Введение к работе
Актуальность темы. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" одним из важнейших направлений научно-технического прогресса названо - создание и широкое освоение передовых технологий. Лишь встав на такой путь, мы сможем осуществить сдвиг, который бн привел к качественно новому состояния) не только отдельных видов производства, но и целых отраслей. Проблемной задачей машиностроения является повышение качества и надежности выпускаемого оборудования. На основе прогрессивных технологий могно добиваться существенного повышения качества и надежности оборудования со значительным снижением металлоемкости машин и агрегатов.
В химическом, Еефтяном, энергетическом и атомно/ машиностроении широкое распространение находят детали и узлы кольцевой формы. Доля этих узлов и деталей по металлоемкости в машинах и агрегатах химических и нефтеперерабатывающих производств достигает 60 %, а в апларатостроении - до 80 % и более. Эти элементы (обечайки, днища, фланцы, кольца жерткости) являются в большинстве случаев базовыми деталями машин и аппаратов и во многом определяют качество л надежность оборудования. Технология изготовления кольцевых конструкций основана на методах пластического формообразования. Однако, невысокая точность изготовления базовых кольцевых заготовок и деталей приводит к большим отходам металла, низкому коэффициенту его использования в деталях, проходящих механичеокув обработку. Невысокая точность ведет к трудностям и повышенной трудоемкости при сборочно-сварочкых работах, не обеспечивается взаимозаменяемость и производство отроится на комплектном запуске. Отрицательно влияет недостаточная точность
- 4 -базовых заготовок и деталей на качество (смещение кромок, местные деформации, остаточные напряжения) и работоспособность малшн и аппаратов вцелом.
Снятие остаточных напряжений в кольцевых элементах термической обработкой при изготовлении их традиционной технологией требует больших энергетических затрат, дорогостоящего термического оборудования и значительных производственных площадей. Термическая обработка часто приводит к короблению и снижению точности заготовок и деталей и является экологически не достаточно чистой операцией. Поиск путей снижек.-м и управления оста- ' точными напряжениями в кольцевых конструкциях, формирование их полезно влияющими на работоспособность машин и аппаратов, поиск способов замены дорогостоящей и энергоемкой операции термической обработки менее энергоемкими и более чистыми в экологическом отношении процессами является сложной, но перспективной и актуальной задачей.
Таким образом, повышение точности и несущей способности базовых кольцевых деталей машин и аппаратов методами пластического деформирования, учет и использование эффекта упрочнения металла, разработка и создание методов деформационного управления остаточными напряжениями в кольцевых деталях и узлах являются актуальными проблемами машиностроения.
Цель работы. Повышение точности з несуще!* способности ' кольцевых базовых деталей и узлов матин и аппаратов, создание ресурсосберегающей технологии их изготовления методами пластического деформирования и на ее основе металлосберегавщих конструкций химического и нефтяного оборудования. Разработка и созданий методов деформационного управления остаточными напряжениями в кольцевых элементах машин и аппаратов,-
Основные задачи и исследования.
-
Экспериментальными исследоианиями установить достижимую точность калибровки крупногабаритных кольцевых деталей пластическим растяжением и обжатием. Провести теоретические исследования возможности прогнозирования достижимой точности. Разработать методы расчета ожидаемой точности калиброванных деталей в зависимости от степени деформации, механических свойств материала и особенностей конструкции. Исследовать и установить зоны стабильной калибровки кольцевых деталей, дать рекомендации и обоснование выбора технологических параметров проведения процесса калибровки пластическим растяжением и обжатием.
-
Провести анализ пластического упрочнения металлов. Выполнить исследования изменения механических свойств сталей при пластическом растяжении, обжатии, пластическом изгибе и последовательном наложении этих видов деформирования.
-
Исследовать работоспособность пластически упрочненных сталей. Провести испытания на усталость сталей после пластического упрочнения и в исходном состоянии.
-
Исследовать процесс холодного пластического обжатия эллиптических днищ. Исследовать параметры проведения "процесса обжатия.
-
Выполнить теоретические и 'экспериментальные исследования остаточных напряжений в кольцевых конструкциях, изготовленных пластическим изгибом и сваркой замыкающего стыка. Разработать методы деформационного управления остаточными напряжениями в кольцевых элементах машин и аппаратов и обосновать возможность замены термической обработки деформационной обрабвткоЯ.
-
Рассмотреть взаимодействие пеиія остаздчных напряжений в кольцевых детапях с рабочими напряжениями при эксплуатации оборудования и выявить влияние остаточній напряжений на песу^ув
способность этих элементов. Разработать алгоритм и рабочую программу расчета остаточных напряжений на ЭВМ.
-
Исследовать процесс формообразования сложных кольцевых контуров (змеевиков) из тонкостенных труб навивкой с внутренним гидростатическим давлением и натяжением. Разработать алгоритм и рабочую программу расчета ожидаемой овальности на ЭВМ.
-
Разработагь металлосберегазощие кольцевые конструкции масою, л аппаратов на основе ресурсосберегающей технологии изготовления. Выработать рекомендации по проектированию технологического оборудования и оснастки.
Научная новизна. На основании энергетического подхода разработаны методы расчета точности базовых кольцевых заготовок и деталей при их формообразовании с применением калибровки пластическим растяжением и обжатием. Установлены зоны стабильной калибровки в зависимости от степени деформации, механических свойств материала и особенностей конструкции детали.
Разработан метод расчета овальности труб при формообразовании сложных криволинейных контуров (типа спиральных змеевиков) навивкой из тонкостенных труб с применением внутреннего гидростатического давления и натяжения. .
Предложены и разработаны методы деформационного управления остаточными напряжениями в кольцевых конструкциях. Даны решения по расчету остаточных напряжений в кольцевых элементах после их деформационной обработки. Выявлены закономерности влияния остаточных напряжений на несущую способность и работоспособность деталей.
Экспериментально установлено и оценено влияние пластического улргчненкя металла на работоспособность материала и рассматриваемого класса деталей.
На основе методов холодного пласі.неского деформирования создана ресурсосберегающая технология изготовления базовых кольцевых деталей машин и аппаратов, существенно повышающая точность и несущую способность этих элементов и качество оборудования вцелом.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
Повышение точности базовых кольцевых деталей машин и анрегатов методами пластического деформирования, использование эффекта упрочнения металла в конструкциях и разработка методов деформационного преобразования и снятия остаточных напряжений с достижением значительной экономил металла и энергоресурсов, является решением важной народнохозяйственной проблемы.
Разработана ресурсосберегающая технология изготовления кольцевых базовых деталей химического и нефтяного оборудования с применением пластического растяжения и обжатия. Разработаны рекомендации по выбору схем калибровки и выбору параметров технологического процесса в зависимости от конструктивных особенностей и материала деталей.
Созданы.методы деформационного управления остаточными напряжениями (пластическим растяжением, пластическим сжатием) в кольцевых элементах. Разработаны механические схемы и рекомендации по проведених» процесса деформационного воздействия.
Разработан способ обжатия тонкостенных эллиптических днищ с целью повышения точности их цилиндрической части и способ навивки спиральных змеевиков из тонкостенных труб с применением гидростатического давления в трубо и натяжения. Комплекс выполненных разработок дает возможность их практического применения. Созданы и внедрены металлосберегающпе конструкция деталей и узлоз в машинах и аппаратах (роторы маятниковых центрифуг, фланцы аппаратов, змеевиковне конструкции химического оборудования).
Заработаны рекомендации по проектированию специального прессового оборудования и оснастки. Разработана конструкция растяжного гидропресса Q = 250 т и по техническому заданию при участии соискателя ведется проектирование параметр'яеского ряда растяжных гидропрессов (Q = 500 и Q = 1000 т).
Результаты выполненных исследований внедрены на ряде предприятий Микхиммаша, Ійшхямпрома, Минмодбкопрома, а именно: Курганском производственном объединении "Курганармхиммаш" (конструкции и технология изготовлэд-тя роторов маятниковых центрифуг типа ащ и OfvIE из пластически калиброванных и упрочненных элементов, фланцы аппаратов, тонкостенгше змеевиковыа конструкция в установках осушки водорода, метод обжатия тонкостеннт" днищ), Первомайском заводе химического машиностроения (кольцевые элементы вакуумных сушилок), Белгородском производственном объединении "Биовитамины", производственном объединении "Мостексталь-пром", Латвийском производственном объединении "Латвбиофарм" (маятниковые центрифуги с облегченными роторами). Материалы разработок переданы для использования и внедрения 12 научно--производственннм и производственным объединениям Минхиммаша, Минэнергомаша.
Экономический аффект от внедрения по программе выпуска їфргакского производственного объединения, Первомайского заводї химического машиностроения и экономии электроэнергии за счет снижения ее потребления маятниковыми центрифугами у заказчиков составляют 1,08 млн.рублой.
Аппробапля работа и публикации. Результаты исследований докладывались, обсуадались и получили поддержку и одобрение на следующих научных семинарах, совещаниях и конференциях:
на научно-технической конференции Казанского авиационного института (г.Казань, 1973 г.);
на семинаре "Прочность" МШУ им.Н.Э.Баумана (г.Москва, декабрь 1973 г.);
на Всесоюзном' научно-техническом семинаре "Современные методы изготовления фасонных деталей трубопроводов в химическом и нефтяном машиностроении" (г.Пенза, сентябрь 1974 г.);
на зональной (зона Урала) научно-практической конференции "Достижения и перспективы применения обработки металлов давлением в машиностроении" (г.Курган, февраль 1984 г.);
на заседании Научно-технического совета Минхиммаша (межотраслевая рабочая комиссия по надежности, разработке норм и методов расчета на прочность химического и нефтяного оборудования), г.Иркутск, июль 1985'г.;
на семинаре "Пластичность" МВТУ им.Н.Э.Баумана (г.Москва, май 1986 г. и январь 1987 г.);
на У-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ научно-технического прогресса" (г.Северо-Донецк, октябрь 1986 г.);
на совместном заседании секции химического машино- и алпаратостроения и межотраслевой рабочей комиссии по надежности, разработке норм и методов расчета на прочность хтлического и нефтяного оборудования НТО Минхиммаша (г.Москва, июнь 1987г.);
на 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности"(г.Уфа, сентябрь 1987г.);
на научно-технической конференции зоны Урала "Сопротивление усталости и ровьш?нхв несущей способности изделий методом
поверхностной пластической деформаций (г.Пермь,сентябрь 1988г);
- на научно-техническом семинаре отрасли химического и
нефтяного машиностроения "Повышение качества базовых деталей
машин и аппаратов методами пластического деформирования" (г.Кур
ган, март 1989 г.).
Основные положения работы изложены в 3 авторских свидетельствах и 29 научных статьях, опубликованных в научно-технических сборниках и центральных журналах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, в которых представлены документы о внедрении результатов исследований в промышленность, программ расчета на ЭВМ, заключений специалистов и организаций по материалам диссертации. Работы изложены на 215 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц, 96 рисунков и список литературы из 282 наименований советских и зарубежных авторов.
