Исследования интенсивности кавитационного износа



Проблема обеспечения заданных показателей надежности является ключевой при конструкторско-технологическом проектировании. В полной мере это относится к изделиям, работающим в условиях гидродинамического нагружения, к которым относятся, например, насосные агрегаты, движительно-рулевые колонки судов и др. В настоящее время активно развивается направления исследований, связанных с одновременным развитием данных изделий в области повышения мощности и увеличении ресурса их функционирования. Как следствие, основные ответственные детали изделий (гребные винты судов, рабочие колеса насос и т. д.) эксплуатируются во все более жестких условиях гидродинамического нагружения рабочих поверхностей, определяя тем самым все необходимые предпосылки к повышению интенсивности их износа. Одним из основных факторов, определяющих характер износа рабочих деталей, связан с интенсивностью протекания кавитационных процессов.

В настоящее время можно выделить пять существующих гипотез кавитационного износа деталей: коррозионная, механическая, гидроэлектрическая, обобщённая и теория кумулятивных струй.

Гипотеза о коррозионной природе кавитационного разрушения. В начале, когда природа кавитации была мало изучена, считали, что наблюдаемое специфическое разрушение металлов всецело происходит из-за химического влияния воды, т. е. имеет коррозионное происхождение. Эта теория впервые полно была изложена в трудах Вагенбаха (1906 г.), Рамзая (1930г.), Феттингера и их последователей. В дальнейшем при изучении этого процесса было обнаружено разрушение коррозионностойких материалов (нержавеющие стали, золото, бетон и др.) и тем самым коррозия сама по себе не является основным и единственным фактором, участвующим в кавитационном изнашивании. Примером этому служат факты, отмеченные в работах [4, 5, 6, 7] об особенностях разрушения коррозионностойких лаковых покрытий на втулках цилиндров дизелей, чугуна и др. моменты, противоречащие теории химической и электрической коррозии. Несмотря на большое количество работ, опровергающих чисто коррозионную природу кавитационного износа, некоторые исследователи пытаются доказать ее состоятельность. Определенный интерес представляют работы по применению катодной защиты [8–17] в целях подавления кавитационного изнашивания. Можно отметить, что чисто коррозионная теория не объясняет природы кавитационного износа, но это не является основанием для отрицания участия коррозионного фактора в данном процессе, т. к. в настоящее время известно, что сама кавитация интенсифицирует химические процессы окисления металла вследствие выделения активных химических веществ [18].

Гипотеза о механической природе кавитационного разрушения. Одновременно с коррозионной теорией кавитационных разрушений возникла и механическая гипотеза. Впервые ее выдвинули и отстиавли немецкий инженер Рюбель (1906 г.), английские исследователи О. Зильберрад (1912 г.), Ц. Парсонс и С. Кук (1919 г.), Я. Аккерт (1932 г.). Так О. Зильберрад для обоснования данной гипотезы впервые проводил испытания образцов материалов на струеударной установке. В работе [8] была раздельно изучена глубина проникновения разрушений на различных металлических сплавах при кавитационном и коррозионном процессах в синтетической морской воде. Автором обнаружено, что скорость кавитационного разрушения превосходит скорость коррозии рассмотренных им материалов в 50000–100000 раз. Сами по себе коррозионное и кавитационное разрушения — несопоставимые явления, поэтому раздельное изучение их не позволяет делать заключение о роли коррозионного фактора в кавитационном изнашивании.

Гипотеза о воздействии кумулятивных струй на кавитационные разрушения. Разработанная в 60-е годы 20-го столетия теория кавитационного износа, основанная на воздействии кумулятивных струй, возникающих при коллапсе кавитационного пузырька, является по мнению многих исследователей [19–24], более достоверной, чем все предыдущие. М. Робинсон и Ф. Хэммит высказывают убеждение в том, что кавитационные повреждения происходят главным образом под действием высокоскоростных микроструй жидкости (явление кумулятивного течения), создаваемых при тороидальном смыкании кавитационных пузырьков, обнаруженных ими экспериментально. В доказательство они приводят расчеты Р. Айвени, согласно которым давления, развиваемые при обычном смыкании пузырьков, недостаточны для того, чтобы вызвать повреждения металлических тел. По их подсчетам скорость кумулятивных струй в момент удара составляет 1200 м/с. Кроме того, при конденсации пара, находящегося в кавитационном пузырьке, образуется капля, которая при сильном соударении с преградой также вызывает эффекты, подобные кумулятивной струе [20]. С. П. Козырев [19] приводит большое количество кинокадров, подученных скоростной съемкой, на которых видна картина втекания струй в кавитационную полость.

Данную гипотезу можно проиллюстрировать:

При гидродинамической кавитации на поверхности детали в области пониженного давления образуются кавитационные полости (пузырьки или каверны) из ядер кавитации, которые присутствуют в любой жидкости. Эти полости расположены как непосредственно на поверхности детали, так и на расстоянии от неё. При попадании полостей в область повышенного давления происходит их сжатие с образованием микроструй, механически воздействующие на поверхность детали в случае схлопывании пузырька у поверхности. При периодическом воздействии этих микроструй происходит унос массы материала с образованием лунок на поверхности детали.

Гипотеза о вихревой природе кавитационного разрушения. Несколько иной точки зрения придерживался М. Г. Тимербулатов. Сущность его гипотезы состоит в том, что при столкновении быстрых потока жидкости с препятствием образуются завихрения, которые периодически срываются и уносятся потоком. Те участки поверхности тела (или стенка канала), которые приходятся на место отрыва вихря, оказываются под действием высокочастотных импульсов отрыва жидкости и подвергаются изнашиванию. Данная гипотеза экспериментально не подтверждена.

Гипотеза о гидроэлектрической природе кавитационного разрушения. Данная гипотеза описывает процесс износа как результат воздействия электрических разрядов, возникающих при смыкании кавитационных пузырьков на разрушаемой поверхности. По мнению Я. И. Френкеля и С. Е. Бреслера электрические разряды в жидкости возникают фотохимические явления, ускоряющие коррозию, а В. А. Константинов и Г. Е. Рудашевский считают, что эрозия является результатом непосредственного действия обнаруженных электрических разрядов и, отчасти, связанных с этим химических процессов. Однако экспериментов по данной гипотезе крайне мало и роль этих разрядов в кавитационном износе остается окончательно не решенным.

Обобщенная теория кавитационного разрушения. Как выяснилось, ни чисто механическая, ни коррозионная, ни гидроэлектрическая теории не раскрывают всех сторон сложного явления кавитационного изнашивания. Как известно, при кавитационном изнашивании материал находится в особых условиях, способствующих увеличению, например, скорости коррозии, наблюдается местная деформация, обусловленная тем, что при замыкании пузырьков разрушаемая поверхность бомбардируется большим числом многократно повторяющихся гидравлических ударов значительной интенсивности, что приводит к созданию неоднородно напряженных участков, которые ведут себя в электролите по разному: более напряженные являются анодом, а слабонапряженные — катодом. К этому следует добавить: в зонах воздействия гидравлических ударов происходит мгновенный разогрев материала, приводящий к тепловому удару. Все эти явления вместе и вызывают кавитационное разрушение материалов. Опубликовано значительное количество работ, в которых исследователи пытаются дать оценку количественного соотношения потерь от коррозионных и механических факторов в общее объеме кавитационного износа.

Абачерев М. М. выделяет следующую схему обобщенной теории физической природы кавитационного износа:

1. Захлопывания кавитационных пузырьков, сопровождающиеся искрами и тепловыми ударами, вызывают мгновенное окисление мест бомбардировки и создают в них тепловые сжимающие напряжения.
2. Гидравлические удары разрушают поверхностные окисные слои материала, вследствие чего он ве время находится в активном состоянии
3. Поверхностные слои, изношенные из-за механических усталостных воздействий, дополнительно разрушаются от коррозионной усталости.
4. Промывающее действие кавитационных пузырьков завихряет жидкость у поверхности материала и устраняет слои, задерживающие дифузию: облегчается вывод ионов металла, который под воздействием сильных завихрений незамедлительно проникают в жидкость, т. е. происходит местное растворение металлической поверхности.

Эта гипотеза природы кавитационных разрушений не является исчерпывающей и не дает возможности определения критерия кавитационностойкости материалов.

В настоящее время ни одна отдельно взятая теория не раскрывает полной картины сложного явления кавитационного износа деталей.

В настоящее время имеются три основных методики испытаний материалов на стойкость к кавитационной эрозии — гидродинамическая (естественная) кавитация, гидроструйное (ударное) воздействие на образец и ультразвуковая (вибрационная) кавитация.

Первый метод позволяет имитировать кавитационную эрозию более близко к действительной (происходящей в проточной части гидромашин [2]), однако требует непропорционально больших затрат времени и энергии, так как в этом случае время подконтрольного разрушения может составлять сотни и даже тысячи часов непрерывной работы стенда.

Второй метод разрушения подразумевает исполнение гидроструйной установки и вращающегося с высокой скоростью образца [8]. В этом случае, время, требуемое для эрозии, снижается примерно на 2 порядка по сравнению с первым методом. Однако здесь не достигается равномерное разрушение образца, физика процесса далека от реально кавитации.

Третий метод, применяемый в настоящей работе — метод вибрационной (ультразвуковой) кавитации, согласно которому образцу, находящемуся в жидкости, сообщаются высокочастотные колебания вдоль вертикальной оси. При этом на торцевой поверхности образца возникает ультразвуковая кавитация, приводящая к кавитационной эрозии.

Соотношение времени кавитационной эрозии образца (что выражается скоростью уноса материала с поверхности образца) и гидродинамической или ударной может быть найдено только экспериментально, однако в работах [4, 5] приводится что оно линейно

В настоящей работе была применена ультразвуковая схема получения кавитационной эрозии — наиболее удобна для проведения экспериментов с точки зрения стоимости оборудования и времени исследования образцов.

В результате проведенных экспериментов было исследовано развитие кавитационной эрозии на примере стали Ст3. Развитие эрозии оценивалось с помощью динамики уноса материала и глубины образовавшихся каверн.

Изначально образец имел массу 26.18572 гр. С шероховатостью вдоль бороздок 0,5 мкр. На рисунке 1 представлено изначальное состояние поверхности.

Рис. 1

После третьего эксперимента, когда был разрушена оксидная пленка скорость уноса материала резко возросла вместе с изменением шероховатости, которая составила 5 мкр и появление каверн 125 мкр.

Рис. 2

К окончанию серии экспериментов шероховатость достигла 15 мкр и глубина отдельных каверн достигла 300 мкр.

Рис. 3

На рис. 4 представлена скорость изменение массы образца после каждого эксперимента.

Рис. 4

Серия экспериментов показала применимость данной методики для оценки сравнительной кавитационной стойкости материала. Однако для получения более полной картины необходим ряд испытаний на различных материалов и сравнение их кавитационного износа в кавитаторе с реальным износом.

Литература:

1. Ковалев А. А., Спокойный И. А., Шашурин В. Д. Оценка кавитационной стойкости узлов и деталей машин, работающих в жидких агрессивных средах // Вестник машиностроения. 2014 № 5 С. 50–55
2. Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных осевых насосах. М.: Машиностроение, 1976. 325с
3. Петров А. И., Скобелев М. М., Ханычев А. Г. Исследование сравнительной стойкости и кавитационной эрозии образцов материалов и покрытий проточной части гидромашин //Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение» 2015. № 2 С. 128–137
4. Гликман Л. А. Коррозионно-механическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1955. 187с.
5. Богачев И. Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. М.: Металлургия, 1972. 232с
6. Тимербулатов М. Г. Влияние коррозии и интенсивность кавитации на характеристики металлов в лабораторных и эксплуатационных условиях // Гидротехническое строительство. Москва, 1974 № 4 С. 29–32
7. Ноде Ц. П., Эллис А. Т. О механизме кавитационных разрушений полусферическими пузырьками, смыкающимися при контакте с твердой органической поверхностью // Труды Американского общества инженеров-механиков: Теоретические основы инженерных расчетов. М.; Мир, 1961. Серия Д, № 4 с.84
8. H. Zhang, J. Duncan, G. L. Chahine. The Final Stage of the Collapse of a Cavitation Bubble near a Rigd Wall // Journal of Fluid Mechanics, 1993. P. 147–181