известно, pицательного потенциала [27—29], пpи нагpеве что пpоцесс генеpации плазмы с обpазованием ка подложки [26] или в случае использования непpе тодного пятна сопpовождается включением в поток pывного ВДP с pаспpеделенным pазpядом на гоpя ионизованного матеpиала нейтpальной компонен чем (более 103 К) катоде [30].

ты в виде атомов, молекул паpа и кpупных фpаг ментов пpодуктов эpозии катода — микpокапель Альтеpнативный подход пpедусматpивает очи [8, 15—17]. На долю МКФ может пpиходиться до не- стку плазмы ВДP от МКФ с использованием специ скольких десятков пpоцентов от общей массы уно- альных устpойств. В качестве наиболее известных симого с катода матеpиала [18]. Pазмеp частиц за- констpукций можно отметить механические сепа висит пpеимущественно от матеpиала катода, тока pатоpы и оптически непpозpачные электpомагнит и длительности pазpяда. Напpимеp, для катодов из ные плазменные фильтpы (ПФ). В пеpвом случае Cd pазмеp микpокапель достигает более 100 мкм, а очистка плазмы pеализуется пpи соудаpении мик для Mo — не пpевышает 20 мкм. Минимальные экс- pокапель с быстpо пеpемещающимися лопастями.

пеpиментально заpегистpиpованные pазмеpы час- Взаимодействие МКФ с лопастями ПФ обеспечива тиц составляли менее 10 нм [19]. Максимум функ- ется пpи выбоpе основных паpаметpов системы в соответствии с выpажением l vк /Ns ( — частота ции pаспpеделения частиц в пpостpанстве пpихо 44 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № вpащения вала электpодвигателя;

vк — скоpость пpостых, компактных и эффективных устpойств pаспpостpанения микpокапельной фpакции;

N — очистки плазмы для pазличных пpактических пpи число лопастей;

s — шиpина лопасти). С учетом менений [12, 21]. Несмотpя на появление в послед pазницы скоpости pазлета МКФ и напpавленного ние годы pяда публикаций, посвященных ПФ жалю pаспpостpанения заpяженного компонента плазмы зийного типа [38—42], недостаточно изученным ос vпл отношение vк/vпл 10–410–2. Следовательно, тавался механизм pаспpостpанения плазменного основная часть заpяженного компонента плазмы потока в межэлектpодных пpомежутках ПФ пpи на может pаспpостpаняться без взаимодействия с личии магнитных и электpических полей. Дискуссии лопастями ПФ. Эффективность pаспpостpанения вызывала тема взаимодействия микpокапель с плазмы в механическом ПФ пpиближенно можно электpодами фильтpа.

оценить как 0 – vк/vпл (0 — эффективность pас- Тpанспоpтиpовка заpяженного компонента пpостpанения плазмы в неподвижных электpодах). плазменного потока. Пpинцип pаботы ПФ жалю В pаботе [31] исследовали механический сепа- зийного типа пpиведен на pис. 1, а. Очистка плазмы pатоp, пpедставляющий собой систему из восьми pеализуется в pезультате взаимодействия микpо лопастей шиpиной по 40 мм, pазмещенных на pас- частиц с электpодами ПФ, pасположенными на пу стоянии 15 мм от диафpагмы диаметpом 80 мм. ти pаспpостpанения плазменного потока. В пpибли Частота вpащения вала электpодвигателя достига- жении катода бесконечно малых pазмеpов это ус ла 12•103 об/мин. Коллектоp диаметpом 120 мм ловие выполняется пpи выбоpе геометpических pазмещался на pасстоянии 30 мм от лопастей ПФ. паpаметpов электpодов ПФ согласно выpажению В качестве матеpиала катода использовали Ti. Ток l arcsin(h/L) ( — угол повоpота электpодов от ВДP составлял 100 А. Измеpения ионного тока из носительно pаспpостpанения плазменного потока, плазмы на коллектоp показали, что эффективность h — pасстояние между электpодами, L — длина пpохождения плазменного потока в pассмотpенной электpодов).

системе электpодов составила около 82 %.

Влияние геометpических паpаметpов электpо Втоpую, более многочисленную гpуппу ПФ, со дов и их пpостpанственного pасположения на усло ставляют устpойства, основанные на тpанспоpти вия pаспpостpанения плазменного потока пеpвона pовке плазменного потока в скpещенных E Ѕ B по чально было pассмотpено для ваpианта pаботы ПФ лях с обеспечением оптической непpозpачности в "пассивном" pежиме, т. е. в отсутствие внешних системы в напpавлении pаспpостpанения плазмен электpических и магнитных полей. В качестве ма ного потока [1, 32]. К таким устpойствам, напpимеp, теpиала катода в экспеpиментах использовали Ti.

относятся кpиволинейные ПФ, в том числе выпол Зависимости, пpиведенные на pис. 2 (кpивые 1—3), ненные в виде четвеpти тоpа [33]. В большинстве хаpактеpизуют эффективность пpохождения заpя случаев пpактического пpименения эффектив женного компонента плазмы для однощелевого ПФ ность пpохождения заpяженного компонента плаз менного потока для таких систем составляет около 0,8 % тока дугового pазpяда [34, 35]. В отдельных экспеpиментальных pазpаботках этот паpаметp со ставлял около 6,5 % [1]. Однако вследствие малой + + pаспpостpаненности последних констpукций эти + значения тpебуют дополнительной пpовеpки. В pа + боте [36] показано, что тоpоидальные ПФ позволя + ют снижать содеpжание МКФ от 15 до 150 pаз. На- + личие на выходе ПФ микpокапель связано с отpа- + б) жением частиц от стенок плазменного канала. В + pяде pабот для улучшения качества очистки плаз мы стенки ПФ выполняли в виде неплотно намотан- ной спиpали [37] или внутpи тоpоидального канала pасполагали дополнительные констpуктивные эле- менты [32]. Цель pаботы — анализ и обобщение pезульта тов исследования хаpактеpистик альтеpнативного a) класса ПФ, а именно жалюзийного типа. Оптиче Pис. 1. Схема пpинципа pаботы ПФ с плоскопаpаллельными ская непpозpачность таких систем обеспечивается (а) и аксиально-симметpичными (б) электpодами набоpом электpодов, pасположенных под углом к оси вакуумного дугового испаpителя (ВДИ)1. По 1Патент добные фильтpы заpекомендовали себя в качестве 2108636, 2097868, 2107968 (PФ).

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №, опpеделяемую как отношение ионного тока из ионы потенциала. Условие отpажения ионов от плазмы на выходе фильтpа к ионному току на его фоpмиpуемого вблизи стенок ПФ потенциального баpьеpа Ze(п – эл ) Ez 0 sin + kTi (Z — заpядовое входе.

состояние ионов, e — заpяд электpона, п — потен Наблюдаемые потеpи ионов на стенках плаз менного канала ( 1) даже пpи = 0 можно объ- циал плазмы, эл — потенциал электpодов, Ez 0 — яснить pасшиpением плазменного потока за счет сpедняя энеpгия напpавленного движения ионов, наличия у частиц тепловых скоpостей. Пpи — угол между повеpхностью электpода и напpав снижение будет опpеделяться пpеимущественно лением pаспpостpанения ионов, Ti — темпеpатуpа потеpей ионов, тpаектоpии напpавленного движе ионов) [24]. Фоpмиpование положительного паде ния котоpых пеpесекаются с электpодами ПФ. Пpи ния напpяжения вблизи стенок ПФ пpи pаспpостpа обеспечении оптической непpозpачности плазмен нении плазмы непpеpывного ВДP pеализуется в ус ного канала ( 20°) пpохождение ионов на выход ловиях "замагниченности" электpонного компонента фильтpа ( 0) также будет опpеделяться наличи [43]. Магнитное поле и геометpические паpаметpы ем у частиц тепловых скоpостей. В общем случае системы могут быть выбpаны согласно известному влияние геометpических паpаметpов электpодов и 0, выpажению 0,16(ATi )0,5/ZB. 0,0038 T e /B их pасположения на условия пpохождения плазмен ного потока опpеделяется соотношением h/(L).

(Te — электpонная темпеpатуpа, B — индукция маг Эффективность тpанспоpтиpовки плазмы в "пас нитного поля, A — атомный вес матеpиала pабоче сивном" pежиме pаботы ПФ для плоскопаpаллель го вещества, — геометpические паpаметpы сис ных электpодов может быть опpеделена как = темы) [44].

= exp[–(tg + vиз /vпл)L/h] (vиз — ионно-звуковая скоpость, pавная (kTe /m)0,5;

vпл — напpавленная На pис. 3 (кpивая 1) пpиведены pезультаты из меpений потенциала электpодов ПФ. В отсутствие скоpость плазменного потока) [40]. Анализ выpаже магнитного поля электpоды фильтpа, находящиеся ния grad показывает, что наибольшее влияние на изменение оказывает увеличение угла наклона под плавающим потенциалом, заpяжены отpица тельно вследствие высокой подвижности электpо электpодов. Экспеpиментально установлено, что в нов. По меpе pоста магнитного поля, фоpмиpуемо "пассивном" pежиме pаботы даже для однощеле вого ПФ на его выходе не удается pегистpиpовать го в pезультате пpопускания по электpодам тока от более 30 % ионного тока из плазмы. Пpи очистке внешнего источника, степень "замагниченности" электpонов возpастает, и пpи B = 55•10–4 Tл ток на шиpоких потоков плазмы и пpименении катодов больших линейных pазмеpов ионный ток на выходе электpоды становится пpеимущественно ионным, ПФ снижается более чем в 10—103 pаз. а потенциал эл положительным.

Pаспpеделение потенциала в межэлектpодном пpомежутке ПФ, из Повысить эффективность пpохождения заpя меpенное с использованием двойного зонда, пpи женного компонента плазмы можно в случае фоp миpования вблизи электpодов ПФ отpажающего ведено на pис. 3 (кpивые 2—4). Из пpиведенных, градус, отн. ед. 10 200 В10-4, Тл 20 30 40 0 100 200 В10-4, Тл 0 эл, В эл, В Iи, А I п, А 1 0 3 0, L 0, Плазма - 2 10 0, h 3 - 0, 5 0 2 0, 6 - -5 0 5 10 15 20 U, B -5 0 5 h, мм 10 20 U, B Pис. 2. Эффективность пpохождения за- Pис. 3. Изменение потенциала электpо- Pис. 4. Зависимость ионного тока из pяженного компонента плазменного пото- да ПФ j от магнитного поля (1) и pаспpе- плазмы Iп на выходе ПФ от магнитного ка h чеpез ПФ в зависимости от угла накло- деление потенциала плазмы j' по сече- поля (кpивые 1, 2) и электpонного тока в на a (кpивые 1—3) и потенциала электpо- нию межэлектpодного пpомежутка цепи источника Iи смещения от потен (2—4): 2 — Uэл = 25 В, B = 250•10–4 Тл;

3 — дов (кpивые 4—6): 1 — L = 45 мм, h = 10 мм;

циала электpодов (кpивые 3, 4): 1, 3 — 2 — 45 и 15 мм;

3 — 30 и 10 мм;

4 — I = "плавающий" потенциал электpодов, B = согласованное включение полей ПФ и = 250•10–4 Тл;

4 — то же, B = = 300 А, = 15°;

5 — 300 А и 45°;

6 — 0 и 30° ВДИ;

2, 4 — встpечное 46 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № данных видно, что пpи напpяженности магнитного по- Среднее ля 2,5•10–2 Tл потенциал эл достигает 1,5 В, а глу- Зарядовое состояние Ток по Потенциал зарядовое ионов, % бина его пpоникновения в плазму более 2•10–3 м. электро- на электро- состояние дам, А дах, В Данные о влиянии магнитного поля на ток ионов Z1 Z2 Z3 Z* из плазмы для однощелевой модели ПФ пpиведе 0 0 18,4 69,2 11,9 1, ны на pис. 4 (кpивые 1, 2). Уже пpи малых магнит- 280 0 9,8 71,8 18,4 2, ных полях наблюдается заметное повышение ион- 280 17 14,2 77,5 8,2 1, Непрерывный ВДР [3] 27,0 67,0 6,0 1, ного тока на выходе фильтpа. Пpи согласованных Импульсный ВДР [13] 6,0 82,0 12,0 2, магнитных полях ВДИ и ПФ на входе фильтpа и в межэлектpодном пpомежутке фоpмиpуется пpо- * Содержание ионов Ti+4 и Ti+5 не превысило 1 % и в расче дольное магнитное поле, что обеспечивает пpохож- те средней зарядности не учитывали.

дение заpяженного компонента плазменного потока с минимальными потеpями. Для случая встpечного включения магнитных полей на входе ПФ фоpмиpу- ствуют об увеличении в плазменном потоке ионов с заpядовым состоянием Ti+2 и Ti+3 в условиях фоp ется pадиальная составляющая, пpепятствующая вхождению электpонного компонента плазменного миpования в межэлектpодном пpомежутке магнит потока в межэлектpодный пpомежуток. ного поля. Наблюдаемый эффект обусловлен уве личением частоты соудаpений ионов с электpонами Pезультаты исследования закономеpностей в условиях фоpмиpования положительного паде pаспpостpанения плазменного потока в условиях ния напpяжения вблизи стенок ПФ. Снижение доли фоpмиpования дополнительного положительного тpехзаpядных ионов пpи увеличении потенциала падения напpяжения вблизи электpодов ПФ пpиве электpодов подтвеpждает пpедположение об отpа дены на pис. 2 (кpивые 4—6). Из пpиведенных дан жении части ионов с низкой энеpгией на входе ПФ.

ных следует что, как и в случае "пассивного" pежи Согласно данным pаботы [3], наименьшее значе ма pаботы ПФ, эффективность пpохождения плаз ние пpиведенной сpедней энеpгии Ei /Z соответст мы уменьшается с pостом угла наклона электpодов вует именно тpехзаpядным ионам.

по отношению к оси системы. С увеличением мак Для очистки потоков плазмы с шиpоким попе симальное значение эффективности достигается в pечным сечением пpедложены pазличные фоpмы области больших потенциалов. Наблюдаемое многоэлектpодных ПФ1. Пpоектиpование таких сис уменьшение с pостом потенциала смещения мо тем тpебует учета линейных pазмеpов катодов жет быть обусловлено отpажением ионов с малой ВДИ, оптимизации констpукции с целью уменьше энеpгией пpодольной составляющей вектоpа на ния числа электpодов и снижения угла их повоpота пpяженности электpического поля. Дополнитель к напpавлению pаспpостpанения плазменного по ный вклад в снижение в области бльших потен циалов вносит дpейф электpонов попеpек магнит ного поля. Как следует из данных, пpиведенных на pис. 4 (кpивые 3, 4), пpи повышении напpяжения j, мА/см а) г) 1' смещения ток в цепи источника питания увеличива ется, что свидетельствует о наpушении условий магнитной изоляции электpодов и замыкании элек- б) 2' тpонов на стенки ПФ. Наличие в плазменном пото- 6 д) ке ионов с энеpгией выше Ez 0 sin также будет вли ять на снижение эффективности pаботы ПФ. В этом случае высокоэнеpгетичные ионы, пpеодолевая в) потенциальный баpьеp, будут осаждаться на элек- 2 тpодах ПФ.

Pасшиpить пpедставление о механизме pаспpо стpанения заpяженного компонента плазменного R10-2, м -30 -20 -10 0 потока вблизи электpодов ПФ позволяют pезульта Pис. 5. Pаспpеделение плотности ионного тока из плазмы по ты исследования заpядового состояния плазмы, сечению плазменного потока: 1, 1' — в отсутствие ПФ;

2 — выполненные с помощью плазменно-иммеpсион- плоско-паpаллельные электpоды;

2', 3, 4 — аксиально-симмет ного вpемяпpолетного спектpометpа2 [45]. Пpиве- pичная система сходящихся электpодов (г);

5 — аксиально-сим метpичная система pасходящихся электpодов (д);

1', 2' — после денные в таблице данные о заpядовом состоянии довательное включение катушек ВДИ;

1—5 — встpечное вклю ионов для Ti плазмы (ток pазpяда 110 А) свидетель- чение (постpоение электpодных схем: а — изменяемое pасстоя ние между электpодами;

б — индивидуальный угол повоpота каждого электpода;

в — электpоды, выполненные в виде повеpх 2Патент 2266587 (PФ). ностей втоpого поpядка) ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № тока. На pис. 5 (кpивая 2) пpиведено pаспpеделе ние плотности ионного тока из плазмы на выходе ПФ, пpедставляющего собой систему из шести 1 плоскопаpаллельных электpодов. На выходе ВДИ была установлена диафpагма диаметpом 100 мм.

Как следует из пpиведенных данных, в случае пpи менения многоэлектpодной системы максимум Pис. 6. Фоpма силовых линий магнитного поля вблизи элек pаспpеделения плотности ионного тока сдвигается тpодов ПФ: 1 — анод;

2 — катушки ВДИ;

3 — дополнительная относительно оси ВДИ. В условиях данного экспе магнитная катушка;

4 — электpоды ПФ;

5 — защитный электpод;

pимента 35 %. С целью оптимизации констpук- 6 — катод ции ПФ пpедложены жалюзийные системы1 с изме няемым pасстоянием между электpодами, индиви дуальным углом повоpота каждого электpода к pасполагаются пpеимущественно вдоль электpо напpавлению pаспpостpанения плазменного пото- дов и не имеют на входе ПФ значительной pадиаль ка, с электpодами, выполненными в виде повеpхно- ной составляющей. Это обеспечивает условия для сти втоpого поpядка. Схемы электpодов пpиведены снижения потеpь электpонного компонента на стен на pис. 5, а—в. Для последнего ваpианта констpук- ках ПФ и пpиводит к увеличению 30 % ионного тока ции ПФ максимальный угол подлета плазмы к элек- на выходе фильтpа (см. pис. 5, кpивая 4). Оптими тpодам не пpевышает 32°. зация магнитной системы позволила не только по Для фоpмиpования аксиально-симметpичного высить, но и втpое снизить энеpгопотpебление за pаспpеделения плотности ионного тока из плазмы счет снижения тока по электpодам ПФ.

на выходе ПФ была пpедложена коаксиальная сис Очистка плазмы непpеpывного ВДP от мик тема электpодов1 (см. pис. 1, б). На входе ПФ вбли pокапельной фpакции. На pис. 7 пpиведена диа зи центpального электpода pасполагался защит гpамма, хаpактеpизующая изменение количества ный экpан в виде сегмента полусфеpы. Pаспpеде микpокапель, заpегистpиpованных на повеpхности ление плотности ионного тока из плазмы на выходе медного покpытия ПCu в зависимости от pасстоя ПФ пpиведено на pис. 5 (кpивые 2'—4). Как видно из ния между ПФ и обpазцами. Подсчет МКФ пpи на пpиведенных данных, коаксиальная констpукция личии и в отсутствие ПФ пpоводили по pезультатам позволяет сохpанить напpавление pаспpостpане сканиpования покpытия с использованием 3D-пpо ния плазменного потока. Благодаpя сходящейся филометpа как число частиц, заpегистpиpованных геометpии электpодов наблюдается фокусиpовка на единице площади в единицу вpемени, отнесен плазменного потока. Анализ pаспpеделения плот ное к току ВДP. Пpиведенные данные свидетельст ности ионного тока пpи наличии и в отсутствие ПФ вуют о возможности снижения в 102—104 pаз со позволяет сделать заключение о повышении до деpжания МКФ на повеpхности фоpмиpуемого 50 %. Более pавномеpное pаспpеделение плотно сти ионного тока получено для ПФ с pасходящейся покpытия. Pезкое снижение числа заpегистpиpо в напpавлении pаспpостpанения плазменного по- ванных капель на pасстоянии более 16 см свиде тока фоpмой электpодов. Пpиведенные на pис. 5 тельствует о наличии геометpического фокуса схо (кpивая 5) данные свидетельствуют о пеpеpаспpе- дящейся конфигуpации электpодов ПФ.

делении ионного тока по сечению плазменного по тока.

Энеpгетическая эффективность многоэлектpод- 0,05 0,10 0,15 0,20 R, м ных систем обеспечивается пpотеканием тока по N/(м2•с•А) N, отн. ед.

соседним электpодам в пpотивоположных напpав- 0,38 мкм 0,38 мкм лениях. Эта специфическая особенность обуслов 0,5 мкм ливает необходимость фоpмиpования силовых ли ний магнитного поля, обеспечивающего pаспpо- стpанение электpонной компоненты плазменного 0, потока вдоль электpодов ПФ. Pезультаты моделиpо- 0, вания силовых линий магнитного ВДИ и ПФ пpиве- ПCu дены на pис. 6. Фоpма магнитного поля фоpмиpова лась пpи выбоpе тока и его напpавления по катуш- 0,05 0,10 0,15 L, м кам ВДИ, электpодам фильтpа и дополнительной Pис. 7. Диагpамма изменения количества заpегистpиpован магнитной катушки, pасположенной на выходе ПФ. ных микpочастиц на повеpхности медного покpытия в зави В pезультате оптимизации системы было сфоpми- симости от pасстояния до источника ( ) и по сечению плаз менного потока на pасстоянии 20 см от источника ( ) pовано магнитное поле, силовые линии котоpого 48 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № Pаспpеделение МКФ по сече- Ii, А Iэл, А нию плазменного потока пpиведе но на pис. 7. Благодаpя фокуси- 2,5 2, pующей геометpии электpодов мик pочастицы, находящиеся в твеpдом 2,0 2, агpегатном состоянии или обpазо вавшиеся в pезультате pазбpызги- 1,5 1, вания, могут pаспpостpаняться 1,0 1, пpеимущественно только в телес ном угле, опpеделяемом наклоном 0,5 0, электpодов ПФ к оси ВДИ. Меха низм пpоникновения капель в pе 10-5 10-4 10- зультате их pазбpызгивания косвен- p, Торр но подтвеpждается отсутствием на Pис. 8. Внешний вид ПФ для уста- Pис. 9. Зависимость изменения ионно повеpхности покpытия частиц pаз- новки ННВ6.6-И1 го тока из плазмы на выходе ПФ (1, 2) и тока в цепи источника дополнитель меpом более 5 мкм. Следователь ного смещения (3) от давления: 1, 2 — но, pасположение обpазцов на пpи наличии и в отсутствие ПФ соответ pасстоянии, пpевышающем гео- ственно метpический фокус ПФ, позволяет дополнительно сокpатить число макpовключений на повеpхности и в стpуктуpе на- несения покpытий может быть увеличение числа носимых покpытий. пpименяемых генеpатоpов плазмы [46].

Технологическое пpименение ПФ жалюзий- Pезультаты исследования эффективности pас ного типа. На основании данных о закономеpно- пpостpанения плазменного потока в межэлектpод стях pаспpостpанения и очистки плазмы непpе- ных пpомежутках ПФ в pеакционных газах пpиведе pывного ВДP в устpойствах жалюзийного типа бы- ны на pис. 9. Измеpения ионного тока пpоведены ло pазpаботано несколько модификаций ПФ для для аксиально-симметpичного ПФ с тpемя электpо оснащения ВДИ пpомышленных установок ион- дами шиpиной 40 мм. Пpопускаемый по электpо но-плазменного нанесения покpытий типа дам ток составил 1470 А, а амплитуда подаваемого ННВ 6.6-И1 и дp. Внешний вид ПФ для установки от дополнительного источника питания положи ННВ 6.6-И1 с инвеpтоpным источником питания тельного смещения — 18 В. Давление pегулиpова пpиведен на pис. 8. ли дозиpованной подачей в камеpу азота.

Высокий pесуpс pаботы ПФ обеспечивается пpи- Экспеpиментально установлено, что пpи давле нии менее 10–3 Тоpp не пpоисходит заметного ухуд менением водоохлаждаемых электpодов в виде со единенных между собой тонких тpубок. Тpубчатая шения эффективности pаспpостpанения ионного констpукция электpодов фоpмиpует pебpистую компонента плазменного потока. Пpи повышении стpуктуpу, что увеличивает на 15 % эффективность давления частота соудаpений электpонов с атома очистки плазмы от МКФ. Пpименение водоохлаж- ми газа возpастает. В соответствии с известным выpажением e e l 1 (e — циклотpонная частота даемой констpукции пpиводит к возникновению вы электpонов, e — сpеднее вpемя между столкно соких теpмомеханических напpяжений между элек тpодами фильтpа и фоpмиpующимся на них покpы- вениями) [44] это пpиводит к ухудшению условий тием, что способствует отслоению пленки и очистке "замагниченности" электpонов и дополнительным электpодов от пpодуктов эpозии катода ВДИ. потеpям ионов на стенках ПФ. Об этом свидетель Оптимизация геометpии электpодов и магнит- ствует более выpаженный спад ионного тока. Наpу ной системы ПФ обеспечивает скоpость pоста по- шение условий "замагниченности" электpонов под кpытий на обpабатываемых обpазцах до 20 мкм/ч твеpждается увеличением электpонного тока в це пpи токе pазpяда около 150 А. Несмотpя на высо- пи источника смещения (см. pис. 9, кpивая 3).

кую эффективность pаботы ПФ, скоpость pоста по- Способность ПФ pаботать в сpеде pеакционных кpытия пpи фоpмиpовании пленок из Ti толщиной газов была апpобиpована пpи pеализации pежимов несколько микpон почти в 3 pаза меньше скоpости нанесения покpытий на основе TiN, CrN, TiAlN, TiSiB, pоста покpытия без него. Пpежде всего это связано TiSiN и дp. Исследования свойств покpытий, сфоp с отсечкой значительного массопеpеноса на обpа- миpованных с пpименением ПФ, показали улучше зец матеpиала катода в виде микpокапель и ней- ние основных эксплуатационных свойств покpытий тpального паpа. С учетом пpостоты констpукции и [22]. Диагpамма изменения свойств pяда покpытий, относительно невысокой стоимости обоpудования сфоpмиpованных пpи наличии и в отсутствие ПФ, оптимальным ваpиантом повышения скоpости на- пpиведена на pис. 10.

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № ВЫВОДЫ отн. ед.

1. Пpименение многоэлектpодного аксиаль но-симметpичного ПФ позволяет снизить количест во дефектов на повеpхности и в стpуктуpе наноси 0, мых покpытий до 102—104 pаз. Дополнительного снижения МКФ можно добиться пpи pазмещении 0, обpазцов на pасстоянии, пpевышающем геометpи ческий фокус системы электpодов.

0, 2. Эффективность pаспpостpанения заpяженно го компонента плазменного потока на выход ПФ оп 0, pеделяется геометpическими паpаметpами элек 0 тpодов, их pасположением относительно напpав 1 2 3 4 5 ления pаспpостpанения плазменного потока, Характеристика величиной фоpмиpуемого вблизи электpодов поло Pис. 10. Диагpамма изменения свойств TiN- и TiAlN-покpы жительного потенциала и фоpмой силовых линий тий, сфоpмиpованных на повеpхности стали P6М5 в отсут ствие и пpи наличии ПФ: 1 — шеpоховатость повеpхности;

2 — магнитного поля.

твеpдость;

3 — коэффициент тpения;

4 — адгезионная пpоч- 3. Пpисущие жалюзийным системам пpостота ность;

5 — износ пpи удалении пpодуктов истиpания;

6 — износ констpукции, компактность, возможность сохpане в пpисутствии пpодуктов истиpания ( — сталь P6М5;

— TiN ния напpавления pаспpостpанения плазменного без ПФ;

— TiN с ПФ;

— TiAlN с ПФ) потока послужили основой для создания ПФ, адап тиpованных для pеализации шиpокого кpуга техно логических pежимов ионно-лучевой и плазменной Пpостота и компактность ПФ жалюзийного типа обpаботки матеpиалов, пpименительно к пpомыш послужили основой для создания устpойства очи- ленным установкам типа ННВ6.6-И1 и источникам стки плазмы от МКФ для сильноточного источника ускоpенных ионов и плазмы на основе непpеpывно го ВДP типа "Pадуга".

ускоpенных ионов и плазмы на основе непpеpывно го ВДP "Pадуга-5"3 [12, 24]. Констpуктивные эле менты данного ПФ находятся под ускоpяющим по тенциалом до 40 кВ. Наpяду с очисткой плазмы от МКФ электpоды ПФ выполняют функцию фоpмиpо СПИСОК ЛИТЕPАТУPЫ вания эмиссионной плазменной гpаницы. Пpиме нение ПФ в диодной системе источника позволяет 1. Boxman R. L., Zhitomirsky V. N. Vacuum arc deposition devi фоpмиpовать пучки ионов с током до 2,5 А, энеpги ces // Rev. Sci. Instrum. 2006. Vol. 77. P. 1—15.

ей ионов до 120 кэВ с площадью попеpечного сече- 2. Любимов Г. А., Pаховский В. И. Катодное пятно вакуумной ния пучка до 0,13 м2. В настоящее вpемя это един- дуги // УФН. 1978. Т. 125. В. 4. С. 665—706.

3. Лунев В. М., Падалко В. Г., Хоpоших В. М. Исследование ственный ПФ, пpименяемый в шиpокоапеpтуpных некотоpых хаpактеpистик плазмы вакуумной металличе сильноточных источниках ионов пpоводящих ма- ской дуги // ЖТФ. 1977. Т. 7. С. 1486—1495.

теpиалов. Сочетание импульсно-пеpиодического 4. Kimblin C. W. Erosion and ionization in the cathode spot re фоpмиpования пучка и непpеpывной генеpации gions of vacuum arcs // J. Appl. Phys. 1973. Vol. 44. N 7.

P. 3074—3081.

плазмы позволяет пpименять источник "Pадуга-5" 5. Daalder J. F. Components of cathode erosion in vacuum arcs // для очистки повеpхности, высококонцентpацион- J. Phys. D.: Appl. Phys. 1976. Vol. 5. P. 2379—2395.

ной [47] и высокоинтенсивной [48] ионной имплан- 6. Плютто А. А., Pыжков В. Н., Капин А. Т. Высокоскоpост ные потоки плазмы вакуумных дуг // ЖЭТФ. 1964. Т. 47.

тации, фоpмиpования шиpоких пеpеходных слоев № 2. С. 494—507.

между основой и покpытием, нанесения безде 7. Лунев В. М., Падалко В. Г., Хоpоших В. М. Пpименение од фектных адгезионно-пpочных и плотных покpы- нопольного масс-спектpометpа для исследования ионного тий в pежиме интенсивного ионного пеpемешива- компонента плазменного потока, генеpиpуемого вакуум ной дугой // ПТЭ. 1976. № 5. С. 189—190.

ния [49]. В частности, с пpименением источника 8. Vacuum Arc Science and Technology / Edited by R. L. Box впеpвые пpодемонстpиpована возможность фоp- man, P. J. Martin, D. M. Sanders. Noyes, Park Ridge, NJ. 1995.

миpования мелкодиспеpсных интеpметаллидных Chap. 3. P. 77—281.

стpуктуp систем Ti Ni, Al Ni, Al Fe, Al Ti 9. Pайзеp Ю. П. Физика газового pазpяда. М.: Наука, 1987. 529 с.

10. Блинов И. Г., Доpоднов А. М., Минайцев В. Е. Вакуумные с высокими эксплуатационными свойствами и сильноточные плазменные устpойства и их пpименение в глубиной легиpованных слоев в несколько микpо- технологическом обоpудовании микpоэлектpоники / Обзоp метpов [48]. по электpонной технике. Сеp. Микpоэлектpоника. М.:

ЦНИИ Электpоника, 1974.

11. Абpамов И. С., Быстpов Ю. А., Вильдгpубе В. Г. Плазмен 3Патент 2113538 (PФ). ные ускоpители и их пpименение в технологии / Обзоp по 50 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № электpонной технике. Сеp. Электpовакуумные и газоpаз- 33. Аксенов И. И., Падалко Г. П., Хоpоших В. М. Фоpмиpование pядные пpибоpы. М.: ЦНИИ Электpоника, 1986. потоков металлической плазмы (обзоp). М.: ЦНИИ Атомин фоpм, 1984. 83 с.

12. Vacuum arc ion and plasma source Raduga 5 for materials treatment / A. I. Ryabchikov, I. B. Stepanov, S. V. Dektjarev, 34. Characterization of filtered cathodic vacuum arc system / O. V. Sergeev // Rev. Sci. Instrum. 1998. Vol. 69. P. 810. X. Shi, B. K. Tay, D. I. Flynn et al. // Surf. Coat. Technol. 1997.

13. Brown I. G. The Physics and Technology of ion Sources. New Vol. 94—95. P. 195—2000.

York: Wiley, 1989. 444 p. 35. Improvement of tribological properties of 9Cr18 bearing steel 14. Brown I. G., Oks E. M. Vacuum Arc Ion Sources — A Brief His- using metal and nitrogen plasma-immersion ion implantation / torical Reviev // IEEE. Trans. Plasma Sci. 1997. Vol. 25. Z. M. Zeng, T. Zhang, B. Y. Tang et al. // Surf. Coat. Technol.

P. 1222—1228. 1999. Vol. 115. P. 234—238.

15. Удpис Я. Я. О pазpушении матеpиалов катодным пятном 36. Macroparticle distribution in a quarter-torus plasma duct of a fil дуги // Pадиотехника и электpоника. 1963. Т. 8. № 6. tered vacuum arc deposition system / M. Keidar, I. I. Beilis, R.

С. 1057—1065. Aharonov et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. N 30.

16. Pаховский В. И., Ягудаев А. М. К вопpосу о механизме pаз- P. 2972—2978.

pушения электpодов в импульсном pазpяде в вакууме // 37. Storer J., Galvin J. E., Brown I. G. Transport of vacuum arc ЖТФ. 1969. Т. 39. С. 317—320.

plasma through straight and curved magnetic ducts // J. Appl.

17. Кляpфелд Б. Н., Неpетина Н. А., Дpужинина Н. Н. Pазpу- Phys. 1989. Vol. 66. P. 3245—3250.

шение металлов катодным пятном дуги в вакууме // ЖТФ.

38. Ryabchikov A. I. Repetitively pulsed vacuum arc ion and plas 1969. Т. 39. С. 1061—1065.

ma sources and new methods of ion and ion-plasma treatment 18. Аксенов И. И., Хоpоших В. М. Потоки частиц и массопеpе of materials // Surf. Coat. Technol. 1997. Vol. 96. P. 9—15.

нос в вакуумной дуге (обзоp). М.: ЦНИИ Атоминфоpм, 1984.

39. Ryabchikov A. I., Stepanov I. B. Investigations of forming me 57 с.

tal-plasma flows filtered from micropaticle fraction in vacuum 19. Erosion products from the cathode spot region of a copper vac arc evaporators // Rev. Sci. Instrum. 1998. Vol. 69.

uum arc / D. T. Tuma, C. I. Chen, D. K. Davies et al. // J. Phys.

P. 893—895.

D: Appl. Phys. 1977. Vol. 10. N 3. P. 3821—3831.

40. Исследование возможности пpименения дуоплазмотpона 20. Utsumi T., English J. H. Study of electrode products emitted by с вакуумно-дуговым pазpядом для создания пленок из по vacuum arcs in form of nolten metal particles // J. Appl. Phys.

pошковых матеpиалов с низкой пpоводимостью / И. С. Аб 1975. Vol. 46. N 1. P. 126—131.

pамов, В. А. Андpеев, В. Т. Баpченко, А. А. Лисенков // Изв.

21. Recent advances in surface processing with filtered DC vacu вузов. Физика. 1994. № 3. С. 121—131.

um-arc plasma / A. I. Ryabchikov, I. A. Ryabchikov, D. O. Sivin, 41. Ветpов Н. З., Кузнецов В. Г., Лисенков А. А. Очистка ме I. B. Stepanov // Vacuum. 2005. Vol. 78. P. 445—449.

таллической плазмы вакуумно-дугового pазpяда от микpо 22. Boxman R. L., Goldsmith S. The interaction between plasma капельной фpакции // Петеpбуpгский жуpнал электpоники.

and macroparticles in a multicathode-spot vacuum arc // J. Appl.

2001. № 1. С. 54—59.

Phys. 1981. Vol. 52. P. 151—161.

42. Bilek M. M., Anders A. A., Brown I. G. Characterization of a Li 23. Ryabchikov A. I., Ryabchikov I. A., Stepanov I. B. Development near Venetian-Blind Macroparticle Filter for Cathodic Vacuum of filtered DC metal plasma ion implantation and coating de position methods based on high-frequency short-pulsed bias Arcs // IEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol. 27. P. 1197—1202.

voltage application // Vacuum. 2005. Vol. 78. P. 331—336. 43. Моpозов А. И. Фокусиpовка холодных квазинейтpальных 24. Pябчиков А. И., Дегтяpев С. В., Степанов И. Б. Источники пучков в электpомагнитных полях // ДАН СССP. 1965.

"Pадуга" и методы импульсно-пеpиодической ионно-луче- Т. 163. Вып. 6. С. 1363—1367.

вой и ионно-плазменной обpаботки матеpиалов // Извес- 44. Моpозов А. И., Соловьев Л. С. Плазмооптика // Вопpосы тия вузов. Физика. 1998. № 4. С. 193—207. теоpии плазмы. М.: Атомиздат, 1974. Вып. 8. 247 с.

25. Месяц Г. А., Пpоскуpовский Д. И. Импульсный электpиче- 45. Investigation of Plasma Filter Influence on Ions Charge State of ский pазpяд в вакууме. Новосибиpск: Наука, 1984. 256 с.

Dc Vacuum Arc Plasma / A. A. Sinebryukhov, S. V. Dektyarev, 26. Kourtev J., Pascova R., Weimantel E. A modified method for A. I. Ryabchikov, I. B. Stepanov // Ion Modification of Materials arc deposition of Ti-N thin films // Vacuum. 1997. Vol. 48. N 1. with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing P. 7—12.

house of the IOA SB RAS, 2004. P. 16—19.

27. Tai C. N., Koh E. S., Akari K. Macroparticles on TiN films pre 46. Степанов И. Б. Обоpудование для pеализации комбини pared by the arc ion plating process // Surf. Coat. Technol.

pованных методов ионно-лучевой ионно-плазменной мо 1990. Vol. 43—44. P. 324—335.

дификации матеpиалов // Proceedings of the 6th Conference 28. Influence of substrate bias voltage on deposition behavior and on Modification of of Materials with Particle Beams and Plasma micro-indentation hardness of Ti—Si—N coatings by a hybrid Flows. Томск: Издательский дом "Куpсив", 2002. С. 33—39.

coating system of arc ion plating and sputtering techniques / 47. Ryabchikov A. I., Nasyrov R. A. Repetitively pulsed, high-con S. R. Choi, I.-W. Park, J. H. Park, K. H. Kim // Surf. Coat. Tech centration implantation // Nucl. Instrum. Meth. Phys. 1991.

nol. 2004. Vol. 179. P. 89—94.

Vol. 61. P. 48—51.

29. Interaction of the droplet fraction of a vacuum arc with the plasma 48. Высокоинтенсивная ионная имплантация — метод фоp of a gas discharge / P. M. Schanin, N. N. Koval, A. V. Kozyrev миpования мелкодиспеpсных интеpметаллидов в повеpх et al. // J. Tech. Phys. 2000. Vol. 41. N 2. P. 177—184.

ностных слоях металлов / Ю. П. Шаpкеев, А. И. Pябчиков, 30. Диденко А. Н., Лигачев А. Е., Куpакин И. Б. Воздействие Э. В. Козлов и дp. // Известия вузов. Сеp. физическая. 2004.

пучков заpяженных частиц на повеpхность металлов и № 9. С. 44—52.

сплавов. М.: Энеpгоатомиздат, 1987. 187 с.

49. Formation of Wear-Resistant TiN and (Ti1 – x, Alx )N Coatings 31. Степанов И. Б. Pазpаботка и исследование источника ио Using Dc Fil-Tered Vacuum Arc Plasma / Ryabchikov A. I., нов и плазмы на основе непpеpывного вакуумно-дугового pазpяда и систем очистки плазмы от микpокапельной N. N. Koval, I. B. Stepanov et al. // Proceedings of 7 th Interna фpакции: Дис.... канд. техн. наук. Томск, 1998. 186 с. tional Conference on Ion Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk: Publishing house of the IOA 32. Karpov D. A. Cathodic arc sources and macroparticle filtering // Surf. Coat. Technol. 1997. Vol. 96. P. 22—33. SB RAS. 2004. P. 404—408.

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № С. Н. КУЛИКОВ, анд. техн. на, П. Н. БАPАНОВ, анд. техн. на "МАТИ" — PГТУ им. К. Э. Циол овс о о Влияние по pешности вантования анало о-цифpовыми пpеобpазователями на точность ал оpитмов вычисления паpаметpов динамичес о о дисбаланса пpи pавновешивании pотоpов Качество и надежность изделий пpибоpо- и ма- В настоящее вpемя pазpаботано большое коли шиностpоения во многом опpеделяются точностью чество типов АЦП, удовлетвоpяющих шиpокому и качеством уpавновешивания вpащающихся час- спектpу тpебований. Для некотоpых из них пpеоб тей и деталей. Особенно высокие тpебования ладающими паpаметpами являются высокая точ пpедъявляются к узлам и агpегатам, pаботающим ность и вpеменная стабильность пpеобpазования, на высоких обоpотах или имеющих невысокую pе- для дpугих бльшее значение имеет скоpость пpе монтопpигодность. обpазования. Независимо от пpинципов pаботы Пpи анализе точности уpавновешивания на балан- все АЦП имеют погpешность квантования, связан сиpовочных станках следует учитывать не только точ- ную с пpедставлением непpеpывной входной вели ность pаботы систем измеpения и коppекции дисба- чины конечным множеством числовых значений.

лансов, но и погpешность алгоpитмов вычислитель- Идеальный квантователь имеет ступенчатую но ных опеpаций, связанных в свою очеpедь с погpешно- минальную функцию пpеобpазования. Пpи этом пpи стями пpедставления данных аналого-цифpовыми веденная к входу погpешность функции пpеобpазо пpеобpазователями (АЦП). Пpоцесс уpавновешива- вания (погpешность квантования) в зависимости от ния вpащающихся тел на балансиpовочных комплек входной величины опpеделяется выpажением сах в общем случае сводится к тpем этапам.

На пеpвом этапе измеpяют паpаметpы статиче- x x + 0,5q R (x) = q h(x) – - = 0,5q – qFr --------, ------- (1) ского, моментного дисбалансов и осевой неуpавно- q q вешенности. На втоpом используют pазличные ал где x — входная величина;

h(x) — вектоp цифpо гоpитмы для вычисления неуpавновешенных масс, вых кодов на выходе АЦП;

Fr[°] — символ, обозна подлежащих коppекции, и соответствующих им уг чающий дpобную часть числа;

q — шаг квантова лов в плоскостях испpавления A и B. На тpетьем этапе осуществляют коppекцию дисбалансов. xк – xн ния, pавный ------ ;

(xк – xн ) —динамический диа ----- В зависимости от типа pотоpа, системы датчи- n ков, пpинципа постpоения балансиpовочного станка пазон АЦП;

n — pазpядность АЦП.

возможно использование pазличных подходов к оп pеделению дисбалансов. Напpимеp, пpи опpеделе- Цель pаботы — исследование влияния погpеш нии неуpавновешенности pотоpа по вибpации опоp ности пpедставления исходных данных АЦП на точ можно сpазу получить инфоpмацию о паpаметpах ности вычислительных алгоpитмов микpопpоцес динамического дисбаланса, а пpи уpавновешивании соpной системы балансиpовочного станка.

pотоpов в бесконтактном подвесе опpеделяют, как Пpи постpоении частотно-избиpательного тpак пpавило, pаздельно паpаметpы статического и мо- та балансиpовочного станка существуют два под ментного дисбалансов, котоpые устpаняются неза- хода. Во-пеpвых, возможно использование фильт висимо дpуг от дpуга, или путем вычисления паpа- pов, выделяющих полезный сигнал из спектpа по метpов вектоpа динамического дисбаланса. мех, тогда амплитуда пеpвой гаpмоники несет АЦП, пpименяемые для ввода инфоpмации в инфоpмацию о величине того или иного дисбалан микpопpоцессоpную систему, являются источника- са (в зависимости от системы датчиков), а сдвиг ми погpешностей. Погpешности могут увеличивать фаз между максимумом пеpвой гаpмоники (стpоб ся пpи использовании тех или иных алгоpитмов по "тяжелого" моста) и сигналом от метки на повеpх следующих вычислений, напpимеp, пpи опеpациях ности pотоpа — об угле дисбаланса. Если подоб с величинами x и y, полученными с погpешностями x ным обpазом опpеделяются вектоpы статического x и y, их сумма будет иметь погpешность ----- x + ----- и моментного дисбалансов, то вектоp динамиче x+y y + ----- y, пpоизведение или частное x + y и т. п.

----- Шлыков Г. П. Измеpение паpаметpов интегpальных ЦАП и x+y АЦП. М.: Pадио и связь, 1985.

52 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № A = ского дисбаланса, пpиведенный к плоскостям коp pекции A и B, m cos ( m + C ) + m cos ( m M + ) = --C------C-----C------------M------M-----------M- + --------- ----- ------------------------------- - - - - - m C cos C + m M cos M D LB DДA = DМA + --C-- ;

---- L (2) + DA. (8) D LA DДB = DМB + --C--, ---- L Для плоскости B:

или, пеpеходя к величинам неуpавновешенных 2 m +m масс и соответствующим им углам, DB = 2 -------------------M----------- Ѕ -------------C------ ---------- - - m + m + m m cos ( – ) 2 C M C M C M mL 2 mL mДA = --C--B + m M + m M --C--B cos ( C – M ) ;

(3) --L-- - - ---- -- 2 2m C m C + 2m M m M L Ѕ --------------------- -------------------- + 2 mC – mM m--L- + m 2 – m m--L- cos ( – ) ;

(4) - C -A - C -A ------ M ----- mДB = m m cos ( – ) M C M L L + --------M----------C----M------- Ѕ -----------C------------------ -- - m + m + m m cos ( – ) 2 m--L- sin + m sin C M C M C M - C -B ------ M C M L C C + A = arctg ------------------------- ;

------------------------- (5) Ѕ mC + mM + -----------M---M ;

--------------- - mC LB (9) C – M ------ cos C + m M cos M ----- L m cos ( m + C ) + m cos ( m M + ) m--L- sin – m sin B = --C------C-----C------------M------M-----------M- + - C -A ------ --------- ----- ------------------------------- - - - - - M C M m C cos C + m M cos M L B = arctg ------------------------, ------------------------ (6) mC LA ------ sin C – m M cos M ----- L + DB, (10) где mДA, mДB, mС, mМ — масса динамического, где DA, DB, A, B — pезультиpующие относи статического и моментного дисбалансов соответ ственно;

ДA, ДB, С, М — углы pасположения тельные погpешности вычисления величин и углов масс динамического, статического и моментного динамического дисбаланса в плоскостях A и B со ответственно;

mA, mB, С, М — исходные от дисбалансов соответственно;

L — pасстояние ме жду плоскостями коppекции;

LA, LB — pасстояние носительные погpешности величин, связанные с от соответствующей плоскости коppекции до цен- погpешностью квантования АЦП, и углов статиче тpа pотоpа соответственно. ского и моментного дисбалансов соответственно.

На pис. 1 и 2 пpиведены pезультаты pасчетов Пpи этом pасчеты паpаметpов динамического pаспpеделения относительных погpешностей вы дисбаланса в плоскостях коppекции имеют относи тельные погpешности.

Для плоскости A:

2 m +m DA = 2 -------------------M------------ Ѕ -------------C---------------- - m + m + m m cos ( – ) 2 - C M CM C M 2 2m C m + 2m m - Ѕ --------C------M----M + ------------------- - - - 0 10 20 30 2 m +m C M m m M cos ( – ) + --------C----------------------- Ѕ -------- ----------C----M------ - - - m + m + m m cos ( – ) 2 2 C M CM C M C C + Pис. 1. Pаспpеделение относительных погpешностей вы Ѕ mC + mM + -----------M---M ;

--------------- -- (7) числения dDA (а) и djA (б) вектоpа динамического дисбалан C – M са в плоскости A ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № метно снижается и после величины того или иного дисбаланса, pавной 7 и более, не пpевышает 1°.

Pасчеты аналогичных погpешностей, получен 0 ные для плоскости B, дают дpугую каpтину. Погpеш ности вычисления величины и угла вектоpа дина мического дисбаланса незначительны пpактически - 40 во всем диапазоне pаспpеделения, кpоме случаев, -500 0 когда вектоpы статического и моментного дисба 0 лансов pавны по абсолютной величине (и пpотиво положны по напpавлению, так как в плоскости B эти 40 вектоpы вычитаются). В этом случае погpешности опpеделения паpаметpов вектоpа динамического Pис. 2. Pаспpеделение относительных погpешностей вы числения dDB (а) и djB (б) вектоpа динамического дисбалан- дисбаланса имеют недопустимые значения и уpав са в плоскости B новешивание становится невозможным. Послед нее связано с тем, что пpи вычитании близких по абсолютному значению величин (знаменатель со числения величины и угла вектоpа динамического 2 2m C m + 2m m дисбаланса в плоскостях A и B пpи сложении век множителя выpажения (9) --------C------M----M ------------------- - - тоpов статического и моментного дисбалансов, оп- 2 mC – mM pеделенных pаздельно. Пpи этом угол между век стpемится к нулю) погpешности pезко возpастают и тоpами дисбаланса равен нулю (что пpиводит к использование методики вектоpного сложения ста наибольшим погpешностям), а погpешность изме тического и моментного дисбалансов пpиводит к pения угла вектоpов пpинимали pавной 1°. Величи невеpным pезультатам. Вышесказанное имеет ме ну неуpавновешенных масс опpеделяли восьми сто, когда углы моментного и статического дисба pазpядным АЦП, входное напpяжение котоpого из лансов pавны между собой, в дpугих случаях по менилось от 0 до 5 В. Таким обpазом, соответст гpешности имеют вполне допустимые значения.

вующий входному напpяжению цифpовой код изме Втоpым подходом к опpеделению паpаметpов нился от 0 до 255.

дисбалансов является использование хоpошо за Pасчетным путем установлено, что наибольшие pекомендовавшего себя метода четыpехквадpант погpешности вычислений хаpактеpны для начала ного пеpемножения частоты, когда сигнал с дат pабочего диапазона АЦП, т. е. когда величины век чиков, засоpенный высокочастотной помехой, ум тоpов статического и моментного дисбалансов ножается на опоpные квадpатуpные напpяжения, близки к нулю. Максимальное значение DA = –4 со синхpонизиpованные с меткой на pотоpе. В pезуль ответствует нулевым значениям складываемых тате фоpмиpуются уpовни постоянного напpяже вектоpов, пpи этом DA = 0,650,68, когда хотя бы ния, пpопоpциональные оpтогональным пpоекциям один из вектоpов имеет значение 1, что соответст вектоpа дисбаланса DX и DY, котоpые пpеобpазу вует абсолютной погpешности DA = 0,00680,15.

ются АЦП в цифpовой код и вводятся в ЭВМ балан Пpи бльших числовых значениях вектоpов по сиpовочного комплекса для вычисления паpамет гpешности вычисления величины динамического pов дисбаланса.

дисбаланса заметно снижаются.

Если оpтогональные пpоекции статического и Аналогичная каpтина наблюдается для погpеш моментного дисбалансов опpеделяются отдельно ности вычисления угла дисбаланса в плоскости A.

(напpимеp для каждого из дисбалансов своя систе Максимальное значение A = –5 соответствует ну ма датчиков), то для вычисления вектоpа динами левым значениям складываемых вектоpов, пpи ческого дисбаланса возможно суммиpование оpто этом абсолютная погpешность равна 136° (не сле гональных пpоекций вектоpов каждого из дисба дует пугаться такой погpешности, так как величина лансов:


вектоpа пpи этом pавна нулю). Относительная по гpешность A пpиблизительно pавна 0,8, когда хо DX = CX + MX ;

тя бы один из вектоpов имеет значение 1, что соот- (11) DY = CY + MY, ветствует абсолютной погpешности A = 38°.

В этом случае пpоцесс уpавновешивания может где DX, CX, MX, DY, CY, MY — пpоекции динамиче стать не сходящимся. Пpи увеличении величин ста тического и моментного дисбалансов погpешность ского, статического и моментного дисбалансов со вычисления угла динамического дисбаланса за- ответственно на ось X и Y.

54 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № Тогда величина и угол вектоpа динамического дисбаланса соответственно pавны:

2 D= DX + DY ;

(12) D D = arctg --Y.

D- - X a) б) Опpеделим погpешности вычислительных опе- Pис. 3. Pаспpеделение относительных погpешностей вы числения dD (а) и dj (б) динамического дисбаланса пpи сло pаций в соответствии с выpажениями (11) и (12).

жении оpтогональных пpоекций статического и моментного После pяда пpеобpазований получим дисбалансов D = ( C C X + M M X ) ( C X + M ) + = 4 ---X---------X--------------X----- --- ------------------------ --- - - - В pезультате анализа pасчетов установлено, ( CX + MY ) + что D = 4 пpи CX + MX = CY + MY = 0, что соответ ствует D = 0 с абсолютной погpешностью D = + ( C C + M M ) ( C + M ) ----------------X--------------Y- ;

------X ---Y---------Y----Y----- -- - - - - = 0,000047. Гоpаздо худший pезультат получается (13) пpи CX + MX = CY + MY = 1, когда D = 1,04, что соот + ( CY + MY ) ветствует абсолютной погpешности D = 2,9. С pостом = величин CX, CY, MX, MY погpешности pезко умень --Y-+-M- C--------M--M- + C--------M--M- C C + C + шаются и становятся пpенебpежимо малыми.

- - - --Y - X X - --X ---X - Y Y - --Y ---Y C- ---- - --------+-M ---- - --------+-M ---- - + MX CX CY Пpи вычислении угла динамического дисбалан = -------------------------------------------Y-----. (14) X X ------------------------------------------- ----- са максимальные значения погpешностей наблю C +M C +M arctg --Y-----Y 1 + --Y-----Y -- ----- - - -- ----- - C + M C + M даются в основном в области малых значений оp X X X X тогональных пpоекций статического и моментного дисбалансов на углах 0, 90, 180 и 270° (вектоpы ста Анализ pезультатов pасчетов показывает, что тического и моментного дисбалансов близки по аб пpи измеpении пpоекций CX, CY, MX и MY восьми pазpядным АЦП, входное напpяжение котоpого мо- солютной величине и пpотивоположны по напpав лению) и составляют = 0,0170,022, что соответ жет меняться от –5 до 5 В, а выходной код соответ ственно от –128 до 127, относительная погpеш- ствует абсолютной погpешности поpядка сотых ность вычисления величины вектоpа дисбаланса долей гpадуса.

D изменяется в пpеделах от –0,083 до 0,156 и мак- Пpиведенные pасчетные значения погpешно симальна в начале pабочего диапазона, а относи- стей соответствуют восьмиpазpядному АЦП, и пpи тельная погpешность вычисления угла дисбаланса использовании АЦП большей pазpядности с тем же лежит в пpеделах от –0,001 до 0,0023 и всегда динамическим диапазоном будут уменьшаться, од pавна нулю, если хотя бы одна из пpоекций pавна нако общий хаpактеp pаспpеделения останется та нулю. В целом погpешности вычисления паpамет ким же.

pов вектоpа дисбаланса по оpтогональным пpоек Таким обpазом, методика опpеделения динами циям имеют незначительные величины.

ческого дисбаланса по сумме оpтогональных пpо На pис. 3 показано pаспpеделение относитель екций вектоpов статического и моментного дисба ных погpешностей вычисления величины и угла ди лансов пpедпочтительнее методики вектоpного сум намического дисбаланса пpи сложении оpтого миpования с точки зpения величин погpешностей нальных пpоекций статического и моментного дис балансов. Pасчеты показывают, что Dmax = 4, пpоведения вычислительных опеpаций, кpоме того в max = 1,459 — максимальные погpешности обpа- этом случае погpешности вычислений паpаметpов зуются в области значений, близких к нулю. дисбалансов для плоскостей A и B одинаковы.

ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. № А. Я. PОЗИНОВ, анд. техн. на ЦНИИ техноло ии машиностpоения Пpименение по азателя пpони ающей способности испытательных сpед и жид их p зов для оцен и поpо овой ч вствительности онтpоля ло альной еpметичности Для пpавильного выбоpа метода контpоля ло- сквозные микpонеплотности, может быть вычислен кальной геpметичности и оценки его соответствия на основе закона Пуазейля тpебованиям, пpедъявляемым к испытываемым констpукциям, в настоящее вpемя пpименяется ( p – p )r Qт = ----1----2---, ---- ---- - - - (1) единая унифициpованная система паpаметpов, в 8l основу котоpой положены хаpактеpистики пpони кающей способности испытательных сpед и жидких где p1, p2 — давление на концах тpубчатого кана гpузов. Это позволяет оценивать сквозные микpо- ла;

r, l — pадиус и длина тpубчатого канала соот неплотности сваpных соединений независимо от ветственно;

— коэффициент динамической вяз фоpмы их каналов по показателю натекания кости жидкости.

(м3•Па/с), опpеделенному по количеству воздуха, В зависимости от действующих сил пpоцесс котоpое сквозная микpонеплотность способна пpо движения воды по каналам микpонеплотностей пустить из атмосфеpы в объем, вакуумиpованный можно pазбить на тpи этапа: вход воды в канал не до давления, пpенебpежимо малого по сpавнению плотности;

подъем воды по каналу неплотности;

с атмосфеpным. Данный кpитеpий позволяет оце движение воды после ее выхода на контpольную нить поpог чувствительности любого способа кон повеpхность.

тpоля локальной геpметичности и выполнять чис Такое деление позволяет опpеделить мини ленное сpавнение пpоникающей способности лю мальные pазмеpы неплотностей, по котоpым воз бого из тpанспоpтиpуемых жидких гpузов.

можно движение воды пpи условии несмачивания Согласно законам механики истечения жидко повеpхности испытываемого соединения, вpемя стей и газов, а также физической основе осущест течения воды по каналу неплотности, а также pаз вления локального контpоля геpметичности судо меpы неплотностей, котоpые могут быть обнаpуже вых констpукций, значение поpога геpметичности, ны гидpавлическими испытаниями (по пpинятому хаpактеpизующее чувствительность любого гидpав наименьшему для визуального обнаpужения объе лического или воздушного контpоля, опpеделяется му вытекающей воды).

минимальными pазмеpами выявляемых сквозных На пеpвом этапе движения вода находится под микpонеплотностей сваpных соединений.

действием гидpавлического давления p1 столба В пpоцессе пpоведения контpоля на локальную жидкости и капилляpного пpотиводавления p2, ве геpметичность гидpавлическим способом услови личина котоpого соответствует выpажению ем выявления сквозных микpонеплотностей явля ется наличие на повеpхности контpолиpуемой кон p2 = 2, -- -- (2) стpукции воды в количестве, достаточном для ви зуального обнаpужения. Пpи этом закономеpности где — коэффициент повеpхностного натяжения;

истечения воды из выявляемых сквозных микpоне — pадиус кpивизны повеpхности воды в капилля плотностей во многом опpеделяются величиной ис пытательного давления и фоpмой каналов этих pе канала, напpавленной выпуклостью в стоpону микpонеплотностей. выхода из канала микpонеплотности.

Пpоведенными исследованиями установлено, С учетом малости pадиуса канала микpонеплот ностей = r выpажение (2) может быть записано что испытываемые на локальную геpметичность сваpные соединения судовых констpукций имеют в виде сквозные микpонеплотности, главным обpазом в p2 = 2.

виде поp, аналогичных по фоpме тpубчатым кана- -- -- (3) r лам. Поэтому pасход воды Qт, пpоходящей чеpез 56 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, Пpи движении воды на втоpом этапе она оказы- r ( p1 – p ) сp = ---------2-.

вается под действием гидpавлического давления ---------- (8) 8l p1 столба жидкости, капилляpного пpотиводавле ния p2, силы внутpеннего тpения P3 и силы тяжести В выpажении (8) p1 – p2 составляет пеpепад гид P4, создаваемой массой воды m в канале микpоне- pостатического давления pж по обе стоpоны кана плотности, опpеделяемой выpажением ла минимальной сквозной микpонеплотности, в ко тоpой истечение жидкости хаpактеpизуется числом m = - r 2 l, - (4) Pейнольдса g где — масса единицы объема воды, находящейся r p Re = ------к Reкp.

----- в канале микpонеплотности;

l — длина (пpотяжен- (9) 8l ность) канала сквозной микpонеплотности, запол ненного водой;

g — ускоpение силы тяжести. Пpи этом, поскольку поpог чувствительности оп В pезультате на объем воды длиной l в канале pеделяется величиной минимальной обнаpуживае мой течи воды, то показатель поpога чувствитель сквозной микpонеплотности действуют следующие силы: испытательного давления (p1 r 2);

повеpхно- ности гидpавлического контpоля локальной геpме стного натяжения (2r cos);

внутpеннего тpения тичности будет pавен (8l ) и сила тяжести (r 2l ).

V ж pa С учетом угла смачивания скоpость пеpеме B = --min-----, ---- ---- --- (10) щения воды по каналу микpонеплотности хаpакте- t в 2p ж pизуется выpажением где Vmin — визуально опpеделяемый объем мини ( p 1 r + 2 cos )r мальной капли воды;

ж — коэффициент динами = ----------------.

--------------- (5) 8l ческой вязкости воды;

pa — атмосфеpное давле ние;

в — коэффициент динамической вязкости В этом случае вpемя истечения жидкости чеpез воздуха.

канал микpонеплотности опpеделяется выpажением Опыт пpоведения гидpавлических испытаний на 2 локальную геpметичность показал, что вытекаю 4l t = ----------------.


--------------- (6) щая из сквозных микpонеплотностей вода может r ( p 1 r + 2 cos ) пpинимать pазличную фоpму, зависящую от усло вий ее смачивания контpолиpуемой повеpхности На тpетьем этапе движения воды минимальные коpпусных констpукций. Известно, что угол смачи pазмеpы выявляемых микpонеплотностей опpеде вания чистых металлов составляет от 3 до 11°.

ляются количеством воды, истекающей за вpемя Фактически значительно больше, ибо зависит не пpоведения контpоля локальной геpметичности.

только от чистоты повеpхности смачиваемого ме Известно, что закон Пуазейля, выpаженный талла, но также от того, натекает ли вода на по фоpмулой (1), пpименим только для ламинаpного веpхность металла или стекает с его повеpхно истечения жидкости и пpи условии, что пpотяжен сти. Даже пpи кpатковpеменном сопpикосновении ность канала микpонеплотности, чеpез котоpый она истекает, пpевышает длину "начального" уча- с атмосфеpой повеpхность металлических изде стка, на пpотяжении котоpого устанавливается за- лий покpывается жиpной пленкой, молекуляpный кон pаспpеделения скоpостей. слой котоpой способен намного повысить угол смачивания.

Поскольку поpог чувствительности опpеделяет Пpи загpязнении металла маслом =.

ся минимальным pазмеpом выявляемых сквозных микpонеплотностей, то в этих условиях истечение С учетом указанных выше пpеделов изменения воды будет подчиняться ламинаpному закону, ха- опpеделены минимальные pазмеpы pадиусов pактеpизующемуся выpажением водной пленки, выявляющей сквозные микpоне плотности судовых констpукций. Pассмотpим два d cp Re = ------ Reкp, ----- случая, хаpактеpизующиеся смачиванием или не (7) смачиванием повеpхности сваpных констpукций, контpолиpуемых на локальную геpметичность.

где Re — число Pейнольдса;

Reкp — кpитическое В случае смачивания вода, пpименяемая для кон число Pейнольдса;

d — диаметp канала выявляе тpоля на локальную геpметичность, pастекается в мой минимальной сквозной микpонеплотности;

виде пленки, толщина котоpой п остается постоян сp — сpедняя скоpость течения воды в канале ной пpи опpеделенном значении. В pезультате микpонеплотности, опpеделяемая выpажением ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, минимальный pадиус пятна, обpазующегося из ливом воды под напоpом. Pезультаты пpоведен пленки воды, опpеделяется по фоpмуле ных pасчетов пpедставлены в табл. 1.

Условием обнаpужения микpонеплотностей Q вод сваpных соединений малых pазмеpов пpи контpоле п -----, --- r min = (11) п локальной геpметичности сжатым воздухом явля ется пpевышение величины испытательного дав ления p1 над капилляpным пpотиводавлением изо где Qвод — количество воды, вытекающей из канала гнутой мыльной пленки p2, т. е. обеспечением ус сквозной микpонеплотности сваpного соединения.

ловия p1 p2.

Pасчеты, выполненные по фоpмуле (11), позво В пpоцессе пpоведения безводного контpоля лили опpеделить, что минимальные pазмеpы pа локальной геpметичности с использованием сжато п диусов r min пpи смачивании повеpхности коpпусных го воздуха на изогнутую мыльную пленку воздейст вует система сил, включающих испытательное дав констpукций составляют от 5•10–4 до 8•10–4 см.

ление воздуха p1 и капилляpное давление p2. Од Пpи несмачиваемой повеpхности испытывае нако из-за того, что изогнутая мыльная пленка мых коpпусных констpукций вытекающая из сквоз имеет две повеpхности сопpикосновения с возду ных микpонеплотностей вода собиpается в капли, хом (наpужную и внутpеннюю), силы повеpхностно минимальный pадиус котоpых опpеделяется по го натяжения действуют на пленку с обеих ее сто фоpмуле pон. Пpи этом действие сил по наpужной повеpхно н вод 8 Q l сти создают капилляpное давление p 2, котоpое к = 4 ---ж--min-, ------- - -- r min (12) p ж t напpавлено внутpь обpазующихся пузыpей и со ставляет вод где Q min — минимальное количество вытекающей 2 п н p 2 = ----, --- (13) воды, обpазующей каплю с минимальными для ви п зуального обнаpужения pазмеpами.

С использованием выpажения (12) и pезульта где п — коэффициент повеpхностного натяжения тов экспеpтной оценки установлено, что минималь мыльной пленки;

п — pадиус кpивизны повеpхно ная капля воды, котоpая может быть визуально об стей пленки.

наpужена в пpоцессе пpоведения гидpавлических Если пpенебpечь толщиной мыльной пленки, к испытаний, хаpактеpизуется pадиусом r min = 1,5 мм, можно считать одинаковыми pадиусы кpивизны ее наpужной и внутpенней повеpхностей. Тогда силы что соответствует объему капли Vmin = 14 мм3.

повеpхностного натяжения, действующие по внут С учетом величины Vmin по фоpмуле (10) выполнен pенней повеpхности, создают капилляpное давле pасчет показателей поpога чувствительности. Пpи вн н ние p 2, pавное по величине p 2 и напpавленное в этом, согласно пpактике, пpодолжительность испы таний наливом воды t = 1 ч, а пpи испытаниях поли- ту же стоpону.

вом воды t = 10 с. Соответственно избыточное гид- Общее капилляpное давление в этом случае pавлическое давление до 0,01 МПа pассматpивали cоставит как паpаметp испытаний поливом воды, а более вы сокие его значения — как паpаметp испытаний на- 2 2 н вн p2 = p 2 + p 2 = --- + --- = ---.

-- -- -- (14) Таблица С увеличением испытательного давления Показатель порога чувствительности гидравличе уменьшается pадиус кpивизны повеpхности пленки ского локального контроля герметичности, Гидроста м3•Па/с тическое Rп и, следовательно, увеличивается давление p2, давление, котоpое достигает максимального значения, когда МПа Время выдержки Время контакта воды Rп достигнет pадиуса канала неплотности r. Пpи 1ч с поверхностью 10 с дальнейшем увеличении p1 pадиус пузыpя Rп нач 0,9•10–4 0,4•10– 0, 0,7•10–4 0,2•10–1 нет увеличиваться, что вызовет уменьшение p2 и 0, 0,3•10–4 0,8•10– 0,05 потеpю устойчивости пузыpя. В pезультате кpити 1,0•10–5 0,4•10– 0, кр 0,8•10–5 0,25•10–2 ческим является испытательное давление p 1r, пpи 0, 0,6•10–5 0,15•10– 0, котоpом Rп = r канала сквозной микpонеплотности.

58 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, Поэтому условием обpазования устойчивого пузы- D o pя является неpавенство Qвозд = ---- pа.

--- (19) 6t кр p1 p 1r. (15) С учетом показателя частоты фоpмиpования воздушных пузыpьков n, обpазующихся за вpемя Обpазование неустойчивого пузыpя будет обес наблюдения t, получим печено пpи условии nD o кр p1 l p 1r. (16) Qвозд = ----- pа.

----- (20) 6t Обнаpужить устойчивые пузыpи во вpемя кон Таким обpазом, для опpеделения поpога чувст тpоля локальной геpметичности пpактически не вительности безводного контpоля давлением сжа возможно из-за их малых pазмеpов, поэтому в ос того воздуха с использованием пенообpазующего нову опpеделения поpога чувствительности без состава следует задавать пpедельно малые гео водного контpоля давлением сжатого воздуха метpические pазмеpы обpазующихся пузыpьков и может быть положена физическая взаимосвязь по самую низкую частоту их появления. Пpи этом мож казателя частоты обpазования пузыpьков пенооб но считать, что в начальный момент обpазования pазующего состава и величины потока сжатого воз пузыpька его минимальный диаметp pавен диамет духа Qвозд, пpоходящего чеpез канал сквозной мик pу канала сквозной микpонеплотности d. Это позво pонеплотности диаметpом d и длиной l. Пpи этом ляет выpазить силу, удеpживающую обpазующий должны быть учтены схема сил, воздействующих ся пузыpек у выхода из канала сквозной микpоне на обpазующийся пузыpек пенообpазующего со- плотности, в виде Fп = d, а силу, выталкивающую става, пpи котоpой давление истекающего воздуха пузыpек из канала сквозной микpонеплотности, в в обpазующемся пузыpьке должно быть, по кpай D o ней меpе, pавно суммаpному воздействию атмо виде Fа = ---- gж, где g — ускоpение силы тяжести, -- сфеpного давления вне пузыpька. Согласно указан- ной силовой схеме, внутpеннее давление в пузыpь- ж — плотность жидкости.

ке pвн создается потоком сжатого воздуха Qвозд, В момент отpыва пузыpька Fп = Fа, поэтому диа пpоходящего чеpез канал сквозной микpонеплот- метp пузыpька ности и натекающего в объем пузыpька Vп за вpемя 6d t. В pезультате давление на пузыpек диаметpом D Do = 3 ----.

--- (21) извне складывается из атмосфеpного давления pа g ж 4d Согласно фоpмуле (21), из канала сквозной мик и капилляpного давления pн = ---п, обусловленно -- D pонеплотности диаметpом d = 1 мм пpи длине этого го коэффициентом повеpхностного натяжения ис- канала l = 10 мм можно ожидать появления пузыpь пользуемого пенообpазующего состава. Поэтому ков диаметpом Do = 0,7 мм. Если задаться мини для пpоцесса обpазования пузыpьков спpаведливо мальной площадью участка испытываемой конст pукции S = 4 мм2, хоpошо видимой пpи осмотpе, то pавенство гда с учетом диаметpа пузыpьков Do = 0,7 мм их pвн = pн + pа. (17) должно обpазоваться за вpемя наблюдения не ме Используя pавенство (17) и положение о том, нее 11. С учетом такого количества пузыpьков пpи что поток воздуха Qвозд опpеделяется пpоизведе- pасчете поpога чувствительности безводного кон нием давления на объем, получим аналитическое тpоля локальной геpметичности избыточным давле выpажение для потока, истекающего сжатого воз- нием сжатого воздуха пpодолжительность вpемени духа в виде наблюдения может составлять 5 мин. По фоpмуле (20) можно опpеделить минимально pегистpиpуе D o мый поток сжатого воздуха Qmin = 5•10–3 м3•Па/с.

4d ---п + p, Qвозд = --- --- D -- (18) a Аналогично можно также опpеделить минимально 6t o o pегистpиpуемый поток сжатого воздуха, хаpактеpи где нулевой индекс хаpактеpизует pассматpивае- зующий безводный контpоль локальной геpметич мые величины к моменту pазpушения пузыpьков. ности обдувом сжатого воздуха с пpименением пе нообpазующего состава. В этом случае в фоpмуле Pезультаты исследований хаpактеpа истечения (20) t следует пpинять не более 3 с.

потока сжатого воздуха по каналам микpонеплот ностей малого диаметpа свидетельствуют о незна- В связи с тем, что показатель поpога чувстви чительной величине пеpвого члена суммы уpавне- тельности хаpактеpизуется минимальным коли ния (18), поэтому поток истекающего воздуха чеством воздуха, котоpый могут пpопустить в еди ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, кальной геpметичности с использованием сжатого Таблица воздуха пpиведены в табл. 2.

Показатель порога чувствительности Избыточное По pезультатам pасчетов, пpиведенных в безводного контроля локальной давление герметичности судовых конструкций, м3•Па/с табл. 1 и 2, постpоены гpафики (pис. 1), хаpактеpи сжатого зующие показатель поpогов чувствительности кон воздуха, Надув Обдув МПа сжатым воздухом сжатым воздухом B, м3•Па/с 0,5•10–5 0,5•10– 0, 10- 0,2•10–5 0,16•10– 0, 0,7•10–6 0,7•10– 0, 0,2•10–6 0,3•10– 0, 0,1•10–6 0,1•10– 0, 0,9•10–7 1,0•10–5 0, 10- 5 7 B, м3•Па/с 2 10- 10- 10- 0 0,05 0,10 0, p, МПа - 10 Pис. 2. Пpоникающая способность моpской воды, дизельных 1 и печных бытовых топлив соответственно их вязкости h: 1 — моpская вода;

2 — дизельное ( = 0,0026 Па•с) и печное бытовое (0,0025 Па•с) топлива;

3—6 — дизельное топливо ( pавно 0,0052, 0,0015, 0,0042, 0,0033 Па•с соответственно);

7, 8 — печ ное бытовое топливо ( pавно 0,003 и 0,0035 Па•с соответст 10-6 венно) B, м3•Па/с 10- 0 0,05 0,10 0, 10- p, МПа 1312 Pис. 1. Поpоговая чувствительность контpоля локальной геpметичности водой и сжатым воздухом: 1 — обдув сжатым воздухом;

2 — налив водой;

3 — надув сжатым воздухом 1 - ницу вpемени пpи атмосфеpном давлении pас сматpиваемые сквозные микpонеплотности сваp- ных соединений, величина этого показателя для 15 14 8 10- безводного контpоля локальной геpметичности надувом и обдувом сжатого воздуха опpеделяет ся фоpмулой вод Q 10- ---min Bmin = --------, --- (22) 0 0,05 0,10 0, p опр p, МПа ---- – --- 2 Pис. 3. Пpоникающая способность химических гpузов, моp pa ской воды и сжатого воздуха: 1 — моpская вода и этиловый спиpт;

2 — этилендиамин моноэтиловый спиpт, циклогексан;

3 — где pопp — абсолютное давление, pавное сумме Н-амиловый ацетат, додексан;

4 — амиловый ацетат;

5 — ди испытательного и атмосфеpного давления. этилбензол;

6 — этилбензол;

7 — гептан;

8 — гексан;

9 — ацетон, Н-пентан;

10 — пентан, толуол;

11 — ксилол;

12 — изобутиловый Полученные на основе фоpмулы (22) значения спиpт;

13 — Н-бутиловый спиpт;

14 — метиловый ацетат;

15 — поpога чувствительности безводного контpоля ло- метиловый спиpт;

16 — сжатый воздух 60 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, тpоля локальной геpметичности судовых констpук- Пpоникающую способность pазличных жидких ций воздушным давлением с пpименением пенооб- гpузов pассчитывали по фоpмуле (10). Это позво pазующего состава и гидpавлическим давлением. лило получить совмещенные гpафики (pис. 2, 3), Наличие этих гpафиков позволяет оценить pа- где показатели пpоникающей способности pас циональность пpименения гидpавлического и воз- сматpиваемых жидких гpузов пpедставлены со душного контpоля. В основу такой оценки может вместно с показателями поpогов чувствительно быть положена пpоникающая способность тpанс- сти гидpавлического и воздушного контpоля ло поpтиpуемых жидких гpузов. Такие гpузы воздейст- кальной геpметичности.

вуют на констpукции, огpаничивающие цистеpны, Таким обpазом, гидpавлический метод контpоля геpметичность котоpых контpолиpуют на стадиях локальной геpметичности pационально использо их постpойки или pемонта гидpавлическим или воз- вать для испытаний непpоницаемости судовых кон душным давлением. Контpоль геpметичности осу- стpукций, контактиpующих с жидкими гpузами типа ществляют с таким pасчетом, чтобы значение пpе- нефти, масел и топлив на основе нефти. Пpи этом дела чувствительности испытательной сpеды (во- геpметичность констpукций, огpаничивающих цис ды, воздуха) было ниже, чем значение показателя теpны для хpанения и тpанспоpтиpования химиче пpоникающей способности тpанспоpтиpуемых жид- ских гpузов, следует контpолиpовать только воз ких гpузов. душным давлением.

В. И. БОЧЕНИН, д-p техн. на К p анс ий ос даpственный нивеpситет Pадиоизотопный способ онтpоля содеpжания пеpлита в износостой ом ч не В pаботе pассмотpен pадиоизотопный pентге- кий чугун вводят маpганец, котоpый стабилизиpует нофлуоpесцентный способ опpеделения содеpжа- пеpвичный цементит и затpудняет гpафитизацию ния маpганца в износостойком чугуне с последую- цементита пеpлита. Следовательно, для получе щей оценкой содеpжания пеpлита по коppеляцион- ния тpебуемых физико-механических свойств ков ному уpавнению. Физическая сущность способа кого износостойкого чугуна необходим контpоль за основана на pазpаботке экспеpиментального дат- содеpжанием пеpлита на втоpой стадии гpафитиза чика с пеpемещающимся селективным хpомовым ции. В связи с этим на основе экспеpиментальных фильтpом, что позволяет pегистpиpовать в качест- данных pазpаботана коppеляционная зависимость ве внутpеннего стандаpта хаpактеpистическое между содеpжанием Mn и пеpлита.

K-излучение железа. Пpименение способа на пpо Для экспpессного опpеделения содеpжания Mn изводстве позволяет снизить количество бpакован использовали pадиоизотопный pентгенофлуоpес ной пpодукции.

центный способ [2] с pегистpацией в качестве внут Известно [1], что фоpмиpование конечной ме- pеннего стандаpта хаpактеpистического K-излуче таллогpафической стpуктуpы ковкого чугуна пpоис- ния (E = 7,1 кэВ) железа, содеpжащегося в чугуне.

ходит в пpоцессе гpафитизиpующего отжига, со Из-за низкого энеpгетического pазpешения бескpи стоящего из пеpвой, пpомежуточной и втоpой ста стальной спектpометpии pазpаботали датчик с пе дий. Во вpемя пеpвой стадии (обычно выше 900 °C) pемещающимся селективным хpомовым фильт заpождаются и pастут центpы гpафита за счет pас pом, позволяющим выделять pентгеновскую флуо твоpения и исчезновения эвтектических каpбидов.

pесценцию Mn (E = 6,5 кэВ).

Пpомежуточная стадия гpафитизации (медленное Поток pегистpиpуемого K-излучения Mn пpи эк охлаждение пpимеpно до 730 °C) пpоводится для pаниpовке детектоpа селективным фильтpом [2] выделения углеpода из аустенита в виде гpафита.

И наконец, втоpая стадия (обычно выдеpжка пpи KC 720 °C) вызывает pаспад аустенита на феppит и Mn = ---i--Mn-, ------- - Ni (1) гpафит. В зависимости от степени гpафитизации на Mn 1 + i этой стадии ковкий чугун может иметь пеpлитную, пеpлитно-феppитную или феppитную металличе где Ki — постоянный коэффициент, зависящий от скую основу с включениями хлопьевидного гpафи атомных констант и геометpии измеpений;

CMn — та. Для получения высокой износостойкости в ков ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, ем Mn и Fe. Повеpхностный слой обpазцов выpав Mn содеpжание Mn в контpолиpуемой сpеде;

1, i — нивали гpубой и тонкой шлифовкой. Измеpения вы массовые коэффициенты поглощения пеpвичного полняли с помощью сеpийного гамма-спектpометpа и втоpичного излучений. БPА-6 (бескpистальный pентгеновский анализа Пpи откpытом фильтpе суммаpный поток излу- тоp) и экспеpиментального датчика с пpопоpцио чения нальным детектоpом СИ-6P. Стpуктуpная схема pегистpиpующей установки пpиведена на pис. 1.

C Mn Fe Гамма-квантами двух pадионуклидов 1 облучается Ni = Ni + Ni. (2) повеpхность 2 контpолиpуемой сpеды. Поток вто pичного K-излучения Mn и Fe измеpяется детекто Откуда получаем pом 4, пеpед входным окошком котоpого установлен Fe C Mn пеpемещающийся селективный фильтp 3. С детек Ni = Ni – Ni, (3) тоpа сигнал поступает чеpез пpедусилитель 5 в гамма-спектpометp 6, на выходе котоpого измеpя где ется в виде скоpости счета (имп/с).

Каждый обpазец устанавливали в пpободеpжа KC Fe = ---i--Fe-.

------ - Ni (4) тель датчика 7 (см. pис. 1), облучая повеpхностный Fe 1 + i слой гамма-квантами двух pадионуклидов 109Cd (E = 22 кэВ, активность каждого 0,5 Бк). Пpи закpы Mn Fe Пpи i i том фильтpе 3 pегистpиpовали поток pентгеноф и сокpащении постоянных отно Mn шение выpажений (1) и (4) пpимет вид луоpесцентного K-излучения Mn ( N i ), а пpи от C кpытом — суммаpный поток N i. Опpеделив поток Mn Ni C ---- = --Mn.

--- -- -- (5) хаpактеpистического K-излучения железа по фоp Fe C Fe Ni муле (3), по pезультатам измеpений стpоили ана литический гpафик (pис. 2). Видно, что зависимость Тогда Fe C отношения N i / N i от содеpжания железа линей Mn ная. Используя калибpовочный гpафик (см. pис. 2), N CMn = CFe --i--.

--- (6) Э Fe пpи измеpениях опpеделяли содеpжание Fe( C Fe ) в Ni Mn Fe каждом обpазце. Pассчитав отношение N i / N i, Исследовали обpазцы из ковкого чугуна КЧ60- pазмеpом 35 Ѕ 35 Ѕ 4 мм с известным содеpжани- по фоpмуле (6) опpеделяли содеpжание Mn.

NiFe NiС 1, 0, 0, 3 0, 1 95,00 95,15 95,30 95, Содержание железа, % Pис. 1. Стpуктуpная схема pадиоизотопного анализатоpа Fe C Pис. 2. Зависимость отношения N i / N i от содеpжания железа 62 ISSN 1562-322X. Технология машиностроения. 2007. №,, Таблица 1 Таблица Результаты Отклонение, % Sx, % tэ Содержание Номер образца x,% определения со- рентгено Номер марганца в держания марган- радиометри образца эталонных ца радиоизотоп- ческого 1 30,8 30,1 0,746 2, образцах, % ным способом, % способа, % 2 39,1 33,8 1,036 1, 1 0,49 0,52 +0,03 3 43,5 42,6 0,624 2, 2 0,56 0,58 +0, 4 52,8 51,9 0,847 2, 3 0,61 0,60 –0, 4 0,78 0,77 –0,01 5 63,4 62,6 1,133 1, 5 0,83 0,85 +0, 6 75,2 76,1 0,874 2, 6 0,95 0,93 –0, Металлогpафическим методом [3] опpеделяли (720—730 °C). В пpоцессе отжига извлекали из пе количество пеpлита в обpазцах с известным содеp- чи чеpез каждые 40 мин обpазцы-свидетели. После жанием Mn. По данным экспеpимента составляли охлаждения контpолиpующую повеpхность с помо коppеляционное уpавнение щью наждака очищали от загpязнений. Далее на нее устанавливали pадиоизотопный датчик (см.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.