Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напружено-деформований стан стрижневих ізоляторів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Працездатність, електромеханічні характеристики, надійність і експлуатаційна довговічність високовольтних стрижневих ізоляторів значною мірою визначаються досконалістю їх конструкції, а також рівнем усього технологічного процесу створення ізоляторів. Механічні пошкодження та руйнування ізоляторів струмоведучих частин електричних апаратів, що встановлюються у відкритих розподільних пристроях змінного струму, призводять до серйозних аварій і завдають значного економічного і морального збитку підприємствам і організаціям.

Стрижневі ізолятори випускаються на класи напруг 10, 20, 35, 110 кВ і на класи мінімальних механічних руйнуючих навантажень 300, 400, 500, 600, 1000, 1250, 1500, 1600, 2000 кгс. На сьогодні більшість серійних стрижневих ізоляторів виготовляється з електротехнічного порцеляну.

Від ізоляторів вимагається забезпечення інтенсивності відмов не більше 1?10^-7 ч^-1. Термін служби ізоляторів - 30 років. Проте вітчизняні ізолятори забезпечують рівень відмов порядку 1?10^-4 ч^-1. Слід зазначити, що вітчизняні стрижневі ізолятори мають менший запас механічної міцності та на 10-30% більші габарити й масу порівняно з закордонними аналогами, за рахунок чого істотно знижується їх конкурентоздатність на зовнішньому ринку. Тому всі роботи, спрямовані на підвищення якості вітчизняних ізоляторів, актуальні.

Для високовольтних порцелянових ізоляторів основним критерієм придатності є електрична і механічна міцність. Механічна міцність визначається як конструктивним виконанням, так і характеристиками конструкційних матеріалів ізолятора. Міцність ізоляційної деталі - головної несучої частини ізолятора - визначається переважно досконалістю технології виробництва електротехнічного порцеляну, одним із найбільш значущих етапів якої є процеси механічної обробки керамічної маси.

Однією з основних причин недосконалості конструкцій ізоляторів є відсутність науково обгрунтованого підходу до їх проектування. Підхід, що застосовується в даний час до проектування конструкцій ізоляторів, грунтується на аналітичних методах розрахунку, емпіричних залежностях і експериментальних даних, але він не забезпечує можливості оцінки впливу різноманітних конструктивно-технологічних параметрів на міцнісні характеристики ізоляторів.

Всі ці проблеми зумовлюють актуальність теми, головною особливістю якої є заміна аналітико-емпіричних методів проектування сучасними методами математичного моделювання з використанням всього накопиченого раніше емпіричного досвіду. Подібний підхід дає можливість розглядати весь комплекс проблем створення стрижневого ізолятора з погляду електричної і механічної міцностей, оцінювати вплив різноманітних технологічних аспектів на міцнісні характеристики ізоляторів, а також проектувати порцелянові стрижневі ізолятори з раціональними конструктивними характеристиками, які забезпечують істотне підвищення показників їх технічного рівня.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Розробка даної тематики здійснювалася відповідно до Плану найважливіших НДОКР Міненерго України, що фінансуються з інноваційного фонду, на 1996 і 1997 р.

Мета і задачі дослідження. Робота присвячена:

розвиткові узагальненого математичного формулювання задачі пружнов'язкопластичності з урахуванням скінченності деформацій і фізичної нелінійності досліджуваних матеріалів;

побудові (на основі проекційно-сіткових методів) системи дискретних рівнянь механіки і розробці алгоритму її розв'язання стосовно розрахунку несталих процесів деформування пористих пластичних керамічних мас з урахуванням скінченності деформацій і великих переміщень;

реалізації розроблених обчислюваних алгоритмів у вигляді спеціалізованого програмного забезпечення;

розв'язанню тестових задач з метою перевірки розроблених і програмно реалізованих методик розрахунку;

експериментальному і теоретичному дослідженню технологічних процесів виробництва електротехнічного порцеляну (процесів механічної обробки керамічних мас);

проведенню натурних і обчислювальних експериментів по дослідженню впливу конструктивних параметрів на механічну міцність ізоляторів, реалізації засобів підвищення міцності ізоляторів;

практичному застосуванню програмного забезпечення для розв'язання серії актуальних конструкційних і технологічних задач ізоляторобудування;

впровадженню результатів досліджень у практику зацікавлених організацій.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі:

сформульовано визначальні співвідношення, які характеризують поведінку і властивості коагуляційних тиксотропних систем стосовно випадку механічного деформування пористих пластичних керамічних мас з урахуванням кривої ефективної в'язкості досліджуваного матеріалу;

вперше здійснено якісне і кількісне порівняння результатів розрахунків з даними експериментів по дослідженню процесів механічної обробки керамічних мас;

вперше проведено розрахункове дослідження процесів мундштучного пресування пластичних керамічних мас; зроблено детальний аналіз НДС керамічної маси в процесах мундштучного пресування напівфабрикатів ізоляційних деталей ізоляторів; визначено вплив різних конструктивно-технологічних параметрів технологічного обладнання на закономірності процесу деформування;

вперше розрахунковим шляхом детально вивчено напружено-деформований стан (НДС) стрижневих ізоляторів з урахуванням контактної взаємодії матеріалів конструкції;

отримано експериментальні залежності, що встановлюють взаємозв'язок геометричних розмірів і конструктивно-технологічних параметрів ізолятора з його механічною міцністю;

визначено зони локальних концентрацій механічних напружень у вузлі армування, запропоновано засоби підвищення механічної міцності ізолятора через зміну контактних зон і перерозподіл механічних напружень з метою зміцнення вузла армування;

запропоновано і рекомендовано до виробництва нові конструкції стрижневих ізоляторів, що мають підвищені міцнісні характеристики.

Практична цінність роботи полягає в тому, що в ній реалізовано науково обгрунтований підхід до проектування ізоляторів, який дає можливість розглядати і механічні, і технологічні аспекти створення раціональних конструкцій стрижневих ізоляторів. Сформульовано визначальні співвідношення, що характеризують поведінку тиксотропних систем стосовно випадку деформування пластичних пористих керамічних мас, які використовуються при виробництві порцелянових ізоляторів. Розроблено програмний комплекс, який дозволяє на базі аналізу пружнов'язкопластичних середовищ здійснювати раціональне проектування технологічного устаткування для мундштучного пресування. Запропоновано модифікації конструктивного виконання вузла армування стрижневих ізоляторів, а також надано рекомендації до вибору їх основних геометричних параметрів. Результати дисертаційної роботи використано в Науково-дослідному інституті високих напруг (НДІВН) (м. Слов'янськ) при проектуванні опорних та підвісних стрижневих ізоляторів, фланцевих, консольних, фіксаторних ізоляторів, впроваджених або рекомендованих до впровадження в експериментальне і серійне виробництво НДІВН, ВАТ «АІЗ-Енергія» та ВАТ «Слов'янський завод високовольтних ізоляторів». На основі отриманих результатів дослідження розробляється технологічне устаткування мундштучного пресування для вакуум-пресів різних модифікацій.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні положення дисертації, що полягають у розвитку визначальних співвідношень початково-крайової задачі пружнов'язкопластичності з урахуванням пористості, розроблені разом із науковим керівником д.т.н., проф. О.С. Цибенком і к.т.н., доц. Є.В. Штефаном. Результати розрахункових та експериментальних досліджень технологічних процесів мундштучного пресування належать особисто автору. Розрахункові та експериментальні дослідження міцності конструкцій стрижневих ізоляторів виконані разом із к.т.н., с.н.с. М.Г. Крищуком і к.т.н. О.Б. Злаказовим.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на Студентській конференції «Машинобудівник-96 (1)» НТУУ «КПІ» (м. Київ, 1996 р.); Конференції молодих вчених «Машинобудівник-96 (2)» НТУУ «КПІ» (м. Київ, 1996 р.); 9-й науковій школі стран СНГ «Вібротехнологія-99» по механічній обробці дисперсних матеріалів та середовищ (м. Одеса, 1999); науково-технічній конференції студентів і молодих вчених «Машинобудівник-2000» НТУУ «КПІ» (м. Київ, 2000 р.); на науково-технічних нарадах НДІВН, ВАТ «АІЗ-Енергія» та ВАТ «Слов'янський завод високовольтних ізоляторів» (м. Слов'янськ, 2000 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 друкованих праць, з яких 4 статті у наукових журналах і 4 тези науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 244 найменувань, 8 додатків. Загальний об'єм складає 170 сторінок, включаючи 62 рисунка.

Автор виражає глибоку вдячність О.С. Цибенку, М.Г. Крищуку, Є.В. Штефану, О.Б. Злаказову за допомогу та наукове керівництво, а також співробітникам НДЛ математичного моделювання в механіці суцільних середовищ НТУУ «КПІ» та відділу №17 НДІВН за сприяння при проведенні досліджень.

Основний зміст

механіка пластичний деформація алгоритм

У вступі наведено обґрунтування теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, показано практичне значення отриманих результатів, зроблено перелік публікацій основного змісту.

У першому розділі на базі огляду літературних джерел наведено класифікацію електричних ізоляторів, сформульовано вимоги до них та умови їх роботи, а також розглянуто основні тенденції розвитку ізоляторобудування у світі, досвід експлуатації ізоляторів стрижневої групи. У цьому розділі визначено коло проблем, існуючих в ізоляторобудуванні, і встановлено, що проблема підвищення технічного рівня вітчизняних стрижневих ізоляторів є комплексною, тобто на якісні характеристики ізоляторів впливають як їх конструктивні характеристики, так і рівень досконалості технології виготовлення конструкційних матеріалів (зокрема, електротехнічного порцеляну).

Підприємства країн колишнього СРСР виготовляють обмежену кількість ізоляторів стрижневої групи, які відстають за своїми експлуатаційними характеристиками від закордонних аналогів.

Типову конструкцію стрижневого підвісного ізолятора наведено на рис. 1. Стрижневий підвісний ізолятор в процесі експлуатації піддається, як правило, всьому комплексу механічних впливів (крученню, згину, розтягу-стиску). Опорний стрижневий ізолятор є окремим випадком підвісного стрижневого ізолятора і відрізняється від нього конфігурацією порцелянової деталі у вузлі армування. Опорний стрижневий ізолятор не сприймає розтягуючих навантажень, а працює на стиск, згин і кручення.

Основними факторами, що впливають на міцність стрижневих ізоляторів, є глибина замурування порцелянової деталі в металевий фланець, конфігурація порцеляну у вузлі армування, діаметр порцелянової деталі і товщина цементно-піщаної зв'язки (ЦПЗ), обробка поверхні порцелянової деталі, фізико-механічні характеристики конструкційних матеріалів стрижневих ізоляторів, технологія виготовлення стрижневого ізолятора та термічна міцність.

Нині у вітчизняній і зарубіжній літературі дуже обмежена кількість праць, які стосуються методики розрахунку стрижневих ізоляторів. Відомі методики грунтуються на аналітичних методах розрахунку та накопичених емпіричних даних. Подібний підхід до проектування нової ізоляційної конструкції має ряд недоліків - надмірна спрощеність реальної картини взаємодії елементів конструкції ізолятора та дійсної силової схеми взаємодії елементів у конструкції, неможливість аналізу напружено-деформованого стану конструкції в зонах контакту спряжених різнорідних матеріалів ізолятора.

Важкі умови роботи стрижневих ізоляторів в експлуатації пред'являють жорсткі вимоги до використовуваних електроізоляційних матеріалів, зокрема до електротехнічного порцеляну. Процеси механічної обробки та формування керамічних мас - один із основних етапів виробництва керамічних ізоляторів, що ставить за мету утворення такої коагуляційної структури, яка за своїми механічними властивостями може бути основою для одержання якісних електроізоляційних приладів. Зараз застосовується переважно експериментальний підхід до дослідження структуротворення керамічних мас і подальшого вдосконалення технологічного устаткування.

У сучасному виробництві ізоляторів як базисна технологія виготовлення напівфабрикатів застосовується метод пресування пластичних мас у вакуумних шнекових пресах. За своїм об'ємом і значенням він рівнозначний процесам сушіння і випалу виробів. На етапі формування відбуваються процеси зміни фізичних властивостей маси, отримується визначена просторова упорядкованість коагуляційної структури. Заготовки в процесі формування дістають структурні дефекти, які виявляються згодом - при сушінні та випалу напівфабрикату (вироби розтріскуються). Процеси мундштучного пресування ще повністю не вивчені з погляду розподілу механічної напруженості в масі при її деформуванні. Існує необхідність дослідження відповідності між конструкцією формуючої системи і мундштука - основними робочими деталями вакуум-преса, характером руху та напруженим станом маси. Значний вплив на поведінку керамічної маси в процесах механічної обробки має її пористість, яка зумовлена наявністю повітряних включень.

На основі літературного огляду можна зробити висновок, що проблема створення якісних електроізоляторів є комплексною. Основні її два аспекти полягають у тому, щоб дослідити і вдосконали технологічні процеси виробництва ізоляційних конструкційних матеріалів (напівфабрикатів), а також на базі повного аналізу НДС ізоляторів запропонувати раціональні конструктивні параметри вузла армування. Для цього треба сформулювати таку математичну модель, яка б, з одного боку, адекватно і повною мірою відображала реальну картину взаємодії різнорідних спряжених елементів конструкції ізолятора, надавала б можливість повного аналізу його НДС, а з другого боку, дозволяла б розрахунковими методами досліджувати особливості технологічних процесів механічної обробки керамічних мас з врахуванням фізичної та геометричної нелінійності досліджуваних матеріалів.

Другий розділ містить математичну модель процесів деформування пружнов'язкопластичних пористих середовищ з урахуванням фізичної, геометричної та функціональної (умов контактної взаємодії спряжених елементів конструкцій) нелінійностей.

Мундштучному пресуванню властиві значні переміщення керамічної маси у формуючому каналі вакуум-преса. Тому форму руху будь-якого окремого об'єму маси можна охарактеризувати як випадок «великих» деформацій, переміщень та обертань.

Загальновідомі співвідношення суцільних середовищ - кінетичні, балансні та визначальні - використали на базі лагранжевого підходу, який полягає у відображенні деякої відлікової (в окремому випадку початкової) конфігурації тіла в поточну. При цьому кінематичні характеристики руху розглядались у фіксованій у просторі декартовій системі координат та рухомій конвективній системі координат. Конвективна система координат у відліковій конфігурації приймалась збіжною з декартовою. У конвективній системі зв'язок компонент тензорів швидкостей деформування та градієнтів швидкостей переміщень визначається лінійними співвідношеннями типу Коші. Це дозволяє використовувати закон адитивного розкладання тензора швидкості деформування на пружну і непружну складові: . Балансні співвідношення використовувались у формі законів збереження маси, кількості руху, моменту кількості руху та енергії (варіаційна форма) для випадку пористих суцільних середовищ. Розглядаючи процес нерівноважного необоротного деформування, прийняли, що повні напруження Кірхгофа можна представляти у вигляді суми рівноважної та нерівноважної (релаксуючої в часі) складових: .

Для опису поведінки керамічної маси використовувався відомий асоційований закон течії

, (1)

де - ефективна в'язкість матеріалу; - потенціал, що визначає умову переходу процесу деформування ізотропного пористого матеріалу з оборотного в необоротний стан (або навпаки); знак означає: , якщо ; , якщо .

Рівняння механічного стану, які визначають закон деформування матеріалу стосовно процесів механічної обробки пористих керамічних мас, одержані у вигляді

(2)

механіка пластичний керамічний ізолятор

де - рівень гідростатичного тиску в матеріалі; - пористість; - функції пористості: ; - границя текучості матеріалу;

- інтесивність дотичних напружень. У даній постановці керамічну масу розглядали як двофазний матеріал: 1-ша фаза - [агрегати + вода] і 2-га фаза - [повітря, адсорбоване на поверхні глинистих частинок, і механічно захоплене при зволоженні].

Поряд з основними рівняннями механіки, які описують закономірності непружного деформування керамічної маси, математичне формулювання доповнювалось граничними (у формі кінематичних, статичних, змішаних та контактних умов) і початковими умовами для відомої відлікової конфігурації.

НДС у процесі експлуатації стрижневих порцелянових ізоляторів розглядався в 2D і 3D постановці як квазістатичний у припущенні про малість деформацій і переміщень. Конструкційні матеріали ізолятора (порцеляну, ЦПЗ, чавуну) приймались крихкими й ізотропними. Математичне формулювання задачі конструктивної міцності стрижневих ізоляторів є окремим випадком сформульованих співвідношень суцільних середовищ. При цьому розглядались умови контактної взаємодії різнорідних матеріалів ізолятора, що мають різноманітні властивості (шорсткість поверхні, щільність, жорсткість), за допомогою введення в граничні умови додаткових контактних умов. При опису контактних взаємодій конструкційних матеріалів стрижневого ізолятора враховувалась залежність нормальної і дотичної складових реакції від умов навантаження і контакту (за законом Кулона).

У третьому розділі описано засоби застосування проекційно-сіткових методів розв'язання еволюційної задачі пружнов'язкопластичності. Наведено алгоритми розв'язання такої задачі з урахуванням скінченності деформацій, нелінійной залежності структурно-реологічних характеристик керамічної маси від пористості та напруженого стану.

Для розв'язання сформульованої початково-крайової задачі використовувались проекційно-сіткові методи у формі методів скінченних елементів (МСЕ) по просторових змінних і скінченних різниць (МСР) за часовим аргументом. Співвідношення МСЕ були одержані на основі інтегральної постановки задачі відповідно до варіаційної форми методу Гальоркіна.

У результаті просторової дискретизації на основі МСЕ одержано напівдискретну форму рівнянь рівноваги у згорнутому вигляді, а також дискретні початкові умови

(3)

де - матриця пружнов'язкопластичної жорсткості системи елементів; - додаткові матриці, що враховують можливі зміни деформацій, об'ємних та поверхневих зусиль у процесі деформації елемента; - вектор швидкостей вузлових переміщень; , , - вектори швидкостей зміни вузлових зусиль, що відповідають зміні поверхневого і об'ємного навантажень та нерівноважних напружень відповідно. Вирази компонентів матриць і векторів у рівнянні (3) було отримано для плоского та осесиметричного випадків при використанні тривузлового трикутного симплекс-елемента як базового.

Моделювання еволюційного процесу механічної обробки керамічних мас реалізували за допомогою розробленого обчислюваного алгоритму, що базується на модифікованому методі Лагранжа у формі чисто явної схеми (типу Ямади) інтегрування рівняння (3) за часовим аргументом. При цьому компоненти матриць та , , на кожному -му кроці визначали за значеннями величин тензорів напружень та деформацій на попередньому кроці навантаження. Нові координати дискретної моделі отримували додаванням: . Вектор приростів ІІ тензора напружень Піоли-Кірхгофа в елементах додавали до вектора накопичених напружень Ейлера з урахуванням трансляції та повороту координатних осей: . На кожному часовому кроці проводили поелементну корекцію структурно-реологічних характеристик маси залежно від виду напруженого стану та пористості. Обчислюваний алгоритм припускає врахування невиходу частинок деформованого середовища за межі деформуючого інструмента та тертя керамічної маси об його внутрішню поверхню.

В основу алгоритму розв'язання конструкційної контактної задачі було покладено концепцію безтовщинного скінченного елемента (БСЕ). На границі контакту вводили прошарок БСЕ скінченної жорсткості. Розв'язання контактної задачі здійснювали в результаті ітераційного керування БСЕ за умов непроникнення та позитивності нормальних зусиль.

За базовий брали алгоритм розв'язання еволюційної задачі (3), нехтуючи фізичною та геометричною нелінійностями

, (4)

де - матриця і вектор, які відповідають варіаціям робіт контактного навантаження.

Надано стислий опис використовуваного в дослідженнях програмного забезпечення - програмного комплекса MASSA. Для перевірки адекватності математичної моделі, прийнятої для описання процесів деформування пластичних пористих тиксотропних матеріалів у випадках скінченних деформацій та з урахуванням кривої ефективної в'язкості, проведено експериментальні дослідження закономірностей пружнов'язкопластичного деформування керамічної масси в процесах механічної обробки (прямого і зворотного пресування) керамічної маси та порошків твердих сплавів, пластифікованих парафіном. В результаті розв'язання серії тестових задач встановлено задовільний збіг розрахункових та експериментально-емпіричних даних, чим підтверджено адекватність застосованих математичних моделей та програмних реалізацій.

У четвертому розділі викладено результати експериментальних та розрахункових досліджень процесів мундштучного пресування (ПМП) пластичних пористих керамічних масс при різноманітних режимах навантаження.

Експериментальне дослідження ПМП проводилося на компактному устаткуванні, змонтованому на розривній машині TIRATEST-2300.

Отримано експериментальні криві переміщення-зусилля при використанні компактного устаткування з різними ступенями деформації К. При цьому швидкість переміщення пуансона під час всього процесу залишалася сталою і варіювалася від процесу до процесу в широкому діапазоні значень.

У несталій стадії ПМП відбувається нелінійне зростання тиску пресування до певного значення (рис. 2), потім - при переході на сталу стадію - тиск знижується внаслідок переходу від контактного тертя спокою до тертя ковзання, а також в результаті релаксації напружень у керамічній масі. Як свідчать результати досліджень, зі збільшенням швидкості пресування та ступеня деформації спостерігається значне збільшення зусилля усталеного деформування.

Проведено розрахунок НДС порцелянової маси на несталій стадії процесу пластичного деформування з одночасним ущільненням (стиском) і просуванням уздовж стінок вакуум-преса PVP-50S. Початкову пористість матеріалу брали 5%, діаметр корпуса преса - 0,5 м, вологість маси - 18%.

Швидкість переміщення маси на виході зі шнекового нагнітача становить 0,033 м/с. У формуючу систему маса потрапляє після вакуум-камери зі зруйнованою коагуляційною структурою.

Поля осьових напружень характеризуються значною нерівномірністю розподілу по перерізу маси. Розподіл осьових напружень на початковій стадії несталого процесу ПМП зі ступенем деформування К=1,9 наведено на рис. 3. Для матеріалу, що знаходиться в циліндрі, характерні значні стискальні осьові напруження. В області входу в конічну частину мундштука спостерігається різке збільшення стискальних напружень. Зони розтягуючих осьових напружень локалізуються в місці переходу конус-циліндр мундштука (якщо є циліндрична частина) або біля вихідного отвору мундштука (рис. 3). У цих же зонах спостерігається приріст пористості в масі.

Вибір раціональних геометричних параметрів мундштука значно впливає на якість заготовки з керамічної маси. Досліджено вплив кута конусності, довжини циліндричної частини мундштука на НДС маси, а також запропоновано виконувати перехід від конічної до циліндричної частини мундштука скругленим із визначеним радіусом кривизни R для зменшення зон розтягуючих напружень та їх граничних значень. Найсприятливішим розподіл осьових напружень утворюється при виборі відношення D/R, що дорівнює 1. Введенням скруглення при переході від конічної до циліндричної частини мундштука досягається зниження розтягуючих осьових напружень більше ніж у 2,5 рази. Оптимальним є кут конусності 40-50° з погляду мінімізації розтягуючих напружень. Рекомендується довжину циліндричної частини вибирати не менше діаметра вихідного отвору мундштука. Циліндрична частина дає можливість локалізувати зону розтягуючих напружень у середині мундштука без виходу її на поверхню заготовки.

Як видно з рис. 4, із збільшенням ступеня деформування значно зростає зусилля пресування шнекового нагнітача. При постійному ступені деформування і при збільшеній швидкості просування маси по каналу відбувається підвищення зусилля пресування нагнітача. Збільшення довжини мундштука (циліндричної або конічної частини) спричиняє підвищення зусилля пресування (рис. 4, крива 3). Введення скруглення при переході від конічної до циліндричної частини мундштука дає можливість значно зменшити зусилля пресування (рис. 4, крива 4).

Запропоновано оригінальний метод ПМП із протитиском (ПМПП), метою якого є підвищення рівня стискальних напружень на виході маси з мундштука, що дозволяє знизити або цілком усунути ефект розтягу матеріалу. На рис. 5 подано розподіл осьових напружень у випадку ПМПП. Розрахунками встановлено, що при протитиску 12% і ступені деформації К=1,9 у всьому об'ємі мають місце тільки стискальні осьові напруження.

При ПМПП у керамічній масі відсутні розтягуючі напруження також і в момент переходу процесу в усталену стадію на відміну від ПМП. Максимальні за абсолютною величиною осьові напруження виникають біля входу в конічну частину мундштука.

При протитиску, що становить 9-12% (залежно від коефіцієнта деформації та інших конструктивних особливостей мундштука) від зусилля, утворюваного шнековим нагнітачем, досягається найсприятливіший НДС у керамічній масі. Зростання зусилля шнекового нагнітача при наявності протитиску відбувається на величину, трохи меншу, ніж рівень протитиску: при К=1,9 приблизно на 10%, при К=3,1 - на 7-8%.

Розглянуто кінетику розвитку зони непружних деформацій при ПМП та ПМПП. Як видно з рис. 6, дія протитиску істотно впливає на кінетику розвитку в'язкопластичної зони в процесі несталого деформування. Без протитиску в'язкопластична зона найінтенсивніше починає розвиватися в області переходу з конічної в циліндричну частину мундштука та рівномірно поширюється до осі симетрії мундштука. Потім зона непружного деформування, поступово розширюючись, охоплює весь об'єм осередка деформації. Проте для ПМПП характерна поява пластичних деформацій на вході в мундштук та на виході з нього. Накладення протитиску сприяє поширенню в'язкопластичної зони в місце входу в конічну частину мундштука. У цьому випадку в'язкопластична зона займає дещо менший об'єм деформованого матеріалу.

П'ятий розділ містить результати досліджень НДС стрижневих порцелянових ізоляторів (опорних стрижневих та стрижневих підвісних) та впливу конструктивних параметрів ізолятора на його механічну міцність. У розділі надаються рекомендації щодо раціонального проектування конструкцій високовольтних порцелянових ізоляторів.

У рамках дослідження стрижневих ізоляторів проведено кілька обчислювальних експериментів по визначенню залежності міцності ізолятора від глибини замурування. У проведеному обчислювальному експерименті розглянуто 3D задачу розрахунку пружного НДС опорного стрижневого ізолятора ГИОС-110-400, випробуваного на згин.

Результати розрахунків показали, що найбільші еквівалентні механічні напруження в порцеляновому стрижні і ЦПЗ виникають біля кромки вузла армування. Залежність напружень у_екв від коефіцієнта k має вигляд:

(6)

де k=h/D; h - глибина замурування; D - діаметр перетину руйнації порцелянового стрижня (D=115 мм). «Зона насичення» кривої, що описується виразом (6), починається при h=81 (k=0,704). Подальше збільшення глибини замурування не впливає на підвищення міцності конструкції при випробуванні її на згин.

Проведено розрахунки на міцність керамічного електроізолятора ПСФ-70 з урахуванням контактної взаємодії матеріалів. У чисельному експерименті досліджували пружний нелінійний НДС ізолятора ПСФ-70 (див. рис. 1) у випадку різних конструктивних рішень побудови вузла армування: з конічною, циліндрично-конічною та угнутою формою (запропонована автором) порцелянової деталі (рис. 7). При цьому встановлено, що ЦПЗ є найслабшою ланкою у вузлі армування стрижневого підвісного ізолятора. Цей висновок підтверджується результатами випробувань руйнуючою механічною силою при розтягу. Руйнування ізолятора починалося з розтріскування ЦПЗ, фланець безпосередньо давив на порцелянову ізоляційну деталь. Створювалось неосесиметричне навантаження - вузол армування працював на розтягування та згин, що викликало руйнацію порцелянової частини ізолятора ПСФ-70.

Аналіз результатів розрахунку свідчить про істотний вплив конструктивного виконання спряжених елементів конструкції керамічного електроізолятора на розподіл напружень у зонах їхньої концентрації, зокрема, кут конуса у вузлі армування порцелянової деталі. При значеннях кута конусності, менших 9°, відбувається збільшення зсувних напружень у ЦПЗ (а також зменшення стискальних), внаслідок чого можлива руйнація ЦПЗ і зняття фланців без руйнації порцелянової ізоляційної деталі. Збільшення цього кута супроводжується підвищеною концентрацією напружень у небезпечному перерізі, яка перевищує границю міцності порцеляну. Найбільш сприятливо сполучаються задовільний НДС виробу та порівняно невисока матеріалоємність при куті конусності, що дорівнює 9-11°. Застосування порцелянової деталі з угнутою формою дозволило зменшити в 1,7 рази максимальні значення осьових напружень у вузлі армування (рис. 7).

Зміни механічної навантаженості вузла армування ізолятора досягають також покриттям спряжених елементів спеціальною компенсуючою промазкою. За рахунок цього відбувається зміна коефіцієнта тертя між взаємодіючими поверхнями і, як наслідок, перерозподіл напружень.

Для визначення оптимального коефіцієнта тертя проведено обчислювальний експеримент по дослідженню НДС конструкції з циліндрично-конічною формою порцелянової деталі у вузлі армування при різних значеннях досліджуваного параметра . Тип і склад матеріалу промазки варто вибирати таким, щоб значення коефіцієнта тертя знаходилося в межах 0,62-0,75.

Вибір раціональної форми порцелянової деталі у вузлі армування дозволяє знизити рівень механічної напруженості на 20-30%, досягти рівномірнішого розподілу напружень на контактних поверхнях.

Висновки

1. Здійснено перехід від аналітико-емпіричних методик проектування до сучасних економних методів математичного моделювання, який дозволив ретельно проаналізувати технологічні процеси виробництва технічної кераміки та механічного навантаження конструкцій ізоляторів з порівняно невеликими матеріальними витратами.

2. Виведено визначальні співвідношення початково-крайової задачі пружнов'язкопластичності з урахуванням пористості та фізичної нелінійності (кривої ефективної в'язкості) керамічних мас. Розроблено кроково-ітераційний алгоритм розв'язання отриманої системи проекційно-сіткових рівнянь стосовно розрахунку НДС у задачах пружнов'язкопластичності.

3. Запропоновано загальний методологічний підхід до визначення на основі створеного математичного забезпечення раціональних конструктивно-технологічних параметрів при дослідженні процесів мундштучного пресування пластичних керамічних мас, а також при проектуванні нових конструкцій стрижневих ізоляторів.

4. У рамках запропонованого єдиного методологічного підходу:

1) проведено розрахунково-експериментальне дослідження пружнов'язкопластичного деформування керамічної маси в технологічних процесах мундштучного пресування на стрічкових вакуум-пресах; запропоновано новий спосіб мундштукового пресування - пресування з протитиском; вивчено закономірності зміни навантажень в устаткуванні, впливи протитиску і конфігурації системи формування на характеристики технології пресування; досліджено кінетику розвитку зони непружних деформацій у керамічній масі в ПМП та ПМПП;

2) проведено обчислювальні експерименти по визначенню НДС стрижневих ізоляторів; на основі отриманих обчислювальних та експериментальних даних установлено залежність міцності стрижневого опорного ізолятора ГИОС-110-400 при впливі неосесиметричного навантаження від глибини замурування порцелянової деталі в чавунний фланець. Раціональний вибір глибини замурування дає змогу максимально підвищити міцність ізолятора (у деяких випадках до 30%).

Проведено розрахунок на міцність керамічного електроізолятора ПСФ-70 з урахуванням контактної взаємодії матеріалів. Аналіз результатів розрахунку свідчить про істотний вплив конструктивного виконання спряжених елементів конструкції ізолятора на розподіл напружень у зонах їхньої концентрації. Встановлено, що ЦПЗ є найслабшою ланкою у вузлі армування. Визначено діапазон значень коефіцієнта тертя, при якому досягається раціональний розподіл напружень у порцеляновій ізоляційній деталі.

Запропоновано до впровадження модифікований вузол армування, який відрізняється тим, що замурована частина ізоляційної деталі виконана у вигляді увігнутої поверхні з деяким радіусом. Це конструктивне виконання дозволяє домогтися рівномірного розподілу механічних напружень в ізоляційній деталі і виключити з її конструкції концентратор напружень.

Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Злаказов А.Б., Крищук Н.Г., Абрамов В.И. Расчетно-экспериментальное исследование прочности опорных стержневых изоляторов // Энергетика и электрификация. - 1999. - №4. - С. 45-48.

2. Абрамов В.И., Штефан Е.В., Крищук Н.Г. Разработка информационной технологии проектирования процессов производства электротехнического фарфора с повышенными прочностными характеристиками // Энергетика и электрификация. - 1999. - №6. - С. 47-58.

3. Абрамов В.І. Розрахунки на міцність стрижневих ізоляторів // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 1999. - №3. - С. 43-47.

4. Крищук Н.Г., Абрамов В.И., Злаказов А.Б. Расчеты на прочность керамических электроизоляторов с учетом контактного взаимодействия материалов // Вестник НТУУ «КПИ». - 1999. - №37. - С. 175-182.

5. Крищук Н.Г., Абрамов В.И., Штефан Е.В. Математическое моделирование процессов мундштучного прессования керамических масс // Обработка дисперсных материалов и сред. - Одесса: НПО «Вотум», 1999. - Вып. №9. - С. 56-57.

6. Абрамов В.І. Напружено-деформований стан стрижневих ізоляторів // Наук.-техн. конференція студентів і молодих вчених «Машинобудівник-2000». - Київ: НТУУ «КПІ». - 2000. - С. 2.

7. Абрамов В.І. Напружено-деформований стан опорного стрижневого ізолятора // Тези доповідей наук. конф. студентів і молодих вчених «Машинобудівник-96 (1)». - Київ: ОНТИиПД. - 1996. - С. 21.

Размещено на Allbest.ru