СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА КАВИТАЦИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01N3/32 G01N3/56 

Изобретение относится к области исследования материалов на износ, возникающий в результате кавитационного воздействия, а именно к способам определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания полимеров.

На водном транспорте проблема кавитационного изнашивания имеет широкое распространение в судовых движительных комплексах: кавитационному изнашиванию подвергаются лопасти гребных винтов (ГВ) и обечайки направляющих насадок. По статистике очаги кавитационного износа возникают на лопастях ГВ каждого четвертого морского судна. На ГВ водоизмещающих судов кавитационному изнашиванию подвержены концевые сечения лопастей, что делает возможным применение различных полимерных составов для их ремонта. Технология ремонта, основанная на применении полимеров, позволяет существенно сократить время ремонта по сравнению с традиционными технологиями, заключающимися в наплавке очагов износа.

Разработка полимерных материалов, обладающих необходимым комплексом свойств для применения их в ремонте ГВ, требует проведения их испытаний на кавитационный износ.

Известно, что при кавитационном изнашивании отделение частиц материала с поверхности начинается не сразу после начала кавитационного воздействия: для большинства металлов и полимеров существует инкубационный период, в течение которого потери массы отсутствуют, но происходят деструктивные изменения в поверхностных слоях материала, которые накапливаются до достижения критического значения, после чего начинается отделение части износа. Инкубационный период является наиболее емкой характеристикой кавитационной износостойкости металлов. Знание продолжительности инкубационного периода важно, так как она определяет скорость последующей после окончания инкубационного периода потери материала с поверхности и является важнейшим показателем кавитационной износостойкости (Горбаченко Е. О., Цветков Ю. Н. Использование результатов измерения шероховатости поверхности для прогнозирования долговечности материалов гребных винтов при кавитационном изнашивании // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2019. - Т. 4. - № 390. - С. 53-66).

Известен способ определения инкубационного периода материалов (Пылаев Н. И. и Эдель Ю. У. «Кавитация в гидротурбинах». - Л.: Машиностроение. - 1974. - С. 199-201), согласно которому два сплава - эталонный и исследуемый - испытывают на струеударном стенде при одинаковой скорости вращения образцов до появления на образце начальных разрушений. За продолжительность инкубационного периода в известном способе принимается время, соответствующее потере массы образца, равной 10 мг.

Недостатком указанного аналога является невозможность его применения для определения кавитационной износостойкости полимеров, т.к. большинство полимеров при испытаниях с участием воды поглощают воду, что приводит к значительным ошибкам в определении инкубационного периода. Кроме того, способ требует достаточно большой продолжительности испытаний (от нескольких часов до нескольких сот часов) и обладает невысокой достоверностью получаемых результатов из-за отсутствия четкого критерия появления начальных разрушений: в зависимости от режима испытаний и кавитационной стойкости сплава потери массы равные 10 мг могут соответствовать разным стадиям кавитационного изнашивания - инкубационному периоду, стадии максимальной скорости изнашивания или стадии уменьшающейся скорости изнашивания.

Известен способ определения инкубационного периода (ASTM G32-10 Standard test method for cavitation erosion using vibratory apparatus. ASTM International, 2010), согласно которому продолжительность инкубационного периода определяется по точке пересечения прямой, полученной экстраполяцией прямолинейного участка максимальной скорости изнашивания на кинетической кривой изнашивания, с осью абсцисс.

Недостатком указанного способа является невысокая достоверность получаемого результата из-за того, что экстраполировать прямолинейный участок на кривой «износ - время», соответствующий максимальной скорости изнашивания, можно только единственным образом, но оценка получается условной, так как точка окончания инкубационного периода, получаемого таким образом, не отражает смену механизмов или кинетики изнашивания, а ее положение во многом зависит от формы кривой «износ - время». Кроме того, для определения продолжительности инкубационного периода необходимо сначала построить зависимость потерь массы от продолжительности кавитационного воздействия в результате периодического взвешивания образцов при испытаниях. Однако большинство полимеров при испытании в воде поглощают воду, что приводит к увеличению массы образцов до того, как начнется отделение частиц износа. А поэтому во избежание больших ошибок при взвешивании необходимо прибегать к специальным приемам, что существенно усложняет опыты.

Из известных решений наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату и выбранным за прототип предлагаемого решения является способ, описанный в статье «Исследование кавитационного изнашивания сталей методом измерения профиля поверхности» // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81. - №11. - С. 62-65.

Способ, выбранный за прототип, основан на определении продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлов в результате проведения испытаний металлического образца в пресной воде на магнитострикционном вибраторе. По результатам испытаний были построены зависимости потерь массы образцов и среднего арифметического отклонения профиля их поверхности от продолжительности кавитационного воздействия. Для металлов построенные зависимости имеют вид ломаной линии, положение первой от начала координат точки перелома на которой, указывает на окончание инкубационного периода кавитационного изнашивания.

Недостатком способа является то, что перечисленные закономерности изменения профиля поверхности при кавитационном воздействии, на которых основано определение продолжительности инкубационного периода, действительны только для металлов и не подтверждаются для полимерных материалов.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в возможности определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания полимерных материалов.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания материалов, основанном также как и прототип, на измерении высотного параметра шероховатости поверхности испытуемых образцов после проведения испытаний в пресной воде на магнитострикционном вибраторе, по результатам которых строят зависимости R_а(t) среднего арифметического отклонения профиля R_a поверхности образца от продолжительности кавитационного воздействия t, в отличие от прототипа, продолжительность инкубационного периода определяется по абсциссе точки на зависимости R_а(t), в которой нарушается монотонность и/или гладкость функции R_а (t).

Сущность изобретения основана на использовании выявленных особенностей процесса кавитационного изнашивания полимерных материалов, а именно: значение высотного параметра шероховатости поверхности R_а не зависит от водопоглощения поверхностными слоями полимеров; в пределах инкубационного периода происходит плавное монотонное возрастание высотного параметра шероховатости, что подтверждается графиком R_а(t), на котором по оси ординат откладывают R_а - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности, подвергаемой кавитационному воздействию, а по оси абсцисс - t - время воздействия. При этом окончание инкубационного периода сопровождается появлением на графике R_а(t) разрывов, перегибов или существенным увеличением «разброса» точек вследствие наступления циклического характера изменения параметра R_а. Последнее видно по ширине полосы хаотичного расположения точек, ограниченной пунктирными линиями (фиг. 2 и 3).

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - возможность определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания полимерных материалов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области исследования металлов на износ не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется графическими материалами:

на фиг. 1 - изображены зависимости потери массы (1) и среднего арифметического отклонения профиля (2) от времени испытаний на кавитационное изнашивание плексигласа;

на фиг. 2 - зависимости, полученные при испытании капролона;

на фиг. 3 - зависимости, полученные при испытании полиэтилена низкого давления.

Дополнительно на перечисленных рисунках обозначены: позицией 3 - продолжительность инкубационного периода, определенного по кривой ΔM(t); позицией 4 - продолжительность инкубационного периода, определенного по зависимостям R_а(t); позицией 5 - касательная к кривой ΔM(t), проведенная через точку максимальной скорости изнашивания.

Как видно из графических материалов (фиг.1-3. зависимость ΔM(t), поз.1) вначале испытаний происходит заметное увеличение массы образцов. Затем зависимость ΔM(t) проходит через минимум, после которого процесс отделения частиц износа начинает доминировать (с точки зрения потери массы) над процессом поглощения воды. При этом, если пользоваться способом определения инкубационного периода, изложенного в работе ASTM G32-10 Standard test method for cavitation erosion using vibratory apparatus. ASTM International, 2010, то для определения точки пересечения касательной 5 (фиг. 1, 2) с осью абсцисс, последнюю приходится условно переносить так, чтобы она проходила через минимум на кривой ΔM(t). При этом, по сути, такой способ определения инкубационного периода 3 является условным, так как до конца остается невыясненным влияние поглощения воды на положение точки минимума и наклон участка максимальной скорости изнашивания.

В предлагаемом способе продолжительность инкубационного периода 4 определяют по зависимостям R_а(t) по точке, после которой наблюдаются разрывы, перегибы или существенно увеличивается «разброс» точек на зависимости вследствие наступления циклического характера изменения параметра R_а. На фиг. 1 это точка, в которой произошел разрыв на кривой R_а(t), а на фиг. 2 - точка, после которой произошло нарушение монотонности функции R_а(t). Таким образом, определение продолжительности инкубационного периода исследуемого полимера сводится к периодическому измерению высотного параметра шероховатости поверхности R_а при кавитационном воздействии.

Пример реализации способа.

Определение продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания материала в соответствии с заявляемым способом продемонстрирован на графике фиг. 3 на примере кавитационного изнашивания полиэтилена низкого давления. Опыты проводили на ультразвуковом магнитострикционном вибраторе в пресной воде при амплитуде колебаний торца концентратора, равной 28 мкм, при частоте колебаний - 22 кГц и расстоянии между поверхностью образца и торцом концентратора - 0,5 мм.

Как видно из графических материалов (фиг.3, поз.2) по кривой R_а(t) в точке, соответствующей t ≈ 330 мин, происходит существенное увеличение разброса точек вследствие наступления циклического характера изменения параметра R_а, что означает смену механизма, контролирующего процесс увеличения высоты неровностей поверхности: в пределах инкубационного периода контролирующим процессом был процесс деформации поверхности под действием кавитации, а после достижения продолжительности t ≈ 330 мин контроль за процессом увеличения высоты неровностей перешел к механизму периодического отделения частиц износа. А значит, продолжительность инкубационного периода полиэтилена низкого давления равна 330 мин (отрезок 4 на фиг. 3).

Исследования проводились специалистами кафедры технологии судоремонта ФБГОУ ВО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова в лабораторных условиях.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области исследования материалов на износ, возникающий в результате кавитационного воздействия. Сущность: осуществляют измерение высотного параметра шероховатости поверхности испытуемых образцов после проведения испытаний в пресной воде на магнитострикционном вибраторе, по результатам которых строят зависимости R_a(t), где R_a - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности образца, t - продолжительность кавитационного воздействия. Продолжительность инкубационного периода t определяют по абсциссе точки на зависимости R_a(t), в которой нарушается монотонность или монотонность и гладкость функции R_a(t). Технический результат: возможность определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания полимерных материалов. 3 ил.

Способ определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания полимерных материалов, основанный на измерении высотного параметра шероховатости поверхности испытуемых образцов после проведения испытаний в пресной воде на магнитострикционном вибраторе, по результатам которых строят зависимости R_a(t), где R_a - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности образца, t - продолжительность кавитационного воздействия, отличающийся тем, что продолжительность инкубационного периода t определяют по абсциссе точки на зависимости R_a(t), в которой нарушается монотонность или монотонность и гладкость функции R_a(t).