Обоснование технической и технологической возможности восстановления стволов артиллерийских орудий, исчерпавших свой технический ресурс из-за эрозионного износа канала

Современная техника немыслима без использования машин и механизмов, обладающих высокой надежностью и, следовательно, долговечностью в условиях эксплуатации, характеризующихся повышенными значениями скоростей, давлении и температур, а во многих случаях также и агрессивностью рабочих сред. Главным препятствием в совершенствовании указанных машин и механизмов является относительно невысокий технический ресурс их рабочих органов, подверженных эрозионному изнашиванию, т. е. изнашиванию под воздействием высокотемпературных потоков газов и (или) жидкостей.

Эрозия в широком смысле слова — есть процесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды.

В настоящее время чаще всего используется схема классификации видов эрозионного разрушения материалов, предложенная в работе [55] (рис.1).

I.'.

Рис. 1. Схема классификации видов эрозионного разрушения материалов.

В основу классификации положен принцип, согласно которому вид эрозии определяется природой действующих сил, а также средой, являющейся носителем этих сил. Предлагается различать четыре основных вида эрозии: газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. По этому принципу газовая эрозия представляет собой явление разрушения металлов под действием механических и тепловых сил газовых молекулкавитационная эрозия вызывается действием парогазовых пузырьков и капелек жидкостиабразивная эрозия проявляется при воздействии на материал мелких частичек повышенной твердости и, наконец, электрическая эрозия вызывает разрушение металла под действием электрических сил. Приведенные на схеме другие виды эрозионного разрушения свидетельствуют, во-первых, о значительном многообразии видов поверхностного разрушения металла и, во-вторых, показывают на взаимную связь отдельных видов эрозии.

В диссертации рассматриваются детали, исчерпывающие свой ресурс вследствие горячей газовой эрозии, т. к значительное число деталей общего и специального машиностроения подвержены именно этому виду эрозии.

Газовая эрозия металлов происходит при обтекании изделий газовым потоком как правило содержащим и твердые частицы. Вследствие ударов о поверхность металла мельчайшие частицы потока разрушают его поверхностный слой. Эрозия заметно возрастает с увеличением кинетической энергии действующих частиц, а также с повышением шероховатости поверхности. Если частицы или изделие, на которое они воздействуют, находятся при высоких температурах, то процесс эрозии значительно усиливается термическим влиянием. При наличии химически агрессивной среды возникает дополнительно химическое взаимодействие между частицами и поверхностью материала, что приводит к еще более сильному эрозионному разрушению.

Эрозия зависит от весьма большого числа факторов, связанных как с природой материала, подвергающегося разрушению, так и с параметрами воздействующего потока частичек и среды. Существенную роль играют явления, происходящие в пограничном слое (при воздействии жидкого пли газообразного потока) и на поверхности раздела сред.

Механические свойства материала, испытывающего эрозионное воздействие, его химический состав и структура, а также термическая обработка и состояние поверхности оказывают влияние на сопротивление металла эрозионному разрушению. Очень важную роль играют тепловые характеристики металла: теплопроводность, теплоемкость, коэффициент термического расширения, температура и скрытая теплота плавления и др.

Опыт эксплуатации современной техники дает большое количество примеров эрозионного износа рабочих поверхности деталей. Так, например, из-за эрозии выходят из строя рабочие лопатки газовых турбин, сопловые устройства турбореактивных авиационных двигателей, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Эрозионному воздействию подвергается поверхность металла труб, по которым происходит движение газовых потоков. Так, каналы стволов артиллерийских орудий и другого огнестрельного оружия эродируют под действием потока горячих пороховых газов.

Наибольший интерес представляет весьма распространенное в современной технике движение газовых потоков внутри металлических каналов и эрозионное разрушение прилегающего к поверхности тонкого поверхностного слоя металла.

Анализ большого числа факторов, влияющих на горячую газовую эрозию, однозначно показывает, что поверхность металла, нагреваясь до весьма высоких температур (в ряде случаев выше температур плавления), крайне слабо сопротивляется динамическому воздействию горячего газового потока. Связи между частицами металла ослабевают, и частицы выносятся газовой струей. Поскольку температура плавления отдельных составляющих сплава (в частности, межзеренных границ) может быть ниже температуры плавления всей массы металла, то в результате преждевременного расплавления вещества на границах зерен связи между кристаллами уменьшаются, и последние выносятся газами даже не будучи расплавленными.

Наличие твердых или жидких частиц в потоке, а также высокая температура и скорость движения газа создают большую кинетическую энергшо удара частиц о поверхность металла и тем увеличивают воздействие газа на металл. Исследования бывших в эксплуатации артиллерийских стволов,.

Исследования бывших в эксплуатации артиллерийских стволов, а также стальных и чугунных поршневых колец авиационных и автомобильных двигателей внутреннего сгорания [sr] показали наличие на поверхности металла слаботра-вящегося «белого» слоя структурно-превращенного металла, обязанного своим происхождением активным диффузионным процессам, протекающим при динамическом воздействии горячих газов на металл.

При эрозионном разрушении артиллерийских стволов в условиях воздействия высокотемпературного газового потока происходит образование мельчайших трещин, направленных в глубь металла [21л1б]. Эти трещины свидетельствуют о явлениях усталости металла в поверхностных слоях в условиях многократно повторяющихся силовых и тепловых нагрузок. Механическое разрушение поверхности вызывается, с одной стороны, выбиванием мельчайших частиц металла, образующихся в результате появления микротрещин, и, с другой, срезом образовавшихся неровностей (возвышений, бугорков) ударяющимися в них быстролетящими частицами. Оба эти явления происходят одновременно в условиях высоких температур, когда сопротивляемость металла ударному воздействию частиц уменьшается. Газовая коррозия усугубляет процесс механического разрушения поверхности, особенно в случае присутствия химически активных реагентов в газовом потоке. Химический состав металла ствола, и порохового газа будет определять собой скорость протекания газовой коррозии.

С подобным явлением мы встречаемся и при эксплуатации реактивных снарядов и ракет, у которых сопла и газовые рули подвергаются интенсивному воздействию газов, нагретых до температур более 2500 °C [ 4S ]. Истекая с высокой скоростью из сопловых устройств и подвергая динамическим ударам газовыми молекулами, а также несгоревшими частицами топлива (в случае пороховых двигателей) поверхность материала, газовые струи «сдувают» ослабленные тепловым воздействием частички на границе раздела газ-материал. Образование усталостных мелких трещин при многократных циклах нагрев-охлаждение способствует нарушению сплошности поверхности сопла и создает благоприятные условия для эрозионного износа. Нарушение конфигурации и ранее установленных расчетных геометрических форм отрицательно сказывается на полетных характеристиках снарядов и ракет.

Наиболее характерным техническим объектом, для которого эрозия является главенствующим фактором безотказности и долговечности всего технического комплекса, следует признать ствол артиллерийского орудия.

Реализуя совместно со снарядом и пороховым зарядом внутрибаллисти-ческий процесс, ствол арторудия подвергается действию высокотемпературного, высокоскоростного потока пороховых газов, имеющих высокое давление и химическую активность. Именно поэтому артиллерийский ствол имеет технический ресурс значительно меньший, чем все другие узлы и детали арторудия [.

Стремление повысить ресурс работы ствола, приблизить его долговечность к долговечности других узлов и деталей арторудия, вызвали множество исследований и технических предложений, относящихся как к стволу (эрозион-ностойкие покрытия, искусственное охлаждение и др.), так и к метательному заряду (флегматизаторы, неорганические защитные средства и др.) и снаряду (специальные материалы для ведущих устройств и др) [18,И]. Однако, решить задачу этим путем в полной мера пока не удается: стремление повысить мощность, дальнобойность и скорострельность артиллерийских орудий неизбежно вызывает трудности в обеспечении приемлемого технического ресурса стволов. Известно, что даже относительно небольшое повышение начальной скорости снаряда, ужесточение режимов стрельбы приводит к существенному увеличению износа канала ствола и, как следствие, к падению баллистических свойств орудия после непродолжительной эксплуатации [1,26}6о}61].

Известно так же, что исчерпание технического ресурса ствола в первую очередь является следствием именно эрозионного износа его каналазначительно реже причиной являются усталостные повреждения поверхностей и другие факторы [26]. Основным критерием, определяющим непригодность ствола к дальнейшей эксплуатации в составе орудия, а следовательно, и необходимость проведения «перестволения» орудия (ремонта), является величина падения начальной скорости снаряда, обусловленное исключительно износом (разгаром) канала ствола. Если у орудия величина падения начальной скорости больше, чем допускается «инструкцией» ствол в составе орудия бракуется и, как принято в настоящее время, ремонту не подлежит [4].

Не умаляя актуальности дальнейшего изучения эрозионного износа различных металлов, сплавов, покрытий и технологий их применения в артстволах для повышения эрозионной стойкости их каналов, подчеркнем наличие другого подхода к решению задачи увеличения долговечности артстволов, а именно, их восстановления после длительной эксплуатации.

Принятая в диссертации тема исследования направлена на решение актуальной задачи восстановления деталей, исчерпавших свой ресурс из-за эрозионного износа на примере артиллерийских стволов орудий крупных и средних калибров. Восстановление баллистических характеристик и следовательно эффективности боевых ствольных комплексов даст технический и экономический эффект и откроет новые возможности усиления огневой мощи артиллерии Социалистической Республики Вьетнам.

Актуальность темы

в такой постановке состоит в том, что:

Стволы артиллерийских орудий среднего и крупного калибров являются весьма дорогостоящими техническими объектами, так как сложны конструктивно, выполняются из специальных материалов, по специальным технологиям с особой степенью точности и малыми погрешностями формы. Исчерпывая свой технический ресурс из-за эрозионного износа рабочих поверхностей, они в настоящее время практически подлежат утилизации, хотя и остаются вполне пригодными к эксплуатации по показателям прочностной долговечности, отсутствию деформаций, составу материала несущей части конструкции.

Проведение научных исследований с целью поиска научно-прикладных принципов, технических возможностей и технологии восстановления (как результата некоторых ремонтных работ) такого класса деталей как артиллерийские стволы дает основания для масштабной организации соответствующих ремонтных работ, экономический эффект от которых будет состоять в избежании излишних затрат на изготовление новых дорогостоящих деталей.

Новизна предполагаемых исследований будет состоять в следующем:

На основании анализа теплонапряжённого состояния стволов в процессе огневой эксплуатации и их технического состояния после выбраковки, будут определены критерии возможности восстановления их рабочих характеристик и конструктивно-технологические схемы восстановления указанных стволов.

С учётом новой постановки задачи и с учетом последних достижений теории надёжности и ресурсосбережения будет комплексно пересмотрено научно-практическое положение о практической неремонтонепригодности данного класса деталей.

Впервые предполагается получить ряд оригинальных технических решений по ремонту стволов. Эти ранее неизвестные или применявшихся для других целей или в других областях техники решения будут научно обоснованы теоретически и экспериментально.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработана общая схема технологического процесса восстановления артстволов и сформулированы технические требования к стволам как ремонтным заготовкам и втулкам как дополнительным ремонтным деталям.

2. Разработанные укрупнённые технологические процессы получения ремонтных заготовок и ремонтных деталей для восстановления артстволов дали основание выделить наиболее сложные по технологической осуществимости операции и предложить по ним технические решения: специальный режущий инструмент, приспособления, режимы обработки, монтажа и др.

3. Всестороннее рассмотрение технологической осуществимости восстановления стволов арторудий среднего и крупного калибров показало:

— для придания стволу, имеющему критический износ канала, качества ремонтной детали имеются необходимые технологические приемы, инструмент, оснастка и оборудование.

— изготовление дополнительных ремонтных деталей в виде тонкостенной трубы с нарезами может быть осуществлено с применением современных технологийтребуемая точность, чистота обработки и отсутствие недопустимых погрешностей обеспечивается.

— монтаж ремонтной детали с подготовленным для сборки стволом может быть осуществлен при применении универсальной и специальной оснастки в условиях артиллерийского ремонтного предприятия.

4. Разработанный алгоритм оценки экономической эффективности восстановления артстволов и предложенные критерии дают основания для объективной оценки эффективности как операции восстановления ствола в целом, так и альтернативных вариантов восстановления между собой.

5. С точки зрения экономической эффективности более рациональным способом восстановления для трёх базовых конструкций стволов, представляется ремонт с помощью скрепляющей втулки, как несколько более дешевый при проведённой экспертной оценке затрат на весь цикл при условной стоимости оригинальных сборочных операций. Полученный результат не является универсальным — конкретные условия организации восстановительного производства требуют тщательной технико-экономической оценки для определения оптимального технико-технологического варианта восстановления стволов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в данной диссертационной работе исследований получены следующие результаты.

1. Сформулированные общие требования к восстановленным стволам и проведенный анализ задачи их восстановления различными способами позволил выделить рациональную область технических решений — применение дополнительных ремонтных деталей в виде втулок.

2. Сформулированы и обоснованы с позиций технологической осуществимости конструктивные предложения по восстановлению артстволов среднего и крупного калибров с помощью лейнирующих и скрепленных втулок.

3. Поставлена и решена задача обеспечения прочности восстановленных стволов как задача определения конструктивно-технологических параметров восстановления, которые обеспечили бы показатели прочности восстановленных стволов не менее, чем у исходной конструкции. Ее результаты:

— необходимое увеличение прочности металла лейнирующей втулки по сравнению с исходным стволом для трех базовых конструкций 85,100 и 152 мм калибра не превышает 15 единиц категории прочности;

— возможность снижения прочности металла скрепляющей втулки по сравнению с исходном стволом (для рассмотренных трех базовых конструкций) в пределах до 20 единиц категории прочности.

4. Рассмотрение особенностей теплопередачи в составных конструкциях восстанавливаемых стволов и критический анализ допущений, обычно принимаемых при рассмотрении теплового процесса в артстволах, дали основания сформировать частные математические модели теплового процесса в восстановленных стволах. Данные модели позволяют учесть влияние на общий уровень нагрева и на максимальные температуры поверхности канала ствола:

— для стволов, восстановленных с помощью скрепляющей втулки — тепловое сопротивление на поверхности контакта втулки;

— для стволов, восстановленных с помощью лейнирующей втулки — наличие конструктивного зазора и возможность его выбора как от действия давления при выстреле так и от нагрева.

5. Разработана методика оценки нагрева, износа и живучести восстановленных стволов. Полученные результаты показали возможность восстановления стволов орудий данного класса не ниже уровня 80% от живучести нового ствола при использовании лейнирующих втулок. При использовании скрепленных втулок этот уровень приближен к 100%.

6. Разработаны технологические требования к ремонтной заготовке ствола, ДРД — втулки и сборке втулки в стволе.

7. Доказана технологическая осуществимость всех операции по восстановлению ствола: технологического процесса расточки ствола, изготовления ДРД — втулки и их монтажа.

8. Предложены критерии для выбора более эффективного способа восстановления ствола. Проведенные предварительные оценки, показывают, что оба предложенных способа восстановления стволов экономически обоснованы. Выбор способа зависит от конкретных условий организации восстановительного производства.