1 Экспериментальное исследование процесса

1
Экспериментальное исследование процесса трения в единичном контакте, образованном оболочкой твэла и пуклевкой дистанционирующей решетки
В.В. Макаров, А.В. Афанасьев, И.В. Матвиенко,Г.В. Моторнов, В.В. Ляшенко, М.А. Леонов
ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия
Ю.Н. Дроздов, Т.М. Савинова
ИМАШ РАН, Москва
Процесс трения в узлах сопряжения деталей ТВС проявляется на всех этапах жизненного цикла ТВС ВВЭР. Силы трения влияют на технологию сборки ТВС на заводеизготовителе, собираемость активной зоны реактора, вибропрочность ТВС (узлы сопряжения
«твэл – ДР» и «твэл - нижняя опорная решетка» в процессе эксплуатации), работоспособность ОРСУЗ, сопротивление ТВС продольно-поперечному термомеханическому изгибу.
Связи силами упругости и трения в узлах сопряжения «твэл-ДР» процессе эксплуатации значительно изменяются от действия на ТВС температуры, облучения, времени, и динамика изменения этих сил значительно влияет на эксплуатационные свойства ТВС. Трение деталей
из циркониевых сплавов мало изучено. Процессы трения были непосредственной причиной
массовых отказов ТВС ВВЭР-440 по механизмам фреттинг-коррозии, депланации ДР, термомеханического искривления ТВС ВВЭР-1000 и застревания ОРСУЗ. В настоящее время
эти проблемы решаются конструктивными методами путем управления контактными силами. При обосновании термомеханической прочности ТВС в расчетах термомеханических сил
используются коэффициенты трения в ТВС из циркониевого сплава в диапазоне 0,15-0,25,
которые надежно не обоснованы, а в экспериментах на продольное продавливание пучка
твэлов через ДР используют неоксидированные оболочки твэлов что приводит к завышенным оценкам нагрузок на тепловыделяющие сборки , излишне консервативным выводам о
депланации ДР в процессе несинхронного термомеханического удлинения твэлов и НК.
Конструкции ДР и тепловыделяющих элементов непрерывно совершенствуются: варьируются высота и толщина стенки ячейки, длина линии контакта, радиусы закруглений выступов, фиксирующих твэл, способы обработки поверхностей (анодирование, автоклавирование, травление, шлифование) и т.д. Исследования трения деталей из циркониевых сплавов
в зависимости от вида их поверхностной обработки, эксплуатационных и конструктивных
параметров необходимы для уточнения расчетных оценок термомеханических сил и дают
дополнительные возможности управления работоспособностью и надежностью ТВС.
В процессе сборки ТВС должно соблюдаться установленное в технической документации требование по максимальному усилию установки твэла не более 294 Н (30 кгс). В настоящее время разрабатывается техпроцесс установки твэлов в ТВС без лакопокраски, которая применяется для снижения сил трения между твэлами и ячейками ДР. Другими возможными путями решения задачи по снижению сил трения могут являться модифицирование
трущихся поверхностей за счет обработки (механической, химической, термической) и снижение контактных давлений в узлах трения, которое может быть достигнуто за счет снижения радиальной жесткости ячеек, увеличение предельной упругой деформации пуклевок ячеек ДР и за счет увеличения площади пятна контакта ячейки с твэлом.
Целью настоящей работы являлось исследование процессов трения между образцами
оболочек твэлов и ячеек ДР при поступательном и колебательном движении, определение
влияния поверхностной обработки оболочек твэлов (анодирование, травление, шлифование)
и геометрии контактной зоны пуклевок на процессы трения. При поступательном движении
изучались возможные процессы при установке твэлов в ТВС, при колебательном движении –
общие механизмы трения пары «твэл – ячейка ДР» при варьировании различных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. В ходе исследований решались
следующие задачи:
- определение коэффициентов трения между образцами оболочек твэлов и пуклевками
ячеек ДР и его зависимости от технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров;
- изучение механизма трения и параметров, влияющих на него.
2
1 Методика и результаты испытаний на трение при поступательном движении образцов
В качестве образцов для испытаний на трение при поступательном движении использовались оболочки твэлов длиной 700 мм и ячейки ДР в состоянии поставки с ОАО НЗХК.
Оболочки твэлов отличались типом окончательной поверхностной обработки – травленые,
шлифованные, анодированные. Анодированные оболочки отличались от травленых и шлифованных наличием золотистой пленки на поверхности. Из трех типов оболочек наименьшую шероховатость имели анодированные, наибольшую - шлифованные оболочки
Ячейки ДР изготовлены в трех конструктивных исполнениях: исполнение 1 – толщина
стенки 0,3 мм, высота 30 мм, длина линии контакта пукли с твэлом – 4+2 мм; исполнение 2 –
толщина стенки 0,3 мм, высота 30 мм, длина линии контакта пукли с твэлом – (6,0±0,5) мм;
исполнение 3 – толщина стенки 0,25 мм, высота 20 мм, длина линии контакта пукли с твэлом
– 12 мм. Перед испытаниями ячейки разрезались вдоль образующей на три части.
В ходе испытаний варьировались следующие сочетания поверхностей в узле трения:
свежая оболочка - свежая ячейка, свежая оболочка - потертая ячейка, потертая оболочка свежая ячейка, потертая оболочка - потертая ячейка. Для последнего сочетания проводилось
по 3-5 перемещений оболочки относительно ячейки. Испытания проводились при двух уровнях суммарной нормальной контактной силы – 24 и 38 Н. Для варианта ТВС 13-ю ДР первый
уровень контактной силы между образцами соответствует суммарной контактной силе
312 Н, второй – 494 Н.
Испытания проводились при (20±2) °С на воздухе на установке (рисунок 1), собранной
на базе разрывной машины УМЭ-10ТМ. Оболочка твэла (поз. 4) через динамометр (поз. 5)
соединяется с траверсой разрывной машины (поз. 6). На верхнем зажиме разрывной машины
установлено устройство для центрирования оболочки и поджатия контробразцов (поз. 1), в
котором три контробразца - фрагмента разрезанной вдоль образующей ячейки прижимаются
к оболочке с помощью рычагов и переброшенных через блок грузов. Траверса совершает поступательное движение в вертикальном направлении со скоростью 300 мм/мин.
В ходе испытаний на трение измеряли силу, действующую на фрагмент оболочки, которая за вычетом веса оболочки и силы трения в узле центрирования равна силе трения. Коэффициент трения определялся как отношение силы трения к суммарной нормальной силе в
зоне контакта. Погрешность определения коэффициента трения при поступательном движении образцов не превышала 8 %.
Наиболее типичные зависимости коэффициента трения от времени и от перемещения
оболочки при нормальной силе в контакте 24 Н приведены на рисунках 2-4. Коэффициент
трения на начальном участке составляет в среднем 0,17 для пар с анодированной оболочкой,
0,33 – с травленой оболочкой и 0,27 – со шлифованной оболочкой. Более низкий коэффициент трения в паре с анодированной оболочкой обусловлен наличием на поверхности оболочки защитной пленки, образованной при анодировании. Для пар с анодированной оболочкой
характерен начальный участок трения длиной 0,4-0,7 м, на котором коэффициент трения не
превышает 0,2. Коэффициенты трения в парах с травленой и шлифованной оболочками характерны для пар трения с частичным металлическим контактом.
3
1
2
3
4
5
6
1 - устройство для поджатия контробразцов 2 – рычаг 3 – груз
4 – оболочка твэла 5 – динамометр 6 – траверса разрывной машины
Рисунок 1 – Установка для испытаний образцов на трение при поступательном движении
4
а)
б)
в)
а) свежая оболочка, свежая пукля б) свежая оболочка, потертая пукля
в) потертая оболочка, потертая пукля
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента трения в паре «анодированная оболочка – ячейка
ДР» (L=6 мм, Р=24 Н) от времени
5
а)
б)
в)
а) свежая оболочка, свежая пукля б) свежая оболочка, потертая пукля
в) потертая оболочка, потертая пукля
Рисунок 3 – Зависимость коэффициента трения в паре «шлифованная оболочка – ячейка ДР»
(L=6 мм, Р=24 Н) от времени
k
l/м
6
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
t/c
а)
k
l/м
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
t/c
б)
k
l/м
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
t/c
в)
а) свежая оболочка, свежая пукля б) свежая оболочка, потертая пукля
в) потертая оболочка, потертая пукля
Рисунок 4 – Коэффициент трения в паре «травленая оболочка – ячейка с пуклей 12 мм»
(L=6 мм, Р=24 Н)
7
С увеличением пути трения происходит рост коэффициента трения, который
может быть вызван разрушением защитных пленок на поверхности пукли или попаданием в
зону контакта продуктов износа. Следы фрикционного взаимодействия оболочки с ячейкой
появляются на поверхности оболочки уже после первого хода (рисунок 5).
Рисунок 5 - Следы фрикционного взаимодействия на поверхности оболочки
Коэффициент трения потертых поверхностей находится в диапазоне 0,28-0,40 в зависимости от способа заводской обработки оболочки и может изменяться в пределах до ±45 % от
среднего значения. Максимальный коэффициент трения при нормальной силе 24 Н составляет 0,59 и характерен для трения чистых металлических поверхностей. Коэффициенты трения
для различных пар и участков трения приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Коэффициенты трения при контактной нагрузке 24 Н
Коэффициенты трения (kср/kмах) при различных вариантах пар трения
потертая оболочсвежая оболочОболочка L, мм
потертая оболочсвежая оболочка/потертая ячейка/потертая ячейка/свежая ячейка
ка/свежая ячейка
ка (1-й ход)
ка
4
0,14/0,20
0,25/0,34
0,26/0,37
0,26/0,38
Анодиро6
0,17/0,25
0,25/0,36
0,26/0,36
0,27/0,48
ванная
12
0,19/0,27
0,20/0,30
0,27/0,39
0,31/0,42
4
0,37/0,45
0,32/0,46
0,38/0,48
0,35/0,47
Травле6
0,34/0,43
0,34/0,43
0,38/0,47
0,40/0,48
ная
12
0,39/0,47
0,37/0,47
0,43/0,54
0,45/0,55
4
0,34/0,40
0,30/0,44
0,40/0,49
0,38/0,52
Шлифо6
0,37/0,45
0,34/0,42
0,34/0,42
0,41/0,59
ванная
12
0,31/0,37
0,33/0,38
0,36/0,43
0,38/0,47
kср— среднее значение коэффициента трения в интервале испытаний;
kмах – максимальное значение коэффициента трения в интервале испытаний
8
Коэффициенты трения между пуклевками ячеек и оболочками твэлов при суммарной нормальной нагрузке 38 Н приведены в таблице 2. Из сопоставления таблиц 1 и 2
видно, что при увеличении нормальной силы происходит повышение коэффициентов трения
в паре «свежая оболочка – свежая пуклевка c L=4 и 6 мм» (в среднем на 48 %), тогда как в
паре «свежая оболочка – свежая пуклевка c L=12 мм» повышение коэффициента трения незначительное (в среднем на 10 %). Такое поведение может быть объяснено более быстрым
разрушением защитных поверхностных пленок при более высоких контактных давлениях.
При длине линии контакта 12 мм уровень контактных давлений ниже, и разрушение защитных пленок происходит медленнее. При наличии в паре трения хотя бы одной потертой поверхности коэффициент трения при нагрузке 38 Н также выше, чем при нагрузке 24 Н, однако его увеличение не столь значительное, как у свежих поверхностей, – на 13-16 %.
Таблица 2 - Коэффициенты трения при суммарной контактной нагрузке 38 Н
Коэффициенты трения (kср/kмах) при различных вариантах пар трения
свежая оболочсвежая оболочпотертая обопотертая оболочL, мм
ка/свежая ячейка/потертая ячейлочка/свежая
ка/потертая ячейка
ка
ка
ячейка
(1-й ход)
4
0,33/0,45
0,27/0,38
0,33/0,45
0,38/0,52
Анодиро6
0,32/0,46
0,35/0,46
0,37/0,46
0,45/0,57
ванная
12
0,23/0,33
0,27/0,36
0,29/0,38
0,43/0,54
4
0,38/0,46
0,38/0,45
0,46/0,55
0,43/0,53
Травле6
0,53/0,63
0,49/0,57
0,53/0,63
0,57/0,67
ная
12
0,38/0,47
0,38/0,48
0,42/0,52
0,44/0,54
4
0,40/0,47
0,42/0,48
0,39/0,48
0,43/0,56
Шлифо6
0,41/0,50
0,36/0,43
0,42/0,50
0,45/0,55
ванная
12
0,34/0,40
0,34/0,43
0,41/0,48
0,44/0,52
kср— среднее значение коэффициента трения в интервале испытаний;
kмах – максимальное значение коэффициента трения в интервале испытаний
Оболочка
Поскольку испытания на трение при поступательном движении показали, что анодирование поверхности одного образца обеспечивает снижение коэффициента трения, были проведены испытания на трение двух скрещивающихся анодированных оболочек (таблица 3).
Для сравнения были определены коэффициенты трения анодированной и травленой оболочек, испытанных по той же схеме. Сопоставление коэффициентов трения в парах «анодированная-анодированная» и «анодированная-травленая» оболочки свидетельствует, что анодирование обоих образцов в паре трения приводит к снижению коэффициента трения по сравнению с парой трения с одним анодированным образцом (для свежих поверхностей коэффициент трения снижается в среднем на 23 %).
Таблица 3 – Коэффициенты трения при поступательном движении двух скрещивающихся оболочек (образец – анодированная оболочка)
Коэффициенты трения (kср/kмах) при различных вариантах
пар трения
КонробразецР, Н
оболочка
свежая/
свежая/
потертая/
свежая
потертая
потертая
Анодированная
0,10/0,18
0,14/0,30
0,19/0,41
24
Травленая
0,14/0,25
0,23/0,37
0,35/0,55
Анодированная
0,10/0,13
0,11/0,14
0,18/0,29
38
Травленая
0,12/0,23
0,12/0,17
0,14/0,21
9
2. Результаты испытаний на трение при возвратно-поступательном (колебательном) движении образцов
В качестве образцов для испытаний на трение при колебательном движении (рисунок 6)
использовались оболочки твэлов длиной 60 мм и ячейки ДР в состоянии поставки с НЗХК
(анодированные, травленые и шлифованные оболочки и ячейки с длиной линии контакта 4, 6
и 12 мм), автоклавированные в воде с химсоставом 1-го контура и температурой 320 °С в течение 3 ч и в течение 35 ч, окисленные на воздухе при температуре 320 °С в течение 3 и 15 ч.
В результате образования пленок поверхности оболочек и ячеек после автоклавирования в
течение 3 ч имели окраску от синеватой до золотистой, после 35 ч – близкую к черной.
1
2
3
1 – в состоянии поставки (вверху – анодированная оболочка) 2 – автоклавированные в течение 3 ч (третья сверху - анодированная оболочка) 3 – автоклавированные в течение 35 ч
Рисунок 6 – Образцы для испытаний на трение
Испытания образцов оболочек твэлов и ячеек ДР на трение при колебательном движении
проводились при частотах 3, 9 и 16,5 Гц, уровнях суммарной нормальной контактной нагрузки 2,4, 8 и 24 Н. Частоты возвратно-поступательного движения были выбраны из числа частот, присутствующих в спектрах колебаний ТВС в реакторе ВВЭР-1000: частота 3 Гц близка
к первой балочной форме колебаний ТВС, 9 Гц – к частоте акустической стоячей волны,
16,5 Гц – оборотной частоте главного циркуляционного насоса. Путем варьирования величины суммарной нагрузки в зоне контакта моделируются возможные варианты условий контакта между твэлом и ячейкой ДР: от проектного натяга в начале эксплуатации топлива до
его практически полного исчезновения в конце эксплуатации.
Установка для исследования трения при возвратно-поступательном движении показана
на рисунке 7. Нормальная контактная сила поджатия образцов и их центрирование обеспечивается при помощи установленного на вибраторе устройства поджатия и центрирования,
описание которого приведено в предыдущем разделе. При подаче переменного напряжения
от генератора на вибратор на образец действует вертикальная выталкивающая сила. Если
выталкивающая сила превышает силу трения между образцом и контробразцами, образец
совершает возвратно-поступательные движения относительно контробразцов с регулируемой амплитудой до 1,5 мм в вертикальном направлении, в противном случае – образец покоится.
10
Рисунок 7 - Установка для исследования трения при возвратно-поступательном движении
В ходе испытаний на трение измеряли силу, действующую на фрагмент оболочки, перемещение и ускорение оболочки.
Силу трения между оболочкой и фрагментами ячеек вычисляли как разность измеренной
силы, действующей на фрагмент оболочки, и инерционной составляющей при колебаниях
оболочки. Нормальную силу в зоне контакта определяли как суммарный вес грузов, умноженный на соотношение плеч рычагов. Коэффициент трения определялся как соотношение
силы трения и нормальной силы в зоне контакта. Погрешность определения коэффициента
трения при возвратно-поступательном движении образцов не превышала 12 %.
При испытаниях пар трения со шлифованными и травлеными оболочками тепловыделяющих элементов (рисунок 8, кривые 4 и 8) коэффициент трения характеризовался высокими значениями (от 0,5 до 0,85). Такие высокие значения коэффициента трения обусловлены
отсутствием прочных защитных пленок на поверхностях образцов. Пленки окислов, влаги и
других веществ, адсорбируемых из атмосферы на трущихся поверхностях, являются непрочными и быстро разрушаются в процессе трения. Таким образом, в парах трения «шлифованная или травленая оболочка твэл - ячейка ДР» осуществляется непосредственный контакт
металлических поверхностей, что приводит к проявлению процессов микросхватывания на
отдельных участках поверхности [1].
11
1 – анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
2 - анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
3 - анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
4 – шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
5 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
6 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
7 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, окисленные на воздухе при 320 °С в течение 3 ч
8 – травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
9 - травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
10 - травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
11 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 4 мм, окисленные на воздухе при 320 °С в течение 15 ч
Рисунок 8 – Изменение коэффициентов трения в паре «оболочка твэла – ячейка ДР» с течением времени: f=3 Гц; Р=2,4 Н
Коэффициент трения в парах «анодированная оболочка – ячейка» без дополнительной
обработки (рисунок 8, кривая 1), а также в парах с травлеными и шлифованными оболочками, прошедшими автоклавирование или оксидирование в течение 3 ч (кривые 6, 7, 10), изменялся в диапазоне от 0,25 до 0,5. На поверхностях данных образцов присутствовали защитные пленки, предупреждающие взаимодействие чистых металлических поверхностей. Однако, прочность таких пленок относительно невелика, т.к. минимальные значения коэффициентов трения, наблюдаемые в ходе испытаний таких образцов, составляют около 0,25, что характерно для фрикционного взаимодействия поверхностей с частичным металлическим контактом. На фотоснимках поверхности оболочек (рисунок 9) участки взаимодействия выглядят более светлыми вследствие обнажения металлической поверхности.
12
а)
б)
а) травленая оболочка, автоклавированная в течение 3 ч
б) шлифованная оболочка, автоклавированная в течение 3 ч
Рисунок 9 – Поверхности оболочек твэлов со следами фрикционного взаимодействия с
ячейками ДР
При испытаниях пар трения с образцами, подвергнутыми дополнительной обработке
(автоклавированию в течение 35 ч или оксидированию в течение 15 ч) (рисунок 8, кривые 2,
5, и 9) коэффициент трения лежал в пределах 0,1–0,2. Такие низкие значения коэффициентов
трения свидетельствуют о наличии на поверхностях образцов прочных защитных пленок с
низким сопротивлением на сдвиг по границе контакта [2, 3]. Наличие защитной пленки толщиной несколько десятых долей микрометра подтвердилось металлографическими исследованиями (рисунок 10). Аналогичные величины коэффициентов трения были зафиксированы
в экспериментах с образцами, подвергнутыми анодированию с последующим автоклавированием в течение 3 ч (рисунок 8, кривая 3). Очевидно, комбинация этих двух видов обработок привела к образованию более прочной пленки, чем каждая из обработок в отдельности.
1 мкм
Рисунок 10 –Пленка на поверхности оболочки твэла после автоклавирования в течение 35 ч
13
Испытания пар трения с ячейками ДР с различной длиной пуклевки (рисунок 11) не выявили однозначных зависимостей коэффициента трения пары «оболочка твэл – ячейка ДР»
от проектной длины пуклевки. По-видимому, фактическая площадь контакта, влияющая на
процессы трения, не находится в прямой зависимости от длины пуклевки ячейки ДР. Например, на одной пукле с L=12 мм произошло разрушение защитной пленки в двух точках по
краям пукли, тогда как на другой – на участке длиной около 4 мм в средней части. На пуклях
с более короткой линией контакта касание с оболочкой происходит также не по всей проектной длине линии контакта, а, как правило, на участке длиной 3-4 мм.
а)
б)
а) анодированная оболочка; б) шлифованная оболочка
Рисунок 11 – Изменение коэффициентов трения в паре «оболочка твэл – ячейка ДР» с течением времени при различной длине пукли (f=3 Гц; Р=2,4 Н)
14
Увеличение частоты возвратно-поступательного движения от 3 до 16,5 Гц, сопровождающееся увеличением амплитуды скорости относительного перемещения образцов
от 0,6 до 0,9 м/мин и, соответственно, мощности трения, в общем случае приводит к более
интенсивному тепловыделению на площадках контакта и интенсификации процессов адгезионного взаимодействия трущихся поверхностей. Это характеризуется ростом коэффициента
трения при испытаниях образцов с различной поверхностной обработкой (рисунок 12).
1 – анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
2 – травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
3 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм в состоянии поставки
4 – анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
5 - травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
6 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 3 ч
7 - анодированная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
8 – травленая оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
9 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, автоклавированные в воде при 320 °С в течение 35 ч
10 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 6 мм, окисленные на воздухе при 320 °С в течение 3 ч
11 - шлифованная оболочка в паре с пуклей 4 мм, окисленные на воздухе при 320 °С в течение 15 ч
Рисунок 12 – Максимальные коэффициенты трения при Р=2,4 Н
Увеличение нормальной нагрузки может приводить как к росту коэффициента трения
(рисунок 13а, кривые 2 и 3, рисунок 13б, кривые 2, 3 и 6), так и к его снижению (рисунок
13а, б, кривая 1). Тенденция изменения коэффициента трения от нагрузки, по-видимому, определяется доминированием одного из двух следующих процессов: ростом контактных напряжений (приводящим к росту коэффициента трения) и увеличением фактической площади
контакта (приводящему к снижению контактного давления и, в конечном итоге, - коэффициента трения).
Для пар трения с анодированной оболочкой при контактной нагрузке 24-24,8 Н испытания были выполнены как при поступательном, так и при возвратно-поступательном относительном движении образцов. Сравнение коэффициентов трения при двух типах относительного движения образцов приведено в таблице 4. При близости средних коэффициентов трения для поступательного движения характерно более высокое отклонение коэффициента
трения от среднего значения.
15
а)
б)
а) L=4+2 мм; б) L=12 мм
1 – анодированная оболочка в состоянии поставки с завода
2 – шлифованная оболочка с последующим автоклавированием оболочки и ячейки в течение 3 ч
3 - шлифованная оболочка с последующим автоклавированием оболочки и ячейки в течение 35 ч
4 – шлифованная оболочка с последующим оксидированием оболочки и ячейки в течение 15 ч
5 - травленая оболочка с последующим оксидированием оболочки и ячейки в течение 3 ч
6 - травленая оболочка с последующим оксидированием оболочки и ячейки в течение 15 ч
7 - анодированная оболочка с последующим автоклавированием оболочки и ячейки в течение 35 ч
Рисунок 13 – Максимальные коэффициенты трения в паре «оболочка твэла – ячейка ДР» в
зависимости от нормальной контактной нагрузки (f=3 Гц)
Таблица 4 - Сравнение коэффициентов трения при двух типах относительного движения
(анодированная оболочка, Р=24-24,8 Н)
L=4 мм
L=12 мм
Коэффициент
Поступательное Колебательное Поступательное Колебательное
трения
движение
движение
движение
движение
Минимальный
0,15
0,24
0,19
0,26
Средний
0,35
0,35
0,32
0,30
Максимальный
0,56
0,35
0,45
0,36
16
Заключение
1 Проведены испытания оболочек твэлов и ячеек ДР на трение. Испытания проведены на
воздухе при 20 °С при поступательном и возвратно-поступательном (колебательном) движении образцов.
2 Выявлены основные механизмы трения и определены коэффициенты трения между
ячейками ДР и оболочками твэлов при варьировании величины нормальной силы в контакте,
скорости взаимного перемещения, геометрии ячейки ДР и состояний контактных поверхностей, характеризующихся различной поверхностной обработкой и степенью изношенности.
Основными механизмами трения являются трение поверхностей с полным (коэффициент
трения 0,5-0,8) либо частичным (коэффициент трения 0,2-0,5) контактом чистых металлических поверхностей и трение поверхностей с защитными пленками, характеризующиеся коэффициентами трения на уровне 0,1-0,2. Факторами, вызывающими разрушение защитных
пленок, являются контактное давление, зависящее от нормальной силы и площади фактического контакта, и путь и скорость взаимного перемещения образцов.
3 По динамике изменения коэффициента трения в ходе испытаний образцы могут быть
разделены на три группы с различной обработкой поверхности:
1-я группа: пары трения с травлеными и шлифованными оболочками и ячейками в состоянии поставки с завода. Для этой группы характерно трение с полным либо частичным
контактом металлических поверхностей во всем диапазоне скоростей и нормальных сил в
контакте, коэффициент трения может достигать 0,83.
2-я группа: пары трения с анодированными оболочками и ячейками в состоянии поставки с завода; пары трения с оболочками и ячейками, прошедшие автоклавирование в воде или
оксидирование на воздухе при 320 °С в течение 3 ч. В начале процесса трения образцы 2-й
группы имеют коэффициент трения 0,1-0,2, свойственный поверхностям с защитными пленками. В процессе трения защитные пленки частично или полностью разрушаются, что приводит к повышению коэффициента трения до значений, характерных для образцов 1-й группы.
3-я группа: пары трения с оболочками и ячейками, прошедшие автоклавирование в воде
при 320 °С в течение 35 ч или оксидирование (выдержку в термостате) на воздухе при 320 °С
в течение 15 ч. Коэффициенты трения во всем диапазоне нормальных сил и скоростей перемещения находятся на уровне 0,1-0,2, что свидетельствует о достаточно высокой прочности
защитных пленок на поверхности.
4 Фактическая длина линии контакта пуклевки с твэлом приблизительно одинакова для
всех типов ячеек ДР и не превышает 4 мм. Статистически значимой корреляции между коэффициентом трения пары «оболочка твэл – ячейка ДР» и проектной длиной линии контакта
пуклевки с твэлом не выявлено.
Список использованных источников
1. Семенов А.П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958. 280 с.
2. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. М.: Энергоиздат, 1981.
3. Никулина А.В., Коньков В.Ф., Шишов В.Н. и др. Взаимосвязь легирующего состава циркониевых Nb-содержащих сплавов с коррозией и механическими свойствами. Сборник докладов седьмой Российской конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровград, 8-12 сентября 2003 г.