Экология СПРАВОЧНИК

Поведение материала под действием удара твердых частиц сложным образом зависит от физических свойств преграды и частицы2. Последствия удара, или ударное разрушение, проявляются в виде развития трещин, образования и слияния пор, появления областей больших касательных напряжений (адиабатических) и т. п. В рамках настоящего обзора в основном будет рассмотрен механизм хрупкого разрушения; другие механизмы разрушения кратко описаны в главе Раффа и Видер-хорна настоящей книги. Возможны различные режимы хрупкого разрушения. Они рассмотрены в разд. 2 настоящей главы, и это рассмотрение служит основой для изложения механики ударного разрушения, которое занимает оставшуюся часть главы.

Далее

Сильная зависимость от длины волны указывает на важную роль гармонического анализа поверхностных волн, возникающих при ударе. Амплитуды волн различной частоты могут быть измерены экспериментально с помощью пьезоэлектрических датчиков (при акустических колебаниях) или получены расчетным яутем для простых случаев (например, для упругого удара).

Далее

При одномерном ударе адиабату Гюгонио можно непосредственно использовать для получения зависимости давления от времени в процессе контакта. Если преграда покоится, то начальная скорость частиц преграды равна нулю, а скорость ударяющей частицы равна ее начальной скорости ур. При соприкосновении скорость частиц и и давление р с обеих сторон поверхности контакта должны удовлетворять условиям совместности. Разрыв скорости частиц в начальной стадии контакта, таким образом, равен и для преграды и юр — и для частицы. Подстановка этих значений скорости частиц в уравнение (38) для преграды и частицы позволяет выразить р или и через ир, а также г, р и 5. Удобный графический метод определения р показан на рис. 19.

Далее

Проблемы удара настолько сложны, что поле ударных напряжений может быть рассчитано с достаточной точностью только с помощью численных конечно-разностных методов. До настоящего времени выполнено немного подобных расчетов, поэтому еще трудно представить полную картину поля ударных напряжений. Однако эта задача может быть частично решена с помощью приближенных аналитических методов и имеющихся численных результатов.

Далее

Поля динамических напряжений и характеристики разрушения слишком сложны, чтобы можно было разработать аналитические модели, дающие полное количественное описание ударного разрушения. Наиболее разумный подход при создании моделей ударного разрушения заключается в принятии некоторых постулатов, которые описывают наиболее существенные стороны явления, с последующей проверкой и уточнением их с помощью отдельных численных расчетов. В результате такого подхода появляются безразмерные функции, связывающие основные характеристики материалов и параметры удара. Эти функции можно использовать для корреляции экспериментальных данных по ударному разрушению и, следовательно, для подтверждения принятых постулатов и получения численных значений коэффициентов. Этот подход только еще складывается, и пока можно описать лишь предварительные результаты. Тем не менее подробное его описание полезно и будет приведено ниже. Сначала обсудим численные методы, поскольку они одинаковы для всех механизмов разрушения, а затем рассмотрим модели, пригодные для описания конкретных механизмов разрушения.

Далее

К сожалению, зная параметры ударного разрушения, нельзя непосредственно рассчитать скорость эрозии. Механизм уноса массы, особенно для достаточно пластичных материалов, часто зависит от совокупного действия многих частиц, которое не удается полностью оценить на основе исследований удара одиночных частиц. Например, унос пластичного вала на периферии кратера, по-видимому, является важным механизмом эрозии некоторых металлов при падении частиц по нормали [28]. Поэтому механизм эрозии был прослежен в общих чертах в небольшом числе случаев. Эти вопросы подробно рассматриваются в этой книге в главе, написанной Раффом и Видерхорном.

Далее

Эрозия материалов при ударе твердых частиц по их поверхности представляет собой одну из нескольких форм разрушения материалов, в общем случае классифицируемого как износ. К настоящему времени хорошо известно, что износ является -сложным явлением, состоящим в действительности из нескольких одновременных и взаимодействующих процессов, обычно включающих механические, химические и технологические параметры материалов, а также совокупность механизмов. Эта комплексность во многих случаях, по-видимому, представляет собой непреодолимые трудности для упрощения как для экспериментатора, пытающегося полностью разделить переменные, так и для теоретика, стремящегося создать точную модель системы износа. Однако в последние годы был достигнут значительный прогресс в фундаментальном понимании важнейших параметров, определяющих износ, а также в методологии практического использования материалов, сокративший число проблем, связанных с износом. Поскольку эта глава будет посвящена лишь эрозии, вызываемой твердыми частицами, следует иметь в виду, что другие процессы износа, например абразивный износ и окислительный износ, включают много аналогичных характеристик и, возможно, механизмов. Прогресс, достигнутый в понимании любого из этих процессов, может быть использован для других процессов и для разработки более износостойких материалов и систем.

Далее

Для эрозионного износа материалов на практике обычно требуется длительное воздействие при стационарных условиях. Однако по своей природе эрозия, вызываемая твердыми частицами, является дискретным, аккумулятивным процессом, и обычный удар, несомненно, заслуживает пристального внимания. Также очевидно, что следует ожидать влияния множества частиц; это влияние будет рассмотрено в настоящей главе ниже.

Далее

Для воздействия на твердые образцы потока частиц использовали установки двух основных типов. В одном типе установок образец, обычно размещаемый в оправке на вращающемся рычаге, движется с регулируемой скоростью сквозь медленно движущийся эрозионный поток. Испытания могут быть кратковременными, а могут продолжаться в течение длительного времени. Относительная скорость между частицей и образцом может быть определена точно, поскольку скорость образца являлась основной составляющей скорости (в лабораторной системе координат). В модификации этой конструкции неподвижный образец подвергался воздействию закрученных с помощью вращающегося диска эрозионных частиц. В другом типе установок поступательно движущийся поток частиц воздействует на закрепленный образец, который погружен в поток либо полностью, либо частично. В этой схеме приходится использовать какой-либо метод измерения или расчета скорости частиц. Соответственно можно выбрать концентрацию частиц в потоке и тип несущего газа. Для формирования эрозионного потока используется некоторый тип сопла или газодинамической трубы. Сообщалось, что при использовании этого метода скорости частиц составляли 300 м/с и более (например, [25]).

Далее

Недавно проведенные исследования [32, 34, 82] механизмов эрозии, вызванной одиночными частицами, позволили сделать предположения о нескольких существенных процессах удара и параметрах материалов. Один важный механизм учитывает адиабатический сдвиг (термически локализованную деформацию). В частности, титан оказался чувствительным к локальным термическим эффектам, обусловленным выделением энергии частицы. В результате от пропаханного металла в районе кратера на поверхности образца титана чаще откалываются мелкие металлические осколки, чем в случае стальных образцов, бомбардируемых подобным же образом.

Далее

Значительный интерес представляет общая постановка вопроса, связанная с определением параметров материалов, как вызывающих эрозию, так и подверженных ей, и их влиянием на •скорость эрозии. Обычно в качестве параметра используется твердость на вдавливание эродирующего материала, но этот параметр не достаточен. В последнее время было предпринято более основательное изучение всех отмеченных характеристик материала, и есть надежда, что вскоре будет достигнуто более полное понимание. В настоящее время в ряде лабораторий изучаются дополнительные проблемы, обусловленные реакциями с окружающей средой и воздействиями повышенных температур, при которых протекает важный конкурирующий процесс — образование поверхностной пленки.

Далее

Для решения поставленных выше задач большое внимание в течение последних двух десятилетий уделялось исследованию удара капель при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях по поверхности слоистых, неметаллических композиционных и керамических материалов. Конструкторы паровых турбин интересуются главным образом результатами исследований эрозии металлов.

Далее

Как указано в разд. 1, механика удара жидкости, связанная с эрозией материала, охватывает довольно широкий круг вопросов. В разд. 2.1 предпринята попытка классифицировать в--соответствии с режимами ударного воздействия общие категории материалов, представляющих в настоящее время практический интерес. Хотя такая классификация не является точной, поскольку имеются исключения из нее, тем не менее она позволяет наглядно представить соответствующие режимы ударного’ воздействия. В классификацию не включена резка струями жидкости, так как в этом случае свойства материалов слишком многообразны, чтобы их можно было просто разделить на группы. Поэтому классификация проведена лишь для удара капель жидкости.

Далее

В разд. 3.1 кратко изложены результаты аналитических исследований, которые предложены в литературе для описания различных особенностей взаимодействия одиночной капли воды с твердой поверхностью при дозвуковых скоростях удара, а также общей реакции материала преграды на приложенную нагрузку. Важной задачей при исследовании эрозии почвы является определение характеристик растекания капли воды при ударе о плоскую поверхность твердого тела или слоя жидкости при скорости удара, не превышающей 10 м/с. Соответствующие данные по эрозии почвы, опубликованные в литературе, кратко изложены в разд. 3.3. Но они пока не содержат результатов непосредственных наблюдений и анализа механики уноса почвы при ударном воздействии капли воды.

Далее

Подробные исследования процесса однократного удара жидкости дают ценную информацию о начале разрушения материала. Однако конструкторы различных систем, в которых не удается избежать эрозии, должны уметь рассчитать результат длительного эрозионного воздействия. Для этого необходимо иметь модель расчета эрозии, однако, как было показано в разд. 2.3. практические возможности разработки такой модели весьма малы. Для описания эрозии при ударном воздействии жидких капель, падающих с дозвуковой скоростью, разработаны две модели, позволившие обобщить основную часть надежных экспериментальных данных по эрозии. Полученные соотношения можно использовать для оценки конкретного эрозионного воздействия. Как теория эрозии Тайрувенгадама и др. [118], так и модель эрозии Спринжера [112] основаны на представлениях об усталостной прочности металлов. В разд. 2.1 указано на возможность неправильной интерпретации роли усталости материалов в эрозии, вызванной ударным воздействием жидкости.

Далее

При ударе движущихся с большой скоростью жидких капель тю поверхности твердого тела возникают силы, способные вызвать его необратимую деформацию и разрушение. Характер и масштабы разрушения при ударе зависят главным образом от размеров, плотности и скорости жидкой капли и от прочностных характеристик твердого тела. В качестве иллюстрации отметим, что капля воды диаметром 2 мм, движущаяся со скоростью 750 м/с, способна вызвать разрушение и эрозию таких твердых материалов, как алмаз и карбид вольфрама, и пластическую деформацию высокопрочных сплавов, таких, как мартенситные стали. При более умеренных скоростях, например ">■ 200 м/с, одиночный удар может не вызывать никаких видимых изменений поверхности, но многократные удары приведут к эрозии материала. Некоторые возможные механизмы разрушения показаны на рис. 1. Весьма вероятно, что все эти явления остались бы предметом чисто научного интереса, если бы не практические проблемы, связанные с эрозией лопаток паровых турбин под действием капель воды и эрозией наружных поверхностей летательных аппаратов под действием дождевых капель. Эти практические потребности явились стимулом для более подробных исследований эрозии под действием удара жидких капель, которые проводились в течение примерно последних 50 лет. В настоящей главе будет дан обзор этих работ применительно к проблеме эрозии лопаток турбин и дождевой эрозии. Более поздние приложения, связанные с бурением, а также резанием материалов и чисткой их поверхностей с помощью жидких струй и капель, рассматриваются в главе, написанной Саммерсом.

Далее

Можно получить много информации о механизме эрозии, рассматривая течение жидкости и деформацию твердого тела при одиночном ударе. Наиболее ранние из известных исследований подобного рода выполнены Уортингтоном [176, 177, 180], который при помощи фотографирования изучал процесс удара жидких капель. Дженкинс [99] изучал удар жидких капель, выстреливая образец, который крепился в передней части снаряда, в подвешенную или падающую каплю жидкости. Основные трудности этого метода заключаются в обеспечении разгона и торможения снаряда без повреждения образца и в деформации неподвижной или падающей капли под действием силы тяжести и воздушной волны, образующейся перед снарядом. Эти трудности удалось в значительной мере преодолеть, и получено много полезной информации о механизме эрозии при ударе. Подробное описание метода и его применения имеется в работах [52, 56—58, 102, 136].

Далее

Неоднократно обсуждался вопрос, какой участок на кривой эрозия — время является более важным с точки зрения проектирования лопаток турбин. Одни авторы считают, что элементы конструкции работают преимущественно в условиях участка III, и поэтому скорость эрозии в течение этого периода следует рассматривать как меру эрозионного разрушения [146], тогда как, по мнению других, разрушения на этой стадии настолько серьезны, что элементы конструкции уже неработоспособны, так что скорость эрозии на стадии II и даже продолжительность стадии I будут более подходящими для оценки разрушения [6, 88]. Что касается дождевой эрозии, наступление стадии II обычно можно принять за допустимый предел. Однако даже этот предел может оказаться слишком высоким, когда по техническим условиям не допускаются искажения при пропускании электромагнитного излучения.

Далее

Предпринималось много попыток связать эрозионную стойкость с какой-либо механической характеристикой материала. Авторы работ [7, 61, 86, 90] и ряд других авторов обнаружили связь между эрозионной стойкостью и твердостью. Обсуждение этих результатов имеется в работе Хеймана [77]. На основе данных из нескольких источников он установил, что эрозионная стойкость в среднем изменяется пропорционально твердости в степени 8/з- Хейман нашел, что сплавы кобальта и бронза оказываются более стойкими, чем стали, и что сопротивление эрозии чугунов и алюминиевых сплавов меньше, чем следует ожидать исходя из их твердости. Сплавы никеля имеют большой разброс результатов. Вообще разброс результатов достаточно значителен, и указанный выше степенной закон выявляет только общую тенденцию.

Далее

Ударная нагрузка измерялась де Холлером [35]. Большой пьезоэлектрический кристалл прикреплялся на лицевой поверхности образца, пересекающего вертикальную струю воды в роторной установке с вертикальной струей воды. При скорости 35 м/с среднее давление удара, которое определялось путем деления нагрузки на площадь поперечного сечения струи, оказалось равным 31 МПа. Расчетным путем была получена величина 48,5 МПа. Позднее Бичинг [11] предположил, что это расхождение могло быть вызвано текучестью поверхности твердого тела под датчиком. Более вероятная причина состоит в том, что эффективная площадь поверхности, подверженной сжатию, значительно меньше площади поперечного сечения струи.

Далее

В случае многофазных сплавов эрозионному воздействию в периферической зоне в основном подвергается более мягкая •фаза во встречающихся на пути радиального потока межфаз-ных границах. Это воздействие является кумулятивным в том •смысле, что более деформируемая фаза или фазовая граница сильнее отходит от плоскости поверхности и поэтому подвергается воздействию больших сил. В результате происходит частичное или полное удаление выступа. Эти механизмы эрозии наблюдались, например, в латуни марки 60/40, где фаза а эродировала при одиночном ударе, в металлокерамике карбида вольфрама, где частицы карбида «выдергивались» и уносились в периферической зоне, и в сплавах типа дуралюмина, где интерметаллическая фаза удалялась аналогичным образом [20]. Филд и др. [51] рассмотрели подъемное действие струи жидкости на заклепку, удерживающую вместе листы алюминиевого сплава. В той же работе с помощью высокоскоростного фотографирования было выявлено подъемное действие течения на небольшую ступеньку на поверхности, находящуюся на пути растекающейся жидкости.

Далее

Конструкционные неметаллические материалы значительно-менее устойчивы к воздействию эрозии, чем конструкционные металлы. Хорошими эрозионными свойствами обладают прочные эластомеры, однако из-за недостаточной жесткости они применяются лишь в качестве защитных покрытий жестких, но эрозионнонестойких материалов (разд. 9). Наиболее широкое применение в условиях эрозионного воздействия неметаллические материалы нашли в конструкциях экранов иллюминаторов и антенн аэрокосмических аппаратов. Эти элементы конструкции должны противостоять воздействию дождя, града и пыли без нежелательного ухудшения их характеристик пропускания. Условия эксплуатации являются чрезвычайно жесткими, и поэтому в течение последних 20 лет усиленно проводятся испытания материалов с целью оптимизации диэлектрических, конструкционных и эрозионных характеристик. Большинство опубликованных за этот период экспериментальных исследований дождевой эрозии упомянуто в библиографиях в работах [143,. 150]. О некоторых более ранних исследованиях сообщается в работах [112, 170].

Далее

Горам и др. [63] более подробно обсудили эти механизмы разрушения для большого числа композиционных материалов. Они сделали вывод, что в настоящее время нельзя предложить общий подход к решению задачи проектирования этих материалов, однако можно дать некоторые рекомендации для проектирования эрозионностойких материалов для отдельных случаев.

Далее

Для удобства применяемые на практике покрытия удобно разделить на эластомерные и металлические.

Далее

Исчерпывающая теоретическая модель эрозии должна позволять получать для заданных условий удара кривую эрозии в функции параметров удара и свойств материала. Более узкой задачей может быть предсказание каких-либо характерных особенностей кривой, например продолжительности инкубационного периода или максимальной скорости эрозии, с помощью экспериментальных данных по эрозии, полученных при испытаниях в других, сходных условиях. Предсказания подобного рода, частично эмпирические, возможны, если механизм эрозии в обоих случаях одинаков. Изменения преобладающего механизма либо вследствие различия в материалах, либо вследствие изменения условий удара влекут за собой изменение зависимости, связывающей оба случая. Любая теоретическая модель эрозии должна, следовательно, иметь четкие границы применимости.

Далее

Исследования эрозии под действием ударов жидких капель начали развиваться главным образом в связи с практическими задачами, связанными с эрозией лопаток паровых турбин и дождевой эрозией. В настоящей главе не рассматривались задачи кавитации и резания с применением струй, хотя они близки к задачам эрозии. Для исследований удара использовались различные методы — от сравнительно простых и дешевых с применением струйных роторных устройств и водяных пушек до больших и дорогостоящих центрифуг и ракетных салазок.

Далее

Кавитационная эрозия наблюдается на поверхности твердых тел при схлопывании пузырьков, т. е. в области высокого давления в системе. При гидродинамической кавитации это происходит не в той области, где образуются пузырьки, а при вибрационной кавитации положение области разрушения зависит от того, сопровождается ли вибрация течением жидкости (как, па-пример, в гидравлических насосах) или нет. Следовательно, область разрушения часто пространственно удалена от области, в которой возникают кавитационные пузырьки, и это нередко приводит к тому, что кавитационную эрозию путают с другим процессом (чаще всего с коррозией). Хотя разрушение может частично вызываться коррозией, как это показано в разд. 5 данной главы и в главе, написанной Вайсом, кавитационная эрозия по своей природе является преимущественно механической. Подробно различные источники механического разрушения описаны в главе Мёрча и более кратко — ниже.

Далее

Одно из наиболее ранних устройств, используемых для создания кавитации в лабораторных условиях, представляет собой диск, к которому прикреплены два или более образцов, симметрично расположенные около его обода. Диск вращается с большой частотой, при этом в областях низкого давления (вблизи передней кромки образцов) в специальных «возбудителях» кавитации (кавитаторах), расположенных перед образцами, образуется скопление пузырьков [87, 106]. Кавитаторами могут быть выступы или отверстия в диске, как, например, показано на рис. 3.

Далее

Обычный подход при изучении эрозии состоит в сравнении степени эрозионного разрушения после одинаковой продолжительности воздействия кавитации (экспозиции). Однако такой подход имеет недостаток, связанный с непостоянством скорости эрозии. Следовательно, материалы сравниваются на различных участках кривой скорости эрозии, и их сравнительная стойкость к кавитации может изменяться при изменении времени экспозиции, выбранного для испытания.

Далее

Были проведены подробные исследования деформирования и механизмов уноса массы металлов с гране- или объемноцент-рированной кубической и гексагональной плотноупакованной решетками в вибрационных устройствах [76, 77, 100, 103] и гидродинамической трубе (рис. 4, в) [16, 17]. Микроскопическое исследование образцов, испытанных этими двумя методами, дает одинаковые результаты. Однако эксперименты в гидродинамической трубе (рис. 4, а), выполненные Хансоном и Мёрчем [33, 34], показывают, что эти методы могут давать различия на самых ранних стадиях деформирования. Однако из-за высокой интенсивности кавитации проверить это невозможно.

Далее

Кавитационную эрозию и эрозию под действием удара жидких частиц часто считали достаточно сходными процессами, так что данные по кавитационной эрозии использовали для предсказания ударной эрозии и наоборот. Такая практика стала особенно распространенной в последние годы из-за общепринятого мнения, что кавитационное разрушение связано главным образом с действием струй, возникающих при схлопывании пузырьков вблизи твердой поверхности. Было выполнено несколько сравнительных исследований этих двух процессов [32, 41, 82], однако, несмотря на то что отмечено значительное сходство, ясно, что данные, полученные различными методами, не являются взаимозаменяемыми.

Далее

Хотя в течение многих лет считалось общепризнанным, что> кавитационная эрозия имеет механическую, а не электрохимическую природу, остается еще много нерешенных вопросов. Основные из них касаются: 1) путей передачи энергии кавитации к твердому телу; 2) глубины проникания и характера воздействия этой энергии (т. е. деформирования или разрушения) нетвердое тело; 3) характера механического разрушения. В настоящее время появилась информация по последним двум вопросам, однако, вместо того чтобы прояснить теорию переноса-энергии, она породила ряд новых вопросов.

Далее

В предыдущей главе показано, что кавитация является причиной деформации и эрозии материалов в самых разнообразных гидромеханических системах — как в текущих жидкостях (гидродинамическая кавитация), так и в жидкостях, подвергающихся воздействию пульсирующих импульсов давления (вибрационная кавитация). Целью этой главы является описание динамики одиночных кавитационных пузырьков и групп кавитационных пузырьков и выяснение механизмов, под действием которых может произойти наблюдаемая в технике эрозия. Обзоры по этим вопросам можно найти в монографии Киэппа :и др. [37], а к специальной области акустической кавитации относятся работы Флинна [14], Акуличева [1], Сиротюка [60] и Розенберга [59]. Кроме того, Плессет и Просперити [55] опубликовали недавно обзор динамики кавитации и кавитационных пузырьков.

Далее

Для возникновения кавитации в жидкости необходимо, чтобы растягивающие напряжения могли вызвать местный разрыв сплошности. Эксперименты показали, что в обычных жидкостях прочность на растяжение, если не принимать специальных мер, очень мала. Как показали Гарвей и др. [19—22], наиболее важным фактором, определяющим прочность на растяжение, является содержание газа в жидкости. Экспериментальным путем они установили, что, если воду, содержащую воздух, подвергнуть перед испытанием на растяжение воздействию высокого статического давления, прочность воды на растяжение возрастает от величины, близкой к нулю, до большой величины (10—20 МПа). Этот экспериментальный факт объясняется растворением свободного газа в воде под действием статического давления.

Далее

Уравнения (4) и (7) применимы к обеим фазам, но ниже символы без штрихов будут относиться к жидкой фазе, прописные буквы используются для значений параметров на стенке пузырька, а штрихами будут отмечены символы, относящиеся к газопаровой фазе внутри пузырька.

Далее

В разд. 3 рассматривалось схлопывание одиночных каверн, но обычно образуются большие скопления кавитационных пузырьков и поэтому существенное значение имеет взаимодействие между пузырьками. Одновременное схлопывание двух идентичных пузырьков, находящихся на расстоянии 2Ь друг от друга в неограниченной жидкости, аналогично схлопыванию одиночного пузырька, находящегося на расстоянии Ь от твердой стенки, и пузырьки образуют струи, направленные навстречу друг другу ;[43, 65]. Однако в большинстве практических случаев взаимодействуют несколько каверн. Обычно они имеют неодинаковые размеры и, следовательно, различные времена схлопывания; кроме того, в большой группе схлопывание начинается неодновременно для всех каверн. Вследствие этого схлопывание группы каверн является очень сложным процессом, но кумулятивный эффект может быть намного сильнее, а время действия — намного больше, чем при схлопывании отдельных каверн. Хотя жидкости, содержащие пузырьки газа, широко исследовались [70], совместному схлопыванию групп кавитационных пузырьков уделяли мало внимания.

Далее

Измерения профилей давления в ударной волне при схлопы-вании одиночных каверн выполнили Хинш и Бринкмейер [25]. Они разработали метод измерения, основанный на регистрации ударной волны с помощью когерентных оптических фильтров, и другой метод, основанный на анализе картины дифракции ударной волны в дальнем поле. Результаты, полученные двумя методами, согласуются друг с другом, и найдено, что ширина импульса, соответствующая половине максимального давления, составляет 10—20 мкм. Это означает, что импульс проходит за 20 не, и поэтому обычные датчики давления непригодны для регистрации сигнала.

Далее

Кавитация в текущих жидкостях возникает тогда, когда местное давление падает ниже давления насыщенного пара. Минимумы давления возникают на криволинейных твердых границах, а при наличии сильной завихренности — во внутренних областях жидкости.

Далее

Интенсивное звуковое поле, генерируемое в жидкости колебаниями твердого тела, нормальными к его поверхности, при достаточно больших амплитудах и частотах может вызывать кавитацию. Эта вибрационная или акустическая кавитация, по существу, не связана с течением, и каверны многократно образуются и схлопываются в одном и том же объеме жидкости.

Далее

При исследовании кавитации и производимых ею повреждений желательно ввести параметр, характеризующий кавитационные явления. Такой параметр имеет также важное значение для моделирования какого-либо кавитационного явления другим, подобным ему явлением.

Далее

Под действием механических и химических агентов происходят два наиболее распространенных вида разрушения, вызывающие порчу конструкционных материалов. Разрушение металлов в результате химического или электрохимического воздействия известно как коррозия. Эрозия металлов вызывается механическим воздействием, в особенности последовательностью независимых ударных нагрузок. Два вида разрушения могут взаимодействовать различными сложными путями, оказывая влияние на скорость разрушения материалов. Разрушение при таком взаимодействии называется эрозионной коррозией. На практике этот термин, однако, также включает чисто электрохимические процессы, при которых скорость разъедания материала возрастает вследствие физического перемещения среды, например течения жидкостей в трубах и струях, течения газа в турбинах и т. п. По этой причине каждый раздел в данной главе будет начинаться с рассмотрения коррозии материалов в стационарных средах, а уже затем будет учитываться добавочное влияние физических изменений в электролите и, наконец, влияние соударений.

Далее

Разрушение металлов в большинстве коррозионных систем замедляется вследствие образования защитной пленки. Однако, если эта пленка непрерывно удаляется или повреждается, коррозионный процесс может и не замедлиться. Поэтому очевидно, что при сочетании химического и механического воздействий повреждения будут значительно большими, чем от каждого из них в отдельности [23].

Далее

Реакция (2) преобладает в кислых растворах, в которых высока концентрация ионов водорода, а реакция (3)—в нейтральных и основных растворах. Скорость расходования материала определяется суммарным током, протекающим через контур.

Далее

Окисление металла протекает в несколько стадий: 1) атомы кислорода, адсорбированные на поверхности металла, образуют зародыши окисла на локализованных участках; 2) зародыши окисла растут в стороны с образованием сплошной пленки на поверхности металла; 3) сплошная пленка растет в толщину [68, 88]. Утолщение пленки создается движением кислорода от поверхности раздела окисел—газ внутрь или перемещением катионов с поверхности раздела металл—окисел наружу. Так как скорость миграции обратно пропорциональна толщине пленки, то скорость окисления подчиняется параболическому закону. Процесс окисления большей части важнейших металлов, таких, как железо, никель, хром и кобальт, определяется миграцией катионов металла наружу. Подобная миграция может привести к сгущению вакансий на поверхности раздела металл—окисел и, как следствие, к ослаблению сцепления пленки с поверхностью металла.

Далее

Отличительной особенностью эрозии является ее распространенность. Любое сооружение подвержено действию сил воды и ветра и рано или поздно будет стерто ими с лица земли. Наверное, самыми известными и впечатляющими примерами действия эрозии являются Гранд-Каньон и фигуры выветривания в пустынных районах шт. Вайоминг и Южная Дакота. Несомненно, у каждого из нас есть свой любимый уголок, где разрушительная эрозия и живая растительность общими усилиями создали живописный идиллический фон для размышлений.

Далее

Первое упоминание о применении водяных струй для добычи каменного угля относится к 1915 г., когда такая система была испытана при проходке шахтного ствола в Донбассе [141], однако сведения о ее широком применении отсутствуют. Тем не менее к началу первой мировой войны в России гидравлическими способами добывалось около ‘/з всего торфа. Впервые подземная гидравлическая добыча угля была осуществлена по инициативе Мучника, который, как следует из его работы [88] о высокой производительности гидравлических способов добычи полезных ископаемых, получил разрешение на испытание своей системы в Кизеловском бассейне на Урале. Первые испытания, проведенные в 1936 г., показали, что при давлении 3 МПа одним агрегатом можно добывать до 23 т угля. Вслед за этим в Донецком бассейне в 1939 г. была построена специальная шахта, однако приближавшаяся война вынудила прекратить работы в этом направлении, развивавшиеся на Урале. Первая действующая шахта с гидравлической добычей угля — гидрокомплекс «Тырганские уклоны» в Кузнецком бассейне — была открыта в 1952 г. [90]. К концу первого года работы в ней за смену добывалось около 600 т угля, что на 20% превысило расчетную производительность — при скорости воспроизводства 80% в хороших условиях одним гидромонитором за час добывалось более 110 т угля [89]. Производительность шахт с гидравлической добычей угля была в 4—5 раз выше, чем обычных. Чтобы по достоинству оценить это достижение, следует сравнить его с современной производительностью в США.

Далее

В период 1965—1975 гг. исследования по гидравлической добыче каменного угля, проводившиеся в СССР, получили невое развитие. Это было обусловлено необходимостью решать задачи, связанные с применением гидравлических методов для добычи угля из пластов почти горизонтального залегания, в то время как сначала эти методы применялись лишь для пластов крутого падения. В связи с этим, несмотря на имевшиеся предложения по резкому увеличению объема гидравлической добычи угля, последние сообщения показывают, что в Советском Союзе имеется, вероятно, не более десяти действующих шахт, в которых уголь добывается гидравлическими методами, а их производительность составляет 10 млн. т в год [47]. Эту цифру следует рассматривать в сравнении с 733 млн. т угля, добытыми в СССР в 1977 г., из которых 475 млн. т были добыты шахтным . способом [4]. Планом предусмотрено довести гидравлическую добычу угля к 1990 г. до 50 млн т. в год [5].

Далее

До 60-х гг. гидравлические системы добычи полезных ископаемых работали при расходах воды не более 3 тыс. л/мин и давлениях 10 МПа. При таком сочетании параметров порода добывалась за счет использования энергии, подвод которой обеспечивался большим об73емным расходом воды, а также за счет использования слабых мест пласта. Вода, подававшаяся при этом к разрабатываемой поверхности в большом количестве, обеспечивала также удаление разрушенного материала из шахты. Однако использование больших объемов воды ограничивало применимость этого метода наклонными пластами, так как только в этом случае сила тяжести обеспечивала удаление воды и угля из забоя. Это очень важное обстоятельство, так как угольные пласты в большинстве случаев подстилаются пластами глины, которая, взаимодействуя с большими количествами воды, очень быстро превращается в грязь, затрудняя продвижение машин и перемещение людей и превращая крепление кровли в трудную задачу. Поэтому применение обычных гидравлических методов добычи полезных ископаемых было до некоторой степени ограничено мощными пластами крутого падения.

Далее

В природе нефть встречается как жидкость, пропитывающая пласты, залегающие на некоторой глубине. Нередко такими породами являются песчаники, прочность которых может быть совершенно незначительной. Скважина, пробуренная в такой породе, при извлечении из нее нефти может обрушиться. Чтобы этого не произошло, ее обычно укрепляют обсадными трубами, в которых затем прорезают отверстия, облегчающие приток нефти в скважину. Продвижение обсадных труб при встрече с твердым грунтом осуществляется с помощью водяных струй.

Далее

Хотя исторически водяные струи нашли сначала применение в добыче полезных ископаемых, где первостепенное значение имеет переработка как можно больших объемов породы, существует и стремительно растет спрос на резание водяными струями в области, для которой характерно прямо противоположное требование.

Далее

Вода испокон века использовалась как чистящее средство, однако до недавнего времени в основном лишь в качестве растворителя и смазки. В последние 20 лет всюду в мире для чистки стали применять водяные струи, выбрасываемые под высоким давлением [101]. Давление, необходимое для чистки, изменяется в весьма широких пределах: от очень низкого — 400 кПа, которое требуется, чтобы смыть грязь с бетонной дорожки, до очень высокого—100 МПа, достаточного, чтобы извлечь из бетона стальную арматуру.

Далее

Можно привести много примеров, когда из промышленных установок приходится удалять большое количество пыли. В США явно видна тенденция повышать давление и температуру используемой для этого воды. В литературе все чаще встречаются указания на давления порядка десятков мегапаскалей и температуры более 38°С. Так, Прествич [107] показал, что повышение температуры воды позволяет снизить давление, необходимое для рытья канав в почве, обеспечивая сохранение целостности нижележащих слоев. Другим примером является удаление смазки и жиров с оборудования, применяемого в пищевой и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве. В этих случаях подогрев воды позволяет резко снизить необходимое для выполнения работы давление, доводя его до 4—7 МПа. Из недавно опубликованных работ следует, что подогрев воды применяется и в горном деле [6].

Далее

Кавитацию можно также применять, используя свойство кавитационных пузырьков развивать при схлопывании очень высокое давление, а также малые размеры пузырьков, благодаря которым высокое давление развивается в очень малой области. Это свойство можно использовать как при чистке крупных предметов, например труб, так и мелких, например зубов.

Далее

В более широких масштабах исследование преимуществ кавитирующей жидкости, позволяющей использовать для добычи угля более низкие давления, в настоящее время ведется за счет финансирования федеральным правительством [24]. Получены первые результаты, показывающие, что рабочие давления можно снизить вдвое, увеличив одновременно расход.

Далее