Повышение срока службы элементной базы объектов транспортной инфраструктуры за счет индукционной закалки поверхности металлических конструкций
Автор: Коробейников А.Г., Ткалич В.Л., Пирожникова О.И.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 8-2 (83), 2023 года.
Бесплатный доступ
Статья посвящена актуальной задаче продления срока службы элементной базы объектов транспортной инфраструктуры, в частности металлических трубчатых конструкций и элементов разъёмных соединений, за счет обработки рабочих поверхностей с целью создания на поверхности металла защитных слоев с заранее заданными характеристиками. Проводимая обработка установила специфические условия эксплуатации и технологические особенности реальных объектов транспортной инфраструктуры. Это позволило говорить о создании долговечных до (50 лет срока службы) металлических элементов, что отвечает (соответствует) уровню конкурентоспособности данных изделий при соблюдении рентабельности и высокого качества отечественной промышленности.
Защитные слои, электромагнитная обработка, срок службы, индукционные системы, индукционная закалка, металлоизделия, оти
Короткий адрес: https://sciup.org/170200309
IDR: 170200309 | DOI: 10.24412/2500-1000-2023-8-2-129-136
Текст научной статьи Повышение срока службы элементной базы объектов транспортной инфраструктуры за счет индукционной закалки поверхности металлических конструкций
С переходом на отечественную комплектующую элементную базу для создания конкурентоспособных и рентабельных ОТИ повысилась актуальность вопросов о разработке путей увеличения сроков службы, снижения затрат на обслуживание объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) и обеспечение безопасности эксплуатации создаваемой продукции.
Различные негативные воздействия (коррозионные, электрохимические, деформационные, температурные и т.д.) уменьшают срок службы, ухудшают внешний вид, снижают вероятность безаварийной эксплуатации, увеличивают материальные затраты. Создание комплексных защитных покрытий позволит защитить от большинства негативных эффектов со стороны внешних и внутренних факторов.
Применение переменных электромагнитных полей и ультразвукового воздействия позволит получать энергоэффективные технологии обработки поверхности с формированием на них защитного слоя, который увеличит срок службы металлоизделий ОТИ с различными габаритными размерами.
При монтаже металлоконструкций на ОТИ используются разъемные (болтовые, винтовые, шпильки) соединения и неразъёмные (сварные швы).
Процесс исследование качества изделий целесообразно осуществлять на элементной базе более всего подверженной деформационным нагрузкам в ходе эксплуатации, например, болтов, винтов и шпилек. Эти металлоизделия проходили операцию контролируемой закалки, которая проводилась индуцированных токов. Формирование защитных слоев можно производить на широком спектре деталей различных габаритов [1].
Для эффективного индукционного нагрева требуется достижение определенного набора условий: – заготовки должны обладать высокой проводимостью; – переменный ток в катушке должен иметь частоту, коррелирующую с проводимостью и магнитными свойствами заготовок. Правильный выбор материала и рабочей частоты позволяет реализовать нагрев ферромагнитного образца от комнатной температуры до 700°C в течении несколько секунд. Это объясняется тем, что высокая магнитная проницаемость железосодержащего материала приводит к возбуждению сильных вихревых токов и ярко-выраженному проявлению скин-эффекта, за счёт которого ток вытесняется и течёт по поверхности заготовки. Индукционный нагрев ферромагнитного металла дополнительно усиливается за счёт циклического намагничивания областей материала переменным током. Быстроизменяю-щееся переменное магнитное поле вызывает потери на гистерезис, которые приводят к генерации большего количества тепла.
При использовании цифрового двойника для системы индукционной закалки возможно проводить оптимизацию процесса обработки поверхности мелких деталей и крупногабаритных металлокон- струкций, используемых на ОТИ [2] Это позволяет создавать высококачественное защитные слои на поверхности элементов ОТИ, а также ведет к улучшению эргономических и прочностных свойств изделий.
В ходе математического моделирования имитировалась закалка вала механизма передачи, закрепляющей шпильки или любого другого подобного механического элемента, который подвергается сильным механическим напряжениям. Моделирование проводилось при помощи системы MATLAB, позволяющая решать задачи в различных предметных областях [3-5].
Математическая модель базируется на сопряжении уравнений Максвелла и теплопроводности [6, 7]. Численные эксперименты проводились для частоты 1000 Гц и 25000 Гц. Результаты экспериментов с частотой 1000 Гц представлены на рис. 1-4. А на рис. 5-8. представлены результаты экспериментов с частотой 25000 Гц. На рис. 1-4 представлены состояния заготовки в различное время – 0, 20, 40 и 60 с. На рис. 5-8 представлены состояния заготовки в – 0, 6, 12 и 18 с.
Схематически показано направление магнитного потока в виде красных стрелочек. Температуру участков поверхности заготовки можно оценить по цветовой шкале, расположенной справа. Кроме того, начиная с рис. 2 (рис. 6) можно видеть положение заготовки.

Рис. 1. Состояние заготовки в момент t = 0 c.

Рис. 2. Состояние заготовки в момент t = 20 c.

Рис. 3. Состояние заготовки в момент t = 40 c.
Time = 60.0 s Магнитный поток ([Вб], плоскость) и температура ([°C], поверхность)
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
О
-400 '
-300""
Л
Рис. 4. Состояние заготовки в момент t = 60 c.

Рис. 5. Состояние заготовки в момент t = 0 c.

Рис. 6. Состояние заготовки в момент t = 6 c.

Рис. 7. Состояние заготовки в момент t = 12 c.

Рис. 8. Состояние заготовки в момент t = 18 c.
Выводы.
Закалка заготовок в рамках индуцированного током нагрева является полезным эффектом, однако возможны и негативные последствия. Тепло, которое приводит к упрочнению, может сделать образец более подверженным трещинам. Для достижения разумного баланса между закалкой и пла- стичностью в каждой части заготовки можно подстроить ключевые управляющие параметры индукционного нагрева. Этими параметрами служат: частота тока, амплитуда тока в катушке и скорость перемещения заготовки через катушку.
Варьирование эти тремя параметрами индукционной системы позволяет добиваться высокой эффективности при соблюдении технологических достоинств метода и делает этот метод конкурентоспособны на мировом уровне.
Кроме того, как следует из полученных результатов, изменение рабочей частоты не только изменяет пиковую температуру, но и приводит к её перераспределению по глубине заготовки. Полученная информация может быть использована в рамках других исследований. Например, эту информацию можно использовать в исследованиях фазовых превращений.
Список литературы Повышение срока службы элементной базы объектов транспортной инфраструктуры за счет индукционной закалки поверхности металлических конструкций
- Язовских В.М. Математическое моделирование и инженерные методы расчета в сварке: в 2 ч. Ч. 2. Тепловые процессы при сварке и моделирование в пакете MathCad. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 119 с. EDN: QNBVQH
- Tsung-Nan Tsai. Thermal parameters optimization of a reflow soldering profile in printed circuit board assembly: A comparative study // Applied Soft Computing. - 2012. - Vol. 12. - Р. 2601-2613.
- Коробейников А.Г., Гришенцев А.Ю. Разработка и исследование многомерных математических моделей с использованием систем компьютерной алгебры // СПбНИУ ИТМО. - Санкт-Петербург: СПбНИУ ИТМО, 2013. - 100 с.
- Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г. Алгоритм поиска, некоторые свойства и применение матриц с комплексными значениями элементов для стеганографии и синтеза широкополосных сигналов // Журнал радиоэлектроники. - 2016. - № 5. - С. 9. EDN: WNDAOR
- Коробейников А.Г., Кутузов И.М., Колесников П.Ю. Анализ методов обфускации // Кибернетика и программирование. - 2012. - № 1. - С. 31-37. EDN: SZGVOF
- Фейман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 6. Электродинамика - М.: Изд-во МИР, 1977. - 347 с.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. В 10 т. - Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. - 664 с.