Том 29, № 3 (2025)
Машиностроение
Влияния исходной микрогеометрии на качество поверхности деталей из алюминиевого сплава АМг6 после ультразвукового поверхностного пластического деформирования
Аннотация
Цель – изучение влияния исходной микрогеометрии поверхности и количества проходов индентора на микротвердость и шероховатость поверхностного слоя изделий после ультразвукового поверхностного пластического деформирования. Исследование проводилось на цилиндрических образцах из алюминиевого сплава АМг6. Обработка осуществлялась методом ультразвукового поверхностного пластического деформирования по тангенциальной схеме ввода ультразвуковых колебаний и при изменении количества проходов индентора от 1 до 5. Диапазон исходной шероховатости алюминиевых образцов – от Ra 0,44 до Ra 3 мкм. Оценка качества обработанной ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием поверхности осуществлялась на основе измерения параметров шероховатости и микротвердости. Экспериментально установлено, что для выбранного диапазона исходной шероховатости поверхности показатели шероховатости и микротвердости образцов достигают стабильных значений после 1-2 проходов ультразвуковой обработки. Показано, что эффективность ультразвукового поверхностного пластического деформирования деталей из алюминиевого сплава АМг6 в значительной степени определяется микрогеометрическими и физико-механическими характеристиками исходной поверхности и количеством циклов обработки, при этом наблюдается существенное снижение параметров шероховатости и прирост микротвердости в сочетании с формированием специфической ячеистой микрогеометрии поверхности. Установлено, что увеличение количества проходов (более 1-2) не является эффективным способом дальнейшего улучшения качества поверхностного слоя. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологических процессов в машиностроительной, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, рационализации подбора финишных операций, обеспечения современных требований к качеству обработанной поверхности деталей из алюминиевых сплавов, что позволит повысить экономическую эффективность производства.
iPolytech journal. 2025;29(3):308-321
308-321
Экспериментальное исследование различных способов постобработки пластиковых деталей, изготовленных методом 3D-печати
Аннотация
Цель работы – провести сравнительный анализ и оценку методов обработки поверхностей пластиковых изделий, изготовленных с использованием технологии 3D-печати методом Fused Deposition Modelling (моделирование методом послойного наплавления). Экспериментальные исследования производились на образцах, изготовленных из ABS-пластика с помощью различных инструментов физической, термической и химической обработки, таких как: электрического гравера с абразивными кругами крупной и мелкой зернистости, фетрового полировального круга и абразивной пасты, бор-фрезы; ацетона, дихлорметана (метилена хлористого); паяльного фена; полупроводникового лазерного гравера NEJE Master с регулировкой мощности лазерного излучения. Изучение проводилось с помощью оптического портативного и цифрового микроскопов. Основное внимание в статье было уделено практическому рассмотрению существующих методов обработки поверхности изделий из ABS-пластика, их недостаткам и преимуществам. В результате проведенного сравнительного анализа методов обработки поверхностей изделий из ABS-пластика была проведена визуальная оценка результатов обработки поверхности различными методами по нескольким критериям. Сравнение проводилось среди полученных типов поверхностей, четкости слоев, однородности поверхности, степени деформации, наличию царапин/трещин, раковин, наплывов, вздутий. Их сравнение было проведено на основе выдвинутых критериев. Сравнительный анализ различных методов обработки показал, что наилучший результат полученного качества был достигнут при обработке поверхности c помощью лазерного излучения. Показано, что данный метод имеет недостаток, который заключается в необходимости предварительной настройки лазера и потенциальной сложности обработки объемных деталей. Результаты данного исследования можно применять в машиностроении при изготовлении деталей с использованием аддитивных технологий для управления качеством поверхности пластиковых изделий.
iPolytech journal. 2025;29(3):322-335
322-335
Повышение надёжности подшипника скольжения с керамической вкладкой
Аннотация
Цель – поиск конструктивного решения, обеспечивающего надежную и долговременную работу узла трения с керамическим подшипником скольжения, которая достигается с помощью анализа и оптимизации напряженно-деформированного состояния керамической вкладки подшипника с учетом реальных условий нагружения подшипника скольжения. Конструирование подшипникового узла проводилось с учетом особенностей свойств керамических материалов, обладающих низкой прочностной надежностью при действии напряжений растяжения. Для повышения точности решения проводились учет неравномерности нагрузки в подшипнике скольжения и определение реальной площади контакта. Также учитывается то, что поверхность вкладыша находится в сложном напряженном состоянии, и поэтому расчет идет по эквивалентным напряжениям. Критерием является минимизация эквивалентных напряжений, что соответствует оптимальному натягу и обосновывает его выбор. Для анализа использован дискретно-континуальный способ метода конечных элементов с использованием вариационного принципа по методу Лагранжа. Программа для расчета позволяет получить значения эквивалентных напряжений в зависимости от натяга и выбрать его оптимальное значение. Анализ полученных результатов приводит к оптимизации геометрический формы керамической вкладки. Установлено, что в предложенной оригинальной конструкции подшипника скольжения возможно преодоление (в значительной степени) хрупкости, присущей керамическим материалам за счет минимизации растягивающих напряжений. Надежность работы подшипника скольжения и его долговечность повышены. Предложена оригинальная конструкция подшипника скольжения с керамической вкладкой. Данная конструкция позволяет использовать усовершенствованные керамические конструкционные материалы в подшипниках скольжения, что расширяет параметры эксплуатации узлов трения современных устройств. Преодоление хрупкости керамических материалов требует разработки специальных конструктивных приемов – по преодолению растягивающих напряжений за счет оптимально выбранных натягов, создающих напряжения сжатия во вкладке. Выбор оптимальных натягов может быть выполнен с помощью применения численных методов анализа напряженно-деформированного состояния, в частности метода конечных элементов.
iPolytech journal. 2025;29(3):336-344
336-344
Исследование возможностей концевых монолитных твёрдосплавных фрез для обработки заготовок деталей, имеющих градиент твёрдости
Аннотация
Цель – исследовать период стойкости концевых монолитных твердосплавных фрез при фрезеровании материалов заготовок деталей с твердостью основы HRC 40 при твердости поверхностного слоя HRC 65 и выше. Для обработки заготовок использовали концевые монолитные твердосплавные четырехзубые и девятизубые фрезы; контрольные фрезы были без покрытия. На исследуемых фрезах покрытия исполнялись многослойными, наноструктурированными толщиной до 5 мкм, которые наносили методом конденсации с ионной бомбардировкой на установке серии Булат. Были изучены покрытия трех видов. Первое выполнено из карбонитрида титана и слоя нитрида титана (TiCN+TiN); второе – смеси титана с алюминием и слоя оксида алюминия, смеси нитрида титана с алюминием и слоя оксида алюминия ((TiAl)N+Al2O3+(TiAl)N+Al2O3). Третий вид покрытия состоял из карбонитрида титана со слоем нитрида смеси титана и алюминия, слоев оксида алюминия и карбида титана (TiCN+(TiAl)N+Al2O3+TiC). Обрабатываемые заготовки имели наплавку поверхностного слоя твердостью выше HRC 61. Наплавку наносили с помощью установки дуговой сварки модели TST 350, дополненной сварочным полуавтоматом модели ПДГ0–527-4А при использовании порошковой проволоки марки ПП-АН167. Установлено, что период стойкости девятизубой фрезы без покрытия и с покрытием превышает аналогичные периоды стойкости четырехзубой фрезы. По результатам экспериментов отмечено, что на девятизубой фрезе покрытие состава TiCN+(TiAl)N+Al2O3+TiC более рационально, и по периоду стойкости превосходит покрытие (TiAl)N+Al2O3+(TiAl)N+Al2O3 во всем диапазоне скоростей резания. Получены зависимости периода стойкости от скорости резания отдельно для концевых монолитных твердосплавных девятизубых фрез и концевых монолитных твердосплавных четырехзубых фрез с различными многослойными наноструктурированными покрытиями. По выявленным зависимостям можно установить наиболее рациональные условия эксплуатации этих фрез. Результаты исследований могут использоваться при создании технологий изготовления деталей с твердостью поверхностного слоя выше HRC 65.
iPolytech journal. 2025;29(3):345-352
345-352
Энергетика
Методика приведения исходных данных по ветроизмерениям к однородным в условиях местности со сложным рельефом
Аннотация
Цель – разработать методику, позволяющую привести исходные данные по ветроизмерениям, полученные с метеостанций, к условиям расположения ветроустановки или ветроэлектростанции с учетом рельефа местности. Для решения поставленной задачи предлагается использовать численное решение системы дифференциальных уравнений для условий турбулентной среды нижнего приземного слоя атмосферы (высота от поверхности земли не превышает 1000 м). В качестве объекта-аналога используется ветроустановка фирмы Kamai 300 кВт, установленная в пос. Усть-Камчатск. Используется упрощенная система уравнений, которая из-за специфики доступных исходных данных сводится к учету рельефа местности для определения величины скорости ветра на площадке ветроэлектростанции. Для определения рельефа используются спутниковые карты и известные таблицы приведенной шероховатости местности. Оценка применимости разработанной авторами методики, а также оценка влияния точности исходных данных для прогноза выработки ветроэлектростанции проводится на примере ветроресурсов в пос. Оссора, п-ов Камчатка. Показано, что предлагаемый подход позволяет снизить ошибку последующего прогноза выработки ветроэлектростанции до 15%. Кроме этого, предложенная методика не требует наличия большого числа лет наблюдений за суточным и годовым ходом изменения скорости ветра, что является актуальным для новых ветроэлектростанций. В связи с тем, что метеорологическая сеть предоставляет данные, актуальные для региона и описывающие его характеристики в целом, усложняется задача определения ресурса в конкретной точке региона с интервалом времени до 3-х ч. Предложенное решение касается как процесса проектирования, так и процесса эксплуатации ветроэлектростанции, т.к. позволяет получить распределение скорости ветра на площадке даже при условии использования данных, относящихся к региону большей площади.
iPolytech journal. 2025;29(3):353-362
353-362
Анализ эффективности относительных методов поиска повреждений кабельных линий
Аннотация
Цель – оценить эффективность применения относительных методов определения мест повреждений кабельных линий 6/10 кВ, эксплуатируемых на промышленном предприятии, на основе сравнения рефлектограмм, полученных на поврежденных кабельных линиях, с эталонными. Объектом исследования служили три кабельные линии 6/10 кВ с бумажно-масляной изоляцией длиной 900–3000 м и со сроком эксплуатации более 30 лет. Тип повреждения всех кабельных линий – однофазный заплывающий пробой. В работе использовались различные методы поиска мест повреждений линий и применяемых испытательных установок: импульсный, импульсно-дуговой, метод колебательного разряда по току. В качестве оборудования для поиска мест повреждений выступали рефлектометр РЕЙС-305, ударная установка ГВИ 24.3000ИДМ и присоединительное устройство по току SDC50. Производились многократные зондирования исследуемых кабельных линий с целью получения рефлектограмм, имеющих информацию о расстоянии до места повреждения. В результате проведенных исследований были сняты рефлектограммы кабельных линий различной информационной ценности, среди которых удалось отобрать истинные. Выявлены серьезные расхождения в форме отображаемого зондирующего импульса в рефлектограммах по сравнению с эталонными, приведенными в технической литературе. Отмечены проблемы при применении импульсно-дугового метода, заключающиеся в ограничении по напряжению пробоя в месте повреждения. Также показано, что каждое место повреждения имеет свои особенности, причины которых являются сложновыявляемыми ввиду невозможности установить процесс и предпосылки протекания тока в момент возникновения короткого замыкания. По результатам проведенных исследований был составлен рекомендуемый алгоритм действий при определении расстоянии до места повреждения кабельной линии. Однако ввиду малого количества научно-исследовательских работ по данной тематике абсолютно универсального подхода к определению мест повреждения кабельных линий в настоящий момент не существует, и его создание требует поведения дальнейших исследований.
iPolytech journal. 2025;29(3):363-375
363-375
Металлургия
Сорбционное извлечение лития из рассола
Аннотация
Цель – исследовать эффективность извлечения лития из высокоминерализованного хлорид но-кальциевого рассола Сибирской платформы с использованием синтезированного сорбента на основе слоистого двойного гидроксида алюминия-лития. Изучение свойств сорбента (набухаемости, механической прочности) проводилось согласно ГОСТ 51641-2000 с использованием орбитального шекера ELMI S-3L.А20 и высокоточных аналитических весов CAS CAUW-220D. Кинетика сорбции исследовалась в статических условиях. Полная динамическая емкость и динамическая обменная емкость (до «проскока») при скоростях потока рассола от 1-го до 3-х колоночных объемов в час определялись в динамических экспериментах (проведено 100 непрерывных циклов сорбции-десорбции). Анализ растворов на содержание элементов проводился методом АЭС-ИСП с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой iCAP 7400 Radial. Согласно проведенным исследованиям, набухаемость сорбента составила 19%, измельчаемость – 1,72%, истираемость – 0,27%. Время достижения полуравновесия при сорбции лития в статических условиях – 3 мин. Статическая обменная емкость составила 5,5 мг/г, полная динамическая обменная емкость – 5,5–5,7 мг/г. При скорости потока рассола 2 колоночных объема в час достигнуто 95%-е извлечение лития. Для промышленного извлечения лития на уровне 95% при скорости потока 1–2 колоночных объема в час требуется 2 колонны (или 3 колонны при скорости потока 3 колоночных объема в час). Показано, что емкость сорбента сохраняется на уровне 5,6 мг/г на протяжении 100 циклов сорбции-десорбции. Соотношение концентрации (Ca2++Mg2+)/ Li⁺ в элюате снижено в 682 раза по сравнению с исходным рассолом. Таким образом, сорбент демонстрирует высокую эффективность для извлечения лития из рассолов с экстремально высоким содержанием ионов кальция. Высокие значения скорости достижения полуравновесия, емкости, механической прочности, а также стабильность работы в 100 циклах сорбции-десорбции подтверждают промышленный потенциал сорбционного извлечения лития из высокоминерализованных хлоридно-кальциевых рассолов.
iPolytech journal. 2025;29(3):376-388
376-388
Усовершенствованная методика рационального анализа золота в углистом сорбционно-активном минеральном сырье
Аннотация
Цель – разработка усовершенствованной методики и повышение достоверности рационального анализа золота в углистом сорбционно-активном минеральном сырье. При исследовании высокосорбцион но-активного сырья классическая методика рационального анализа золота приводит к искажению результатов: доля цианируемого золота оказывается заниженной, а часть извлекаемого золота ошибочно отнесена к упор ной форме. Это обусловлено высокой сорбционной активностью природного органического углерода, который активно сорбирует золото из жидкой фазы цианистой пульпы, конкурируя с искусственными сорбентами на всех стадиях выщелачивания. Разработана усовершенствованная методика рационального анализа высоко сорбционно-активного сырья, включающая двухстадийную обработку на каждом этапе: сначала проводится цианирование в стандартных условиях с увеличенной загрузкой сорбента, затем – замена сорбента на свежий и высокотемпературная сорбционная обработка при температуре 80–95°C в течение 2 ч. Методика была апробирована на нескольких видах углистого минерального сырья и позволила оценить полноту извлечения золота при цианировании. Так, результаты показали повышение доли золота в цианируемой форме на 4,2–12,5% по сравнению с классической методикой, что позволяет более точно дифференцировать формы нахождения металла и скорректировать технологические подходы к переработке сорбционно-активного сырья. Применение данной методики особенно важно для руд с высоким содержанием органического углерода и высокой сорбционной активностью, так как она обеспечивает более достоверные фазовые характеристики золота в сырье и позволяет производить корректный выбор технологической схемы переработки данного вида сырья. Методика рекомендована для внедрения в лабораторную, а также производственную практику.
iPolytech journal. 2025;29(3):389-398
389-398
Разработка программного обеспечения для балансовых расчётов переработки ильменитовых концентратов
Аннотация
Цель – разработка специализированного программного обеспечения для автоматизации расчетов балансов материальных потоков в технологической схеме переработки ильменитового концентрата с целью оптимизации производства титана, снижения потерь сырья и повышения эффективности управления процесса ми. Применен метод анализа материальных потоков для комплексного контроля движения материалов на всех стадиях переработки титансодержащего сырья: восстановительной плавки, хлорирования шлака в расплаве, выделения и очистки тетрахлорида титана, магниетермического восстановления металла и вакуумной сепарации. Разработан программный комплекс на языке Python, состоящий из четырех модулей, каждый из которых рассчитывает материальный баланс для конкретной технологической стадии. Взаимодействие с пользователем реализовано через MS Excel для удобства ввода данных и визуализации результатов. Программный комплекс обеспечил расчет полных материальных балансов с отклонением менее 0,2%. Анализ выявил потери титана тех ногенного характера на уровне 21,4% от исходного количества металла в концентрате. Показано, что наибольшие потери Ti приходятся на стадиях восстановительной плавки (6,63%, в основном в пыль и чугун) и очистки тетрахлорида титана (IV) (12,92%, в побочные продукты). Меньшие потери зафиксированы при хлорировании шлака (0,33%), восстановлении тетрахлорида титана (IV) (2,50%) и сепарации реакционной массы (0,51%). Разработанные программы опубликованы в официальном бюллетене Роспатента «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем». Разработанный комплекс программ позволяет автоматизировать расчет материальных балансов в производстве титана из ильменитового концентрата. Ключевые направления совершенствования технологической цепочки – модернизация стадий восстановительной плавки и очистки тетрахлорида титана, где наблюдаются максимальные потери целевого металла.
iPolytech journal. 2025;29(3):399-411
399-411
Влияние состава анодной массы самообжигающегося анода на показатели электролитического получения алюминия
Аннотация
Цель – провести анализ влияния вида кокса (нефтяного, пекового) в составе анодной массы самообжигающегося анода на показатели электролиза. Для достижения цели был произведен сбор производственных данных с работающих электролизеров типа С-8Б(М) с анодами Содерберга в период с июня по октябрь 2024 г. Данные собирались со 172 электролизеров, установленных в серии № 1, и со 186 – в серии № 2. Показано, что выход угольной пены преобладает на электролизерах с анодами, в состав анодной массы которых входит нефтяной кокс, и составил на 1 электролизер 15,9 кг (против 8,4 кг на ваннах с анодами на основе массы из пекового кокса). Удельный расход электроэнергии за исследуемый период на серию ванн, работающих с анодной массой на основе нефтекокса, составил 15393 кВт·ч/т Al (против 15341 кВт·ч/т Al). По казано, что расход анодной массы на основе нефтяного кокса на 1 электролизер выше на 1,82 т, чем на ваннах, работающих на пековом коксе (при скорости сгорания анода 1,5 см/сут и 1,47 см/сут соответственно). В период исследований зафиксировано 285 технологических нарушений при перестановке анодных штырей (протеки пека, гажения) на анодах, в состав масс которых входил нефтекокс (при 121 нарушении на другом виде кокса). Таким образом, сравнительный анализ данных при обслуживании электролизеров с анодами Содерберга показал, что наименьшими выходом угольной пены, удельными расходами электроэнергии и анодной массы и скоростью сгорания анода характеризуются аноды, сформированные из массы на основе пекового кокса. Что свидетельствует о том, что для повышения эффективности алюминиевого производства необходимо использовать пековый кокс при производстве анодной массы самообжигающегося анода электролизера.
iPolytech journal. 2025;29(3):412-424
412-424