автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Разработка инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов

Полный текст автореферата диссертации по теме "Разработка инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов"

На правах рукописи

Пономарев Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДВЕСОВ КОЛОКОЛОВ

Специальность 17.00.06 — Техническая эстетика и дизайн

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005534039

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высше профессионального образования «Московский государственнь машиностроительный университет (МАМИ)»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ершов Михаил Юрьевич

доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Машины и технология литейно:

производства им. П.Н. Аксёнова» ФГБОУ ВП

Университет машиностроения

Холин Николай Николаевич, доктор техничесю ;

наук, профессор, зав. кафедрой «Прикладн-

механика» (ТИ-10) ФГБОУ ВПО МГУПИ

Вольнов Илья Николаевич кандидат техничесю

наук, доцент, и.о. зав. кафедрой «Литейно

производство» ФГБОУ ВПО МГИУ

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет

Защита диссертации состоится «23» октября 2013г. в 12 00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д.20, в зале заседаний Ученого Совета.

Текст автореферата размещен на сайте: http://www.mgupi.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ

Автореферат разослан 20 сентября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Анна Эдуардовна Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Колокол является уникальным изделием деятельности человека. Возникший четыре тысячелетия назад, он постоянно совершенствовался — изменялась его форма, увеличивался размер, улучшались функциональные свойства. За многие тысячелетия колокол превратился из утилитарного предмета в музыкальный инструмент, научный интерес к которому возрос в последнее время. Исследованием колокольной тематики занимались историки -Бондаренко А.Ф., искусствоведы - Шашкина Т.Б., техники - Нюнин Б.Н., Пирайнен В.Ю. и др. Широкий спектр изучаемых вопросов свидетельствует о многогранности функциональных свойств колокола, постоянном развитии его конструкции, технологии изготовления и эстетических качествах. В настоящей работе приводятся результаты исследования взаимовлияния перечисленных качеств колокола: обобщён многовековой опыт литейщиков и разработан инженерный метод проектирования подвеса колокола, обеспечивающий получение колокола и самого подвеса без усадочных дефектов.

При проектировании современных колоколов используются сложные методы математического моделирования, имеющие ограниченное распространение. Вместе с тем в России работает много небольших колокололитейных предприятий, занятых разработкой и созданием новых колоколов. Настоящая работа направлена на оказание помощи техническому персоналу таких предприятий в принятии правильных конструктивных решений, предотвращающих образование усадочных дефектов в теле колокола и подвесе. Исследования в направлении совершенствования конструкции, технологии и эстетичности колокола являются актуальными, так как позволяют глубже понять особенности развития дизайна и функций, выполняемых подвесом колокола.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является подвес колокола, как продукт дизайнерской и инженерной мысли, вобравший в себя конструктивные, технологические и эстетические функции.

Предметом исследования являются закономерности изменения формы подвеса колокола, учитывающие особенности усадочных явлений при литье.

Цель работы - создание инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов, использование которого снижает образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов.

2. Выполнить ретроспективный анализ эволюции формы подвеса колоколов с использованием исторических данных.

3. Выявить степень влияния конструктивных, технологических и эстетических факторов на форму подвесов колоколов.

4. Методом математического моделирования исследовать влияние формы подвеса на количество усадочных дефектов в теле колокола.

5. Для системы компьютерного моделирования литейных процессов «ПолигонСофт» разработать программу расчёта объёма усадочных дефектов в теле колокола.

Экспериментальная база

Математическое моделирование затвердевания выполнялось с использованием программных продуктов: Urographies NX, PROCAST, СКМ ЛП «ПолигонСофт». При анализе форм подвесов колоколов использовались методы фото- и видеосъёмки. Адекватность расчётов проверялась методами литья и рентгенографии. Экспериментальные результаты подвергались статистической обработке с помощью программы Excel.

Научная новизна работы

Новизна научной идеи состоит в разработке гипотезы эволюции подвеса колокола и её проверке с помощью численного моделирования процессов затвердевания.

1. Разработана гипотеза эволюции подвесов колоколов, учитывающая влияние конструктивных, технологических и эстетических факторов, достоверность которой обоснована методами численного моделирования процессов затвердевания.

2. Показано последовательное возрастание влияния эстетического, конструктивного и технологического факторов на эволюцию подвеса; установлено, что возрастание влияния эстетического фактора происходило с 1П

в., конструктивного с ЕХ в., технологического с XI в. н.э.; максимального влияния факторы достигли в XVI - XVII веках н.э., и это выразилось в создании совершенного дизайна подвеса в виде «классической короны».

3. Установлено, что в дизайне подвеса колокола конструктивную функцию выполняет совокупность дугообразных элементов и маточника. Показано, что маточник выполняет также технологическую функцию, а дугообразные элементы - эстетическую.

4. Установлено влияние дизайна элементов подвеса на величину суммарного объёма усадочных дефектов, посредством варьирования геометрических параметров.

Практическая значимость работы

1. Разработан инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов, позволяющий определять геометрические параметры подвесов и предотвращать образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

2. Разработанная «Программа расчёта объёма суммарной усадочной пористости», позволяет определять суммарный объём пустот заданного интервала пористости в выделенном объёме на виртуальной модели.

3. Выявлены параметры дизайна элементов подвеса колокола, обеспечивающие его необходимую прочность и предотвращение образования усадочных дефектов.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях: «Технология художественной обработки материалов» (Москва, МГГУ, 2010); «Автомобиле- и Тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010, 2012); «Информатика и технология», Факультет «Технологическая информатика» (Москва, МГУПИ, 2012); «Технологии художественной обработки материалов» (Ижевск, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, 2012); «Применение прогрессивных технологий и оборудования в промышленном и художественном литье», посвященной 70-летию кафедры «МиТЛП» и 110-летию со дня рождения П.Н. Аксёнова (Москва, Университет машиностроения, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР ЕЗН «Разработка научных осно выбора оптимальных технологических решений в машиностроении». Тема 4.6: «Создание научно-обоснованных методов: проектирования, технологически процессов литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами» (Университет машиностроения, 2011г.).

Автор в составе творческого коллектива отмечен дипломом первой степени за проект «Комплексный метод проектирования, литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами» на XVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД», Москва 2013г.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе три статьи в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад автора

Состоит в разработке гипотезы эволюции формы подвеса колокола; адаптации численного моделирования для подтверждения гипотезы эволюции формы подвеса колоколов; участии в составе коллектива в создании программы расчёта объёма суммарной усадочной пористости с использованием файла результатов моделирования затвердевания СКМ ЛП «ПолигонСОФТ»; обобщении теоретических и экспериментальных данных. При этом автор участвовал в постановке задачи, проведении численного моделирования, получении отливок колоколов, разработке экспериментальной методики по выявлению и предупреждению образования усадочных дефектов в подвесе и теле колокола, обработке и анализе результатов, участвовал во внедрении разработок.

Струюура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Общий объём работы - 161 страница машинописного текста, включая 121 рисунок, 4 таблицы, приложений и библиографию из 85 наименований.

Работа выполнена в Московском Государственном машиностроительном университете (МАМИ) на кафедре «МиТЛП» им. П.Н. Аксёнова, на которой автор работает в должности старшего преподавателя.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Гипотеза эволюции дизайна подвеса колоколов, учитывающая влияние конструктивных, технологических и эстетических факторов.

2. Результаты численного моделирования по исследованию влияния дизайна подвеса на образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

3. Метод дизайн-проектирования подвесов колоколов, позволяющий определять их геометрические параметры.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен ретроспективный обзор подвесов колоколов на примерах различных исторических периодов развития колокололитейного искусства. Представлен анализ формообразования основных частей подвесов колоколов, таких как «маточник» и присоединенные к нему дуга. Показаны различные способы украшения (орнаментации) подвесов колоколов, которые свидетельствуют о развитии литейной технологии и получении подвесов сложных форм. Рассмотрены ремонтные подвесы, которые содержат следы проведенных ремонтных работ, и литейные дефекты, появившиеся в теле подвеса из-за нарушений при проектировании технологии получения литого колокола и подвеса. На известных исторических экземплярах колоколов составлена хронология мировой истории колокололитейного дела. Колокола, включенные в хронологию, приняты в качестве примеров, иллюстрирующих эволюцию - изменение формы самого колокола в целом, так и его подвеса в частности.

Предложена рабочая гипотеза развития дизайна подвеса колокола, учитывающая влияние конструктивных, технологических и эстетических факторов. Анализ эволюции формы подвеса колоколов показал, что главной причиной формоизменения являлось увеличение размера колоколов. Формоизменение происходило в значительной степени в результате накопления эмпирического опыта литья и эксплуатации, изменения условий закрепления колокола и трудностей, возникающих при подъёме и монтаже больших колоколов. Важным моментом является то обстоятельство, что подвес на

стадии изготовления выполняет роль литниковой системы, и призван обеспечивать предотвращение усадочных дефектов в теле колокола и месте крепления самого подвеса. Положительные технические и эстетические достижения, реализованные на лучших образцах литейного искусства, постепенно становились понятными, а затем общепринятыми, так как применялись другими мастерами. В результате такого процесса улучшалась форма подвеса, достигнув своей совершенной формы, называемой «корона».

Главной причиной сохранения сложившейся формы подвеса, которую используют производители колоколов до сих пор, является обеспечение надёжного питания колокола в процессе затвердевания и предотвращения в нем усадочных дефектов. Это достигается за счёт удачного расположения элементов литниково-питающей системы и их конфигурации. Маточник, расположенный между чашей и колоколом, в процессе заливки играет роль толстого питателя. Окружающая его часть литейной формы сильно прогревается, что приводит к затвердеванию маточника в последнюю очередь.

Конфигурация дуг в процессе эволюции приобрела характерную форму с изгибом в верхней части и уплощенностыо, что придаёт подвесу изысканную форму, напоминающую корону, которая является логическим завершением общей композиции колокола. Конструкция подвеса допускает применение элементов отделки придающих законченность общей композиции колокола.

Ш АММ [ | '»»о.г | КьКа..

1 ' —-> ™' ™ I" ; • 1» »И »|»:»м«1»-»1-МН "I™ ————

Рисунок 1. Зависимости влияния факторов на форму подвеса колокола (м - малое влияние, с - среднее влияние, б - большое влияние)

Эволюция формы подвеса колокола представляла собой сложный дизайнерский процесс, в ходе которого возрастала роль эстетического, конструкторского и технологического факторов (рис. 1). Результатом этого процесса является совершенная форма подвеса в виде «короны».

Определены эстетические, конструктивные и технологические факторы подвеса колокола, влияние которых увеличивалось на протяжении двух тысячелетий.

Мы предполагаем, что подвес колокола, через который происходит заливка литейной формы, является частью литниково-питающей системы, и его размеры и форма непосредственно влияют на получение бездефектной отливки колокола в процессе затвердевания.

На основании проведенного литературного анализа была сформулирована научная идея работы, цель и основные задачи исследования.

Во второй главе для проверки гипотезы эволюции формы подвеса колокола использовалась система моделирования литейных процессов (СКМ ЛП) «ПолигонСофт». Наш выбор сделан в пользу СКМ ЛП «ПолигонСофт», так как система обладает более высокой скоростью и достоверностью полученных результатов по сравнению с другими отечественными и импортными аналогами.

Численное моделирование состояло из следующих этапов: создание ЗО твердотельной модели колокола с элементами литниково-питающей системы в программе иг^гарЫсэ ИХ; разбивка модели в программе РЯОСА8Т; расчёт затвердевания в программе СКМ ЛП «ПолигонСофт»; инженерный анализ результатов расчёта.

Для проверки адекватности и отсутствия расхождений в полученных результатах были проведены 6 проверочных моделирований «Колокольчика Вавилон», в которых использовались одинаковые входящие параметры, такие как геометрические размеры модели отливки и элементов ЛПС, размер СКЭ. При расчёте были заданы одинаковые расчётные параметры: сплав, температура заливки, шаг расчёта, свойства формы. Затем по результатам моделирований анализировали дислокацию усадочных дефектов и их числовые значения. Как показали расчёты, форма и числовые значения усадочных дефектов не отличается вне зависимости от количества моделирований.

Соответственно, из этого можно сделать вывод, что расчётные формулы, заложенные в программе, и методика расчёта, имеют мизерную погрешность, и в свою очередь мы защищены от разносторонних и неточных результатов расчёта.

Предложена шкала классификации пористости, которая облегчит анализ результатов моделирования и позволит в приближенном виде оценивать влияние, которое оказывает та или иная пористость на прочностные характеристики литого колокола.

Успешное использование модуля «Сплав» позволило дополнить уже имеющуюся базу данных по свойствам сплавов колокольной бронзой. Это привело к актуализации базы данных по сплавам и позволило получить адекватные результаты численного моделирования затвердевания.

В третьей главе проведена проверка гипотезы эволюции формы подвеса колокола с использованием методов численного моделирования процесса затвердевания с помощью программы СКМ ЛП «ПолигонСофт». Результаты моделирования демонстрируют влияние конструкций подвесов колоколов и видов литниково-питающих систем на положение усадочных дефектов, их форму и размеры. Моделирование позволило получить полную и наглядную картину расположения усадочных дефектов в подвесе колокола и теле колокола. Выполнено моделирование наиболее характерных представителей колоколов с характерными формами подвесов.

По результатам численного моделирования затвердевания построена зависимость изменения процентного отношения массы подвеса колокола, литниково-питающей системы, суммы масс подвеса и ЛПС к массе заливаемого металла. На графике (рис. 2) имеется минимальная точка, которая получена при моделировании колокола «Безымянный» XII века, у которого имеется удлиненный кольцеобразный подвес. Предположительно, этот вид подвеса является отправной точкой эволюционирования формы подвеса. Эта точка показывает, что увеличение процентного размера подвеса относительно колокола в целом свидетельствует о переходе у средних колоколов массой более 50 кг к подвесу, имеющему массивную центральную часть (маточник), которая выполняет технологическую функцию и является частью литниково-питающей системы и выполняет роль прибыли.

В результате инженерного анализа различных вариантов подвесов доказано, что форма подвеса, размеры и расположение литниково-ггитающей системы оказывают существенное влияние на образование дефектов в теле колокола и самом подвесе.

о а

о ^

а -

Я

24 22.5 21

18 16,5 15 13,5 12 10,5 9 7.5 6 4,5

1,5

(I

Подвесь! йеэ "маточники'

\г

—Ут—■

О 50 100 150

Пиле»-««.! "»мгочмнком"

/ ¡И*®* .............•

г/

100 250 300 350 100 450 500

Масса колокола (м), кг

Рисунок 2. Зависимости отиоиления массы элементов колокола и ЛПС к общей массе залитого металла: 1 - масса ЛПС; 2 - масса подвеса: 3 - масса подвеса и ЛПС Показано, что наряду с конструктивными и эстетическими функциями подвес выполняет технологическую функцию, действенность которой в значительной степени зависит от его формы.

В современном подвесе в форме «короны», состоящем из центральной массивной части «маточника» и дугообразных элементов основную технологическую функцию по предотвращению дефектов выполняет «маточник», а дугообразные элементы конструктивную и эстетическую.

Традиционно литниково-питающая система при литье колоколов располагается над подвесом. При использовании альтернативного варианта соединения ЛПС с колоколом {«сифонная» схема) не всегда обеспечивает отсутствия усадочных дефектов, а также усложняет технологию изготовления литейной формы, затрудняет отделение и механическую обработку места присоединения питателя к нижней части тела колокола.

В четвертой главе разработана технология изготовления колоколов с

петлеобразным и кольцеобразным подвесами, включающая получение моделей подвесов из выплавляемых составов.

Для изучения были взяты колокола с русским профилем массой 1.5 кг с подвесом торообразной формы. Выбор массы обусловлен возможностью проверки результатов моделирования на реальных колоколах в лабораторных условиях. В обоих случаях подвес имел одинаковые конструктивные параметры, варьируемые на двух уровнях: Оп - диаметр осевой линии подвеса (тора), с!и — диаметр подвеса (диаметр тора). Варьировали расположение подвеса на верхней части колокола, а именно в первом случае подвес дугообразной формы устанавливался на половину своей высоты, во втором, кольцевой формы подсоединялся к колоколу по осевой линии тора.

В результате анализа неразрушающих методов контроля усадочных дефектов в теле отливок в качестве сплава для моделирования процессов образования усадочных дефектов в колоколе и литниковой системе выбран силумин марки АЛ9М.

Методами численного моделирования определена температура заливки 725°С силумина АЛОМ, при которой достигается минимальный объём усадочных дефектов 11384мм3 при использовании петлеобразного подвеса с толщиной с1п = 5мм (рис. 3).

Зависимость суммарного обьема усалочных дсфек1 оп ©I температуры гагшвкн (петлеобряшыв подвес - 5:Ш1)

| 11700

Г мл. "С

Рисунок 3. Изменение суммарных объёмов усадочных дефектов от температуры заливки при использовании петлеобразного подвеса tin = Змм Для сплава АЛ9М экспериментально подтверждено совпадение результатов численного моделирования процессов образования усадочных дефектов в колоколе и литниковой системе с реальными отливками колоколов

Установлен уровень технологических параметров: температура заливки, материалы формы, составы формовочных смесей, обеспечивающие минимальный уровень усадочных дефектов.

Экспериментально установлено, что при диаметре 5мм дугообразного и кольцеобразного подвеса в месте сочленения подвеса с телом колокола возникают многочисленные усадочные дефекты, которые могут представлять из себя как утяжины на поверхности отливки, так и концентрированные пустоты (раковины), возможно и трещины (рис. 4). Эти дефекты нарушают целостность ответственного места соединения подвеса и тела колокола и могут вызвать отрыв колокола от подвеса.

а). б). в).

Рисунок 4. Визуальный контроль экспериментальных подвесов колоколов

а - петлеобразный подвес (с!п = 5мм., Он = 40мм.); б - петлеобразный подвес (с!п = 5мм., Бп = 30мм.); в - кольцеобразный подвес (с!п = 5мм., Бп = 30мм.)

1 - усадочный дефект, 2 - утяжина, 3 - трещина Отработана методика рентгенографического контроля усадочных дефектов на колоколах массой 1,5кг ВЮбки = 200мм, с использованием которой выполнен контроль экспериментальной партии колоколов.

Просвечиванию на рентгеновской установке подвергались части экспериментальных колоколов массой 1,5 кг, изготовленные из сплава АЛ9М. Особое внимание уделялось рентгеновскому изображению сечения петлеобразного и кольцеобразного подвеса и места соединения его с телом колокола. Нижняя часть тела колокола не рассматривалась, так как по результатам численного моделирования пористость в области губы тела колокола не достигает 15%.

В пятой главе описана техническая необходимость в определении объёма усадочных дефектов различной плотности и оценки их суммарной величины, которая указывает на возможность устранения или не устранения

дефектов.

Поэтому нами использован вычислительный инструмент - программная разработка, сделанная на кафедре «МиТЛП» Университета Машиностроения, которая позволила анализировать полученные результаты математического моделирования пористости в процентах не только по их силе цвета, но и оценивать объём, процент усадки во всем объёме отливки колокола и элементах литниково-питающей системы. Программная разработка зарегистрирована, и получено свидетельство № 17580 о регистрации программы.

Разработана и применена программа расчёта объёмов усадочных дефектов для анализа эффективности работы литниково-питающей системы, а также проверки конструктивных параметров подвеса.

Создан и опробован модельный ряд колоколов с кольцеобразными и петлеобразными подвесами со следующими геометрическими параметрами: (диаметр осевой линии подвеса Бп = 10, 20, 30, 40, 50мм и диаметр сечения подвеса <1п = 5, 10), который позволяет выявить критические геометрические параметры подвеса, влияющие на получения бездефектных отливок колоколов.

Получены математические зависимости объёма усадочных дефектов в колоколе от конструктивных параметров формы подвеса (табл. 1).

Таблица 1

Относительный объём усадочных пустот в воронке и колоколе с подвесом

вид закрепле ния Диаметр сечения подвеса Объём усадочных пустот Диаметр осевой линии тора Бп. мм

10 20 30 40 50

кольцеобразный подвес <3п = 5мм Уг, % 0,71 4,37 4,42 4,37 4,29

Ув, % 2,45 0,62 0,55 0,58 0,55

с!п = 10мм Ух, % 0,69 0,68 0,73 0,72 0,91

V», % 2,46 2,44 2,35 2,24 2,07

петлеобразный подвес ёп = 5мм VI, % 0,67 0,69 4,78 4,30 4,16

Ув, % 2,42 2,30 0,72 0,67 0,58

<1п = 10мм Ух, % 0,67 0,65 0,70 0,78 0,78

У„% 2,45 2,45 2,43 2,37 2,28

Полученные значения процента усадки в колоколе свидетельствуют о важной роли торообразного подвеса, который применялся на колоколах древнего мира, и в видоизмененном состоянии применяется в элементах современных, устоявшихся форм подвесов. При этом видно, что подвес не должен иметь критических сечений, которые затруднили его работу в качестве литника. Как показали зависимости, колокольная бронза по сравнению с алюминиевым сплавом, используемая для литья колоколов, имеет повышенную требовательность к правильному конструированию технологичных конструкций подвесов, которые выполняют функцию литниково-питающей системы и обеспечивают компенсацию усадочных явлений, происходящих в колоколе.

Показано, что диаметр и поперечное сечение дугообразного подвеса экспериментального колокола оказывают существенное влияние на формирование суммарного объёма усадочных дефектов. Подвес с диаметром 10мм обеспечивает надежное питание отливки при диаметре осевой линии от 10 до 50мм (для тора и петли). Установлено, что подвес колокола с диаметром 5мм создает затруднение в питании отливки при диаметре осевой линии больше 20мм для тора и 30мм для петли, в теле колокола возникают литейные дефекты с суммарным объёмом от 4 до 5% объёмной усадки.

В диссертационной работе проводили экспериментальные исследования по экстремальному плану, в котором варьировали диаметр осевой линии подвеса (Бп = 10, 20, 30, 40, 50мм), вид подвеса (кольцеобразный и петлеобразный) и толщину торообразного подвеса (ёп = 5,10мм).

В шестой главе описан инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов.

Предложено, что подвес колокола выполняет не только эстетическую функцию, но и должен выполнять роль литниково-питающей системы, и в процессе получения отливки колокола обеспечивает надежное питание во время затвердевания и уменьшает усадочные дефекты, образующиеся во время литья. Поэтому во время проектирования главным критерием оценки правильности создания подвеса является наличие незначительного процента усадочных дефектов в самом подвесе и теле колокола. Подвес колокола в форме «классической короны» состоит из центральной массивной части,

называемой «маточником», которая выполняет роль прибыли и соответственно обеспечивает надежное питание во время затвердевания отливки колокола, а также дугообразных элементов подвеса, обеспечивающих не только удобное закрепление подвеса на месте крепления колокола, но и придающих подвесу колокола дополнительную прочность.

Исходными данными для дизайн-проектирования подвесов колоколов являются: Н - высота всего колокола, М - масса всего колокола. Как известно: Ои = 12-15м, Б,, = 20ь, Бн = Н,

где Он — диаметр тела колокола, Оь — диаметр верхней части тела колокола, м -боевая часть колокола.

В литературных источниках даны рекомендации по соотношению высоты всего колокола к высоте тела колокола, как: Н : Ь = 7 : 6; 6 : 5; 5 : 4

Подсчитав среднее значение соотношения высот параметров колокола, получим значение Н: И = 1,2 (1.1)

Подвес колокола состоит из «маточника» и дугообразных элементов. В настоящее время не существует рекомендаций по геометрическим параметрам построения подвеса колокола в форме «классической короны», однако высота подвеса может бьгть найдена по формуле:

Ьподкса = 0,2Нколокола (1-2)

Если высоту подвеса можно рассчитать по формуле 1.2, то определить его ширину затруднительно.

Изначально строят профиль колокола. Профиль колокола определяет общую высоту колокола Нс0к)к0ла. Объём тела колокола УКОЛокола можно определить и рассчитать, используя программные возможности программ ЗБ моделирования, кроме того, используя модуль программы Мастер-ЗБ программы СКМ ЛП «ПолигонСофт», можно рассчитать объём тела колокола, воспользовавшись управлением сечения и меню «Расчет объёмов и площадей отливки и формы».

Для построения геометрических параметров подвеса колокола необходимо знать размер верхней части тела колокола «сковороды». Её размер определяет построенный профиль колокола, поэтому Ьв ч.т.к. является величиной изначально известной.

Дизайн-проектирование подвесов колоколов в виде алгоритма (рис. 5).

Рисзиок 5. Алгоритм дизайн-проектирования подвесов колоколов На схеме алгоритма дизайн-проектирования видно, что предложенная форма подвеса колокола оценивается по соответствию порогового процента пористости, который лежит в пределах от 0 до 15%, при этом пороговый процент пористости должен рассматриваться не только в теле колокола, но и в самом подвесе, который должен быть плотным и прочным, чтобы на себе держать весь вес колокола. Также следует заметить промежуточный порог пористости, который составляет от 15 до 30% процентов и может быть исправлен, применяя некоторые технологические корректировки, такие как

17

температура заливаемого металла и время заливки. Если же в результате численного моделирования значения пористости в теле колокола и подвесе лежат в промежутке от 30 до 100%, тогда следует увеличить ширину центральной части подвеса «маточника», тем самым увеличивается массив металла, и подвес лучше выполняет роль литниково-питающей системы, а также можно увеличивать количество дугообразных элементов подвеса (пд.,.), которых изначально может быть 4 штуки, но допускается их увеличение до 8штук, Это позволяет не только улучшить конструктивную прочность подвеса за счёт добавления дугообразных элементов, но и добиться увеличения количества литников, через которые будет заливаться и подпитываться во время затвердевания массивная часть тела колокола.

Все приведенные формулы в алгоритме дизайн-проектирования позволяют в первом приближении рассчитать все необходимые геометрические параметры подвеса колокола и построить их в программе твердотельного моделирования. После построения необходимого подвеса колокола, который соответствует геометрическим и весовым характеристикам колокола, приступают к численному моделирования процессов затвердевания для проверки правильности выбранных геометрических параметров подвеса. Если после моделирования колокол и подвес поражен литейными дефектами, тогда изменяют литниково-питающую систему колокола (увеличивают геометрические размеры воронки или чаши, изменяют литейный стояк). Если эти меры не помогают, тогда увеличивают ширину центральной части подвеса «маточника» до размеров, при которых ширина всего подвеса не выходит за границу верхней части тела колокола «сковороды», если размеры увеличивать дальше, тогда теряется эстетическая красота подвеса, и он становится непропорциональным. Последней мерой по уменьшению усадочной пористости можно считать управление температурой заливки колокольной бронзы, которая может при выбранном температурном режиме уменьшать суммарный объём усадочных дефектов. Кроме того, можно увеличить количество дугообразных элементов, которые присоединены к центральной части подвеса, и тем самым увеличить проходное сечение, по которому проходит жидкий металл в полость тела колокола. Количество можно увеличивать до 8ми штук.

Существуют определенные внеглассные рекомендации о том, что ширина всего подвеса не должна выходить за пределы верхней части тела колокола «сковороды», но анализируя примеры колокольного мира видно, что существуют колокола, в которых подвес выходит за пределы невидимой границы, которую определяет «сковорода» тела колокола.

В нашем случае необходимо использовать принцип «золотого сечения» при построении колокола. Используя принцип «золотого сечения», можно прийти к выводу, что подвес колокола находится в границах треугольника и не выходит за границы верхней части тела колокола «сковороды». Центральная часть подвеса «маточник» в основном занимает 40% от всей ширины верхней части тела колокола. Каждый удерживающий элемент (дуга) занимает 20% от всей ширины верхней части тела колокола. Поэтому подвес колокола, состоящий из центральной части тела колокола «маточника» и парных дуг, занимает 80% от всей ширины верхней центральной части тела колокола «сковороды» (рис. 6).

^подвеса ~ ^ц.ч.п. ~ ®>2Нкопокопа '-ц.ч.п. —

Ьд.э. = 0,25ИцЧ „

(.в.ч.т.к. - задается при построении профиля колокола

Рисунок 6. Схема с рекомендуемыми геометрическими параметрами построения подвеса

колокола

Разработанный алгоритм дизайн-проектирования подвесов колоколов позволяет технологу спроектировать подвес колокола в форме «классической короны» и, управляя не только основными геометрическими размерами подвеса, но и технологическими параметрами (температура заливки и время

заливки), получить колокол и его подвес, не пораженный усадочными дефектами.

В заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Выполнен ретроспективный анализ подвесов колоколов, на основании которого разработана гипотеза развития дизайна подвеса с учётом конструктивных, технологических и эстетических факторов; установлена периодизация изменения доли влияния факторов в дизайне подвеса.

2. Показано, что изменение дизайна подвеса происходило под влиянием: возрастающей массы колоколов (конструктивный фактор), необходимости надёжного питания отливки (технологический фактор) и гармоничного дизайна колокола (эстетический фактор).

3. Для проверки гипотезы применен метод численного моделирования затвердевания отливок с помощью программы «ПолигонСофт», позволяющий определять положение и величину усадочных дефектов. Выполнен численный эксперимент по изучению влияния формы подвеса на образование усадочных дефектов. Результаты эксперимента использованы как доказательная база гипотезы.

4. Выполнен факторный эксперимент по численному моделированию затвердевания отливок колоколов с дугообразными подвесами; проведена экспериментальная проверка адекватности результатов моделирования на реальных отливках с применением рентгенографии.

5. Установлено, что в современном подвесе (корона), состоящем из центральной массивной части (маточника) и дугообразных элементов (дуг), основную технологическую функцию по предотвращению дефектов выполняет маточник, а дугообразные элементы конструктивную и эстетическую.

6. Разработана технология изготовления колоколов с дугообразными подвесами, включающая технологический приём получения моделей подвесов из выплавляемых составов.

7. Разработана «Программа расчёта объёма суммарной усадочной пористости с использованием файла результатов моделирования затвердевания СКМ ЛП «ПолигонСофт», которая применена для анализа эффективности работы литниково-питающей системы, а также проверки конструктивных

параметров подвеса. Программа зарегистрирована в Объединенном фонде электронных ресурсов "Наука и образование" 11 ноября 2011г.

8. Предложена шкала классификации пористости, использованная в работе для анализа результатов моделирования и приближенной оценки влияния пористости на прочностные характеристики литого колокола.

9. Пополнена база данных модуля «Сплав» колокольной бронзой, что позволило получить адекватные результаты численного моделирования затвердевания колоколов.

10. Создан и опробован модельный ряд колоколов с кольцеобразными и петлеобразными подвесами со следующими геометрическими параметрами: (диаметр осевой линии подвеса Dn = 10, 20, 30, 40, 50мм и диаметр сечения подвеса dn = 5, 10мм), который позволил выявить элементы дизайна подвеса, предотвращающие образование усадочных дефектов в колоколе.

11. Получены зависимости объёма усадочных дефектов в колоколе от конструкции и дизайна подвеса.

12. Разработан инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рецензируемых научных журналах н изданиях ВАК РФ:

1. Ершов М.Ю., Пономарев A.A. Рабочая гипотеза развития дизайна подвеса колоколов. [Электронный ресурс] // «ДИЗАЙН. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА». - 2010. - вып. 4 0.75 п.л.

2. Пономарев A.A. Ершов М.Ю. Проверка гипотезы эволюция подвесов колоколов методами численного моделирования. [Текст] // «Дизайн. Материалы. Технология». - 2011. - №4 0.31 пл..

3. Ершов М.Ю., Пономарев A.A. Ретроспективный взгляд технолога на изменение формы подвеса (уха) колокола. [Текст] // «Литейщик России». - 2013. - №1 0.2пл.

В других изданиях:

4. Пономарёв A.A., Трухов А.П., Ершов М.Ю. Методика расчета литниково-питающих систем при литье по выплавляемым моделям. [Текст] //

Международный научный симпозиум «Автотракторостроение-2009». Тезисы докладов МГТУ «МАМИ». - 2009. 0.3 8п.л.

5. Пономарёв A.A. К вопросу о форме подвеса колоколов. [Текст] // Вестник молодых учёных МГУПИ. - 2010. - №7 0.25п.л.

6. Пономарёв A.A. Эволюция формы подвеса колоколов. [Текст] // Тезисы докладов. XIII международная конференция «Технология художественной обработки материалов» Московский горный университет. -2010. 0.12п.л.

7. Пономарёв A.A. Методика математического моделирования процесса затвердевания колоколов. [Текст] // Вестник молодых учёных МГУПИ. - 2010. - №8 0.25п.л.

8. Пономарёв A.A. Моделирование процесса затвердевания подвесов колоколов. [Электронный ресурс] // Международная техническая конференция А All. «Автомобиле и Тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» посвящена 145-летию МГТУ «МАМИ». Тезисы докладов. -2010. 0.38пл.

9. Пономарев A.A., Ершов М.Ю. Влияние формы подвеса колоколов на образование усадочных дефектов. [Электронный ресурс CD] // 77-я Международная научно-техническая конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» Тезисы докладов МГТУ «МАМИ». - 2012. 0.19п.л.

10. Пономарев A.A., Ершов М.Ю. Ретроспективный анализ изменения формы подвеса колокола. [Текст] // XV Всероссийская научно-практическая конференция по "Технологии художественной обработки материалов" Тезисы докладов. - 2012. 0.31п.л.

11. Ершов М.Ю., Пономарев A.A. Ретроспективный взгляд технолога на изменение формы подвеса (уха) колокола. [Текст] // Труды академии технической эстетики и дизайна. - 2013. - №1 0.19п.л.

12. Пономарев A.A., Попова A.A. Анализ влияния эстетических, конструктивных и технологических факторов на изменение формы подвеса колокола. [Электронный ресурс CD] // XIX Международная научно-

22

практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 11: Дизайн и технология художественной обработки материалов. Сборник трудов. - 2013. 0.13п.л.

Патенты, авторские свидетельства и свидетельства регистрации программ:

13. (Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17580) «Программа расчёта объёма суммарной усадочной пористости с использованием файла результатов моделирования затвердевания СКМ ЛП «ПолигонСофт»». Авторы разработки: М.Ю. Ершов, В.П. Монастырский, A.A. Пономарёв, Денисов И.А. Объединенный фонд электронных ресурсов "Наука и образование" 11 ноября 2011г.

Алексей Алексеевич Пономарев

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«Разработка инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов» Подписано в печать Заказ Тираж 90

Бумага типографская Формат 60*90/16

Университет машиностроения г. Москва, ул. Б. Семеновская д.38

Текст диссертации на тему "Разработка инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов"

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

На правах рукописи

04201362538

Пономарев Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДВЕСОВ КОЛОКОЛОВ

Специальность 17.00.06 - «Техническая эстетика и дизайн»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Ершов М.Ю.

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................5

1. ВЫБОР ОБЪЕКТА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................10

1.1 .Ретроспективный обзор подвесов колоколов....................................10

1.2. Анализ ремонтных подвесов колоколов..........................................18

1.3. Маточник - центральная часть подвеса колокола.............................20

1.4. Анализ форм дуг в подвесах колоколов..........................................24

1.5. Роль орнаментации в дизайне подвесов колоколов.............................26

1.6. Гипотеза развития дизайна подвеса колокола.................................30

1.7. Резюме.................................................................................37

1.8. Выводы по первой главе..............................................................41

2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ КОЛОКОЛОВ...............................42

2.1. Создание ЗБ модели колокола с подвесом и элементами литниково-питающей системы..........................................................42

2.2. Построение расчётной сетки.......................................................43

2.3. Моделирование процесса затвердевания колокола с помощью модулей СКМ ЛП «ПолигонСофт». Представление результатов моделирования..............................................................................48

2.4. Разновидности пористости, используемые в системе моделирования литейных процессов «ПолигонСофт».............................50

2.5. Пополнение базы данных сплавов СКМ ЛП «ПолигонСофт» колокольной бронзой Бр020............................................................52

2.6. Выводы по второй главе............................................................55

3. ОБОСНОВАНИЕ ГИПОТЕЗЫ ЭВОЛЮЦИИ ДИЗАЙНА ПОДВЕСА КОЛОКОЛА МЕТОДАМИ ЧИСЛЕННОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ..........................................................................................56

3.1. Моделирование процесса затвердевания на наличие

пористости в петлеобразном подвесе колокольчика «Древний Иран».........56

3.2. Моделирование процесса затвердевания на наличие

пористости в кольцеобразном подвесе колокольчика «Вавилон»..............57

3.3. Моделирование процесса затвердевания на наличие пористости

в подвесе в форме двойной петли «Европейского колокола»....................60

3.4. Моделирование процесса затвердевания на наличие пористости в сложном петлеобразном подвесе «Колокольчика с плоским верхом».........64

3.5. Моделирование процесса затвердевания на наличие пористости в удлиненном петлеобразном подвесе Русского колокола

«Безымянный» XII века...................................................................67

3.6. Моделирование процесса затвердевания на наличие пористости в массивном кольцеобразном подвесе с парными дугами немецкого траурного колокола из Аусбурга.......................................................68

3.7. Моделирование процесса затвердевания на наличие пористости

в подвесе в форме «классической короны» русского колокола................70

3.8. Анализ других видов литниково-питающих систем..........................72

3.9. Параметры характерных представителей колоколов

с подвесами, используемые для численного моделирования.....................78

ЗЛО. Выводы по третьей главе..........................................................80

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПО ВЫЯВЛЕНИЮ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОДВЕСЕ И ТЕЛЕ КОЛОКОЛА..........82

4.1. Исследование причин возникновения и места расположения дефектов в подвесе и теле колокола....................................................82

4.2. Технология изготовления песчаной вставки для подвеса экспериментального колокола..........................................................84

4.3. Формовка экспериментального колокола.......................................89

4.4. Плавка необходимой порции металла и заливка..............................96

4.5. Визуальный контроль готовых отливок экспериментальных колоколов из алюминиевых сплавов.................................................100

4.6. Применение неразрушающего метода контроля по выявлению усадочных дефектов в подвесе и теле колокола....................................107

4.7. Выводы по четвертой главе......................................................111

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ

В ПОДВЕСЕ И ТЕЛЕ КОЛОКОЛА........................................................113

5.1. Использование программы расчёта объёма суммарной усадочной пористости.................................................................................113

5.2. Работа с программой расчёта объёма суммарной

усадочной пористости...................................................................115

5.3. Нахождение геометрических параметров и конфигурации

подвеса колокола, обеспечивающих бездефектность отливки..................118

5.4. Подготовка факторного эксперимента..........................................122

5.5. Обработка результатов факторного эксперимента...........................124

5.6. Построение графиков факторного эксперимента.............................124

5.7. Зависимости величины усадки реализуемой

в воронке и колоколе, от геометрических параметров подвеса................126

5.8. Выводы по пятой главе............................................................138

6. ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДВЕСОВ КОЛОКОЛОВ..........................................................140

6.1. Дизайн-проектирование подвесов колоколов.................................140

6.2. Выводы по шестой главе..........................................................150

Заключение.................................................................................151

Список используемой литературы...................................................153

Приложения...............................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Колокол является уникальным объектом культурной деятельности человека, представленным во всех исторических периодах и культурных ареолах. В современной исторической хронотипологии можно проследить изменения формы колоколов, их размеров и функциональных свойств. Сейчас колокол воспринимается как музыкальный инструмент, научный интерес к которому непрерывно возрастает. Исследованием колокольной тематики занимались историки - Бондаренко А.Ф. [12; 13; 14; 15; 16], искусствоведы - Шашкина Т.Б. [78; 79], техники - Нюнин Б.Н. [60], Пирайнен В.Ю. [63] ученые - Рубцов H.H. [69] и др. Широкий спектр изучаемых вопросов свидетельствует о многогранности функциональных свойств колокола, постоянном развитии его конструкции, технологии изготовления и эстетических качествах. В настоящей работе приводятся результаты исследования взаимовлияния перечисленных качеств колокола, обобщён многовековой опыт литейщиков и разработан инженерный метод проектирования подвеса колокола, обеспечивающий получение колокола и самого подвеса без усадочных дефектов.

При проектировании современных колоколов используются сложные методы математического моделирования, имеющие ограниченное распространение. Вместе с тем, в России работает много небольших колокололитейных предприятий, занятых разработкой и созданием новых колоколов. Настоящая работа направлена на оказание помощи техническому персоналу таких предприятий в принятии правильных конструктивных решений, предотвращающих образование усадочных дефектов в теле колокола и подвесе. Исследования в направлении совершенствования конструкции, технологии и эстетичности колокола являются актуальными, так как позволяют глубже понять особенности развития дизайна и функций, выполняемых подвесом колокола.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является подвес колокола, как продукт дизайнерской и инженерной мысли, вобравший в себя конструктивные, технологические и эстетические функции.

Предметом исследования являются закономерности изменения формы подвеса колокола, учитывающие особенности усадочных явлений при литье.

Цель работы - создание инженерного метода дизайн-проектирования подвесов колоколов, использование которого снижает образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Выполнить ретроспективный анализ эволюции формы подвеса колоколов с использованием исторических данных.

2. Выявить степень влияния конструктивных, технологических и эстетических факторов на форму подвесов колоколов.

3. Методом математического моделирования исследовать влияние формы подвеса на количество усадочных дефектов в теле колокола.

4. Для системы компьютерного моделирования литейных процессов «ПолигонСофт» разработать программу расчёта объёма усадочных дефектов в теле колокола.

5. Разработать инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов.

Экспериментальная база

Математическое моделирование затвердевания выполнялось с использованием программных продуктов: Unigraphics NX, СКМ ЛП PROCAST, СКМ ЛП «ПолигонСофт». При анализе форм подвесов колоколов использовались методы фото- и видеосъёмки. Адекватность расчётов проверялась натурными экспериментами и методами рентгенографии. Экспериментальные результаты подвергались статистической обработке с помощью программы Excel.

Научная новизна работы

Новизна научной идеи состоит в разработке гипотезы эволюции подвеса колокола и её проверке с помощью численного моделирования процессов затвердевания.

1. Разработана гипотеза эволюции подвесов колоколов, учитывающая влияние конструктивных, технологических и эстетических факторов, достоверность которой обоснована методами численного моделирования процессов затвердевания.

2. Показано последовательное возрастание влияния эстетического, конструктивного и технологического факторов на эволюцию подвеса. Установлено, что возрастание влияния эстетического фактора происходило с III в., конструктивного с IX в., технологического с XI в. н.э.; максимального влияния факторы достигли в XVI - XVII веках н.э., и это выразилось в создании совершенного дизайна подвеса в виде «классической короны».

3. Установлено, что в дизайне подвеса колокола конструктивную функцию выполняет совокупность дугообразных элементов и «маточника». Показано, что маточник выполняет также технологическую функцию, а дугообразные элементы - эстетическую.

4. Установлено влияние дизайна элементов подвеса на величину суммарного объёма усадочных дефектов, посредством варьирования геометрических параметров.

Практическая значимость работы

1. Разработан инженерный метод дизайн-проектирования подвесов колоколов, позволяющий определять геометрические параметры подвесов и предотвращать образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

2. Разработана «Программа расчёта объёма суммарной усадочной пористости», которая позволяет определять суммарный объём пустот заданного интервала пористости в выделенном объёме на виртуальной модели.

3. Выявлены параметры дизайна элементов подвеса колокола, обеспечивающие его необходимую прочность и предотвращение образования усадочных дефектов. Апробация работы

Материалы диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях: «Технология художественной обработки материалов» (Москва, МГГУ, 2010); «Автомобиле и Тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010, 2012); «Информатика и технология» Факультет «Технологическая информатика» (Москва, МГУПИ, 2012); «Технологии художественной обработки материалов» (Ижевск, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, 2012); «Применение прогрессивных технологий и оборудования в промышленном и художественном литье» посвященной 70-летию кафедры «МиТЛП» и 110-летию со дня рождения П.Н. Аксёнова (Москва, Университет машиностроения, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР ЕЗН «Разработка научных основ выбора оптимальных технологических решений в машиностроении» тема 4.6: «Создание научно-обоснованных методов: проектирования, технологических процессов литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами» (Университет машиностроения, 2011г.).

Автор в составе творческого коллектива отмечен дипломом первой степени за проект «Комплексный метод проектирования, литья и термообработки колоколов с заданными акустическими свойствами» на XVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» Москва 2013г. (см. приложение 2, стр. 160).

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе три статьи в изданиях по перечню ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад автора состоит в разработке гипотезы эволюции формы подвеса колокола; адаптации численного моделирования для подтверждения

гипотезы эволюции формы подвеса колоколов; участии в составе коллектива в создании программы расчёта объёма суммарной усадочной пористости с использованием файла результатов моделирования затвердевания СКМ ЛП «ПолигонСофт»; обобщении теоретических и экспериментальных данных. При этом автор участвовал в постановке задачи, проведении численного моделирования, получении отливок колоколов, разработке экспериментальной методики по выявлению и предупреждению образования усадочных дефектов в подвесе и теле колокола, обработке и анализе результатов, участвовал во внедрении разработок.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, изложена на 161 страницах, содержит 121 рисунков, 4 таблицы, приложений и библиографию из 85 наименований.

Работа выполнена в Московском Государственном машиностроительном университете (МАМИ) на кафедре «Машины и технология литейного производства им. П.Н. Аксёнова», на которой автор работает в должности старшего преподавателя.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Гипотеза эволюции дизайна подвеса колоколов, учитывающая влияние конструктивных, технологических и эстетических факторов.

2. Результаты численного моделирования по исследованию влияния дизайна подвеса на образование усадочных дефектов в теле колокола и самом подвесе.

3. Метод дизайн-проектирования подвесов колоколов, позволяющий определять их геометрические параметры.

Колокол состоит из «губы», «полей» и «вала», «главы», «сковороды», «короны», а так же била. Рассмотрим составные части колокола по отдельности (рис. 1.1):

Снизу тела колокола расположена «губа» 1, которая граничит с «валом» и отделена «пояском». Выше «губы» располагается следующая часть тела колокола - «вал» 2, затем следуют «поля» 3, отделенные от «вала» сложным трехуровневым пояском.

Следующими обязательными элементами колокола являются: «глава» 4, состоящая из плечей, верхнего и нижнего яруса поясков. Между поясками создатели колокола размещают надпись. Вверху верхних и нижних поясков могут размещаться изображения Сил Небесных или другие украшения. Затем следует «сковорода» 5 - верхняя часть тела колокола - круглое основание короны.

На сковороде располагается подвес в форме «короны», который состоит из «ушей» (дужек) 6, их может быть как четыре, шесть, так и восемь, в зависимости от массы и габаритов колокола, и «маточника» 7 - в основном в форме усеченной пирамиды (до XVII века, встречаются примеры, когда «маточник» имел форму петли) с отверстием в верхней части.

Старинные термины, которые применялись для обозначения частей колокола, использовались литейными мастерами прошлых лет, мы предполагаем, что в настоящее время использование этих старинных терминов не получило популярности у современных мастеров. Хотя преемственность терминологии старинных обозначений нельзя исключать.

Как правило, русские колокола имеют подвес, представляющий из себя «маточник», т.е. массивную центральную часть подвеса с шестью дужками: двумя парными и двумя одинарными. Похожие подвесы колоколов встречаются на колоколах массой от 8 килограмм до 32 тонн. Примером служат массивные колокола Московского Кремля: Большой Успенский колокол и Царь-колокол имеют подвесы, состоящие из центральной части подвеса и восьми дуг. [43].

действующий траурный колокол из базилики Св. Ульриха (St. Ulrich) в Аугсбурге, Бавария. Он был изготовлен в XIII в. н.э. бенедиктинскими монахами. Колокол является старейшим колоколом аугсбургской Епархии после колоколов «Теофилуса». Вес колокола составляет 257 кг, его диаметр -630 мм и высота с короной - 870 мм. Несмотря на большой возраст и историческую ценность этого экземпляра, в период второй мировой войны он был подготовлен для переплавки на нужды армии. К счастью, колокол сохранился до наших дней, простояв нелёгкое время на «кладбище колоколов» Гамбургской гавани в Германии.

Рисунок 1.14. Европейский траурный колокол XIII в. н.э. Аугсбург, Бавария

Германия [3]

«Маточник» в форме петли служил, как известно, для перемещения колокола из литейной ямьг на площадку перед местом установки колокола и, в свою очередь, служил для облегчения монтажа колокола на балке колокольни.

Следует обратить внимание на некоторую разновидность «маточника» в виде петли. На рис. 1.15 представлен подвес, основание которого имеет плавный переход на поверхность верхней �