4.2 Моделирование физико – химических воздействий режима эксплуатации

Причинный анализ закономерностей физико – химических воздействий на элементы стрелково – пушечного вооружения свидетельствует о необходимости использования дробной реплики 2^15-10 для определения 15 линейных эффектов и 16 эффектов взаимодействия. Матрица планирования эксперимента (таблица 3) построена с учетом принятых генерирующих соотношений (таблица 4). При наличии четырех источников неоднородностей в виде различных марок сталей матрица 2^15-10 разбита на четыре блока для учета существующего различия коррозионной стойкости сталей ВСт3пс, 09Г2С, 10ХСНД, 10ХНДП.

Эффективность практической реализации математических методов планирования эксперимента определяется простотой управления и точностью поддержания необходимых уровней варьирования установленных факторов и параметров. Выполнение поставленной задачи исследования коррозионного износа стрелково – пушечного вооружения связано с использованием специального оборудования, средств и методов физико-химического моделирования входных воздействий.

Особенностью ускоренных коррозионных испытаний является учет масштабного фактора времени при разработке рабочей программы. Выбор обоснованных сроков экспериментального исследования требу­ет анализа возможностей загрузки и режима работы оборудования.

В соответствии с программой технической диагностики коррозионно­го износа в условиях активного экспериментирования в лаборатории эксплуатационной надежности стрелково – пушечного вооружения созданы автоматические установки регулирования температурно-влажностного режима, обеспечивающие заданные интервалы изменения входных воздействий. Камеры агрессив­ных сред (АС = 1, АС = 2) включают семь ячеек в виде изолированных объемов для коррозионных испытаний (рисунок 12). Конструктивное ис­полнение каждой ячейки позволяет выполнять моделирование факторов прогнозного фона Х₁, Х₂, Х₄ — X₆, а также параметров объекта прогно­зирования Х₇ – X₁₁, X_{13 –} Х₁₅ независимо от установленного уровня варьирования. Поддержание температурного режима t = 0⁰С произво­дилось с помощью холодильных установок. Камеры агрессивной среды АС = 1, АС =2 оборудованы вибрационными площадками периоди­ческого действия с частотой вынужденных колебаний f = 10 Гц при амплитуде A_W = 10 мм.

Увлажнение производилось путем пневматического распыления технической воды с помощью КР = 1 в технологическое отверстие ячеек. Относительная влажность регулировалась прецизионным психрометром, расположенным в контактной цепи воздухоувлажнителя. Контроль влажностного режима в течение испытания выполнялся недельными гиг­рографами и психрометром аспирационным типа МВ = 4М. Требующаяся температура на верхнем уровне значений tρ = 30 ⁰С устанавливалась при регулировании температуры в калорифере подогрева воздуха ртутным электроконтактным термометром.

Рисунок 12 – Общий вид камеры агрессивной среды АС - 2

Таблица 3. Матрица планирования эксперимента с разбивкой на 4 блока, рандомизированная по времени.

положение	обозначение	х0	х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8	х9	х10	х11	х12	х13	х14	х16	х1х4	х1х5
1	(1)	+	-	-	-	-	-	+	-	-	+	+	+	+	+	-	-	+	+
1	cb	+	-	-	+	+	-	-	+	-	+	-	-	+	+	-	-	-	+
1	be	+	-	-	-	+	+	-	-	+	-	-	+	+	+	-	-	-	-
1	abcd	+	+	+	+	+	-	-	+	+	+	-	-	-	+	-	-	+	-
1	ab	+	+	+	-	-	-	+	-	+	+	+	+	-	+	-	-	-	-
1	ce	+	-	-	+	-	+	+	+	+	-	+	-	+	+	-	-	+	-
1	abce	+	+	+	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+	-	-	-	+
1	abde	+	+	+	-	+	+	-	-	-	-	-	+	-	+	-	-	+	+
2	a	+	+	-	-	-	-	+	+	-	+	-	-	+	-	-	+	-	-
2	acd	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	+	+	+	-	-	+	+	-
2	ade	+	+	-	-	+	+	-	+	+	-	+	-	+	-	-	+	+	+
2	bcd	+	-	+	+	+	-	-	-	+	+	+	+	-	-	-	+	-	+
2	b	+	-	+	-	-	-	+	+	+	+	-	-	-	-	-	+	+	+
2	ace	+	+	-	+	-	+	+	-	+	-	-	+	+	-	-	+	-	+
2	bce	+	-	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	-	-	-	+	+	-
2	bde	+	-	+	-	+	+	-	+	-	-	+	-	-	-	-	+	-	-
3	abc	+	+	+	+	-	-	-	+	-	-	-	+	+	+	+	+	-	-
3	abd	+	+	+	-	+	-	+	-	-	-	+	-	+	+	+	+	+	-
3	abcde	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
3	d	+	-	-	-	+	-	+	-	+	-	+	-	-	+	+	+	-	+
3	c	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	-	+	-	+	+	+	+	+
3	abc	+	+	+	-	-	+	-	-	+	+	-	-	+	+	+	+	-	+
3	e	+	-	-	-	-	+	-	-	-	+	-	-	-	+	+	+	+	-
3	cde	+	-	-	+	+	+	+	+	-	+	+	+	-	+	+	+	-	-

Продолжение таблицы 3.

4	ac	+	+	-	+	-	-	-	-	+	-	+	-	-	-	+	-	-	-
4	ad	+	+	-	-	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+	-	+	-
4	acde	+	+	-	+	+	+	+	-	-	+	-	-	-	-	+	-	+	+
4	bd	+	-	+	-	+	-	+	+	-	-	-	+	+	-	+	-	-	+
4	bc	+	-	+	+	-	-	-	-	-	-	+	-	+	-	+	-	+	+
4	ae	+	+	-	-	-	+	-	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+
4	be	+	-	+	-	-	+	-	+	+	+	+	+	+	-	+	-	+	-
4	bcde	+	-	+	+	+	+	+	-	+	+	-	-	+	-	+	-	-	-

Продолжение таблицы 3.

положение	обозначение	х1х6	х1х7	х1х8	х1х9	х2х4	х2х5	х2х6	х6х7	х6х8	х6х9	х7х9	х1х4х5	х1х4х5	х1х5х6	у
-1	(1)	-	+	+	-	+	+	-	-	-	+	-	-	+	+	Y1
-1	cd	+	-	+	-	-	+	+	-	+	-	+	+	+	-	Y2
-1	de	+	+	-	+	-	-	+	+	-	+	+	-	+	+	Y3
-1	abcd	-	+	+	+	+	-	-	-	-	-	+	-	-	+	Y4
-1	ab	+	-	+	+	-	-	+	-	+	+	-	+	-	-	Y5
-1	ce	-	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	Y6
-1	abce	+	+	-	-	-	+	+	+	-	-	-	-	-	+	Y7
-1	abde	-	-	-	-	+	+	-	+	+	+	+	+	-	-	Y8
-2	a	+	+	-	+	+	+	-	+	-	+	+	+	-	-	Y9
-2	acd	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	+	+	+	-	Y10
-2	ace	-	+	+	-	-	-	+	-	-	+	-	+	-	-	Y11
-2	bcd	+	+	-	-	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	Y12
-2	b	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+	-	+	+	Y13
-2	ace	+	-	+	-	+	-	-	-	+	-	+	-	-	+	Y14
-2	bce	-	+	+	+	-	+	+	-	-	-	+	+	+	-	Y15
-2	bde	+	-	+	+	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	Y16
-3	abc	-	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	+	+	+	Y17
-3	abd	+	-	-	-	-	-	+	-	-	-	+	-	+	-	Y18
-3	abcde	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	Y19
-3	d	-	+	-	+	-	+	-	-	+	-	+	+	-	+	Y20
-3	c	+	-	-	+	+	+	+	-	-	+	-	-	-	-	Y21
-3	abc	-	-	+	+	-	+	-	+	-	-	-	-	+	-	Y22

Продолжение таблицы 4.3

-3	e	+	+	+	-	+	-	+	+	+	-	-	+	-	+	Y23
-3	cde	-	-	+	-	-	-	-	+	-	+	+	-	-	-	Y24
-4	ac	-	-	+	-	-	+	+	+	-	+	+	+	+	+	Y25
-4	ad	+	+	+	-	+	+	-	+	+	-	-	-	+	-	Y26
-4	acde	+	-	-	+	-	-	-	-	-	+	-	+	+	+	Y27
-4	bd	-	-	+	+	+	-	+	+	-	-	-	+	-	+	Y28
-4	bc	+	+	+	+	-	-	-	+	+	+	+	-	-	-	Y29
-4	ae	-	+	-	+	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	Y30
-4	be	+	-	-	-	-	+	-	-	-	-	+	+	-	+	Y31
-4	bcde	-	+	-	-	+	+	+	-	+	+	-	-	-	-	Y32

Таблица 4 – Генерирующие соотношения дробной реплики

№ п.п.	Обозначение факторного плана 25	Обозначение плана 215-10	№ п.п.	Обозначение факторного плана 25	Обозначение плана 215-10
1	Х1	Х1	17	Х1Х5	Х1Х5
2	Х2	Х2	18	Х2Х5	Х2Х5
3	Х1Х2	Х13	19	Х1Х2Х5	Х6Х7
4	Х3	Х3	20	Х3Х5	Х6
5	Х1Х3	Х1Х5Х6	21	Х1Х3Х5	Х1Х6
6	Х2Х3	Х1Х7	22	Х2Х3Х5	Х2Х6
7	Х1Х2Х3	Х7	23	Х1Х2Х3Х5	Х10
8	Х4	Х4	24	Х4Х5	Х6Х9
9	Х1Х4	Х1Х4	25	Х1Х4Х5	Х1Х4Х5
10	Х2Х4	Х2Х4	26	Х2Х4Х5	Х6Х8
11	Х3Х4	Х9	27	Х3Х4Х5	Х14
12	Х1Х2Х4	Х7Х9	28	Х1Х2Х4Х5	Х11
13	Х1Х3Х4	Х1Х9	29	Х1Х3Х4Х5	Х1Х4Х6
14	Х2Х3Х4	Х8	30	Х2Х3Х4Х5	Х12
15	Х1Х2Х3Х4	Х1Х8	31	Х1Х2Х3Х4Х5	Х15
16	Х5	Х5

Получение необходимых концентраций газообразных агрессивных компонентов соответствовало условиям протекания следующих реакций:

Сu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O; (27)

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + SO₂↑+ H₂O + S↓ . (28)

Среднесуточные концентрации окислов азота и сернистого ангидрида установлены при экспериментальной оценке содержания коррозионно-активных агентов в объеме испытания. Контроль концентраций сернисто­го ангидрида выполнен йодометрическим методом. Экспресс-анализ суммарной концентрации окислов азота производился химическим газораспределителем ГХ-4. Суточное изменение содержания окислов азота и сернистого ангидрида при относительной влажности W = 70% и температуре t = 20 ⁰С приведено на рисунке 13

Режим запыленности создавался при пневматической подаче в объем испытания производственной пыли, соответствующей химическому составу пылевых выделений в характерной точке N⁰ 11 чугунолитейного цеха.

Рассмотренные вопросы характеризуют физико-химическое воздействие факторов прогнозного фона и связаны с особенностями кон­структивного исполнения камер агрессивных сред АС-1 и АС-2.

Моделирование параметров объекта прогнозирования выполнялось при размещении стальных образцов в ячейках коррозионных испытаний.

Рисунок 13 - Суточное изменение концентрации агрессивных компонентов в объеме испытания

Выбор формы, размеров и материала стальных образцов определился параметрами Х₁₀, Х₁₁, Х₁₃, Х₁₄, Х₁₅ методами оценки интенсивности коррозионного износа. Для исследования коррозионного повреждения стальных конструкций применены пропорциональные плоские образцы без головок. Основные размеры стальных образцов (рисунок 14) рассматриваемых марок сталей приведены в таблице 5.

Различные варианты пространственного расположения образцов при изменении уровней варьирования входных воздействий Х₇, Х₈, Х₉, Х₁₂ представлены на рисунке 15.

Рисунок 14 - Плоский образец без головки для коррозионных испытаний

Таблица 5 – Размеры плоских стальных образцов

Марка стали	Номер образца	ао	b	t0	t	h1	L
ВСт3пс	21	5	20	60	75	50	175
09Г2С	22	4	20	50	65	50	165
10ХСНД	21	5	20	60	75	50	175
10ХНДП	23	3	20	45	60	40	140

Для моделирования ориентации поверхности образца использовался пленочный материал "Синплез-100". При нане­сении на металл синплеза в горячем виде (t = 90—100 ⁰С) образовыва­лось защитное покрытие, которое надежно защищало поверхность об­разца, не подвергавшуюся агрессивным воздействиям в период испыта­ния, и легко удалялось с металла благодаря нулевой адгезии.

Напряженное состояние в элементах стрелково – пушечного вооружения моделировалось о специальных приспособлениях — кассетах растяжения и сжатия (рисунок 16). Необходимый уровень напряжения в образцах устанавливался соотношением:

, (29)

и определялся в зависимости от вида напряженного состояния по формулам:

, (30)

, (31)

где N - продольная сила; R_y - расчетное сопротивление стали растяжению или сжатию по пределу текучести; А - площадь сечения брутто; А_n — площадь сечения нетто; φ — коэффициент продольного изгиба; γ_c - коэффициент условий работы.

Растяжение и сжатие образцов в кассетах для испытания выполнялось с помощью гидравлического пресса с номинальным усилием N = 3,9 тс. Контроль напряженно-деформированного состояния образцов осуществлялся электромеханическим тензометром Аистова (рисунок 7).

На основании пробных экспериментов срок общего времени испытания образцов для каждого из 32 опытов установлен 28 суток. Интервал для четырех последовательных оценок кинетики коррозионного разрушения принят равным Т=168 ч. Испытания в коррозионных камерах выполнялись круглосуточно в соответствии с матрицей планирования входных воздействий (смотри таблицу 3).

Требующиеся параметры объекта прогнозирования моделировались на образцах в процессе подготовки и размещения кассет в камерах агрессивной среды. Факторы прогнозного фона поддерживались на заданном уровне при ежедневном создании в объеме испытания необхо­димых концентраций коррозионно-активных агентов. Установленный порядок однозначно определяет условия физико-химического модели­рования при коррозионных испытаниях [7].

Рисунок 15 - Поперечный

разрез стальных образцов при модели­ровании различных уровней сочетаний входных воздействий Х₇, Х₈, Х₉, Х₁₂ на верхнем (+) и нижнем (-) уровне варьирования.

- рабочая поверхность образца при коррозионном испыта­нии; R - возмущающая воз­вратно-поступательная нагрузка; 1 - стальной образец; 2 - пле­ночное покрытие; 3 — примы­кающая поверхность злемента;4 - фиксирующая прокладка;5 - упругая опора.

Рисунок 16 - Кассеты для проведения испытаний под напряжением

1 — образец для испытания; 2 — рамка для приложения нагрузки; 3 — анкеры; 4 — упорная планка; 5 — фиксирующая накладка; 6 — планка приложения нагруз­ки

Рисунок 17 - Общий вид установки для предварительного напряжения образцов