Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния техники, технологии бурения скважин в угольных шахтах и технологии изготовления деталей буровых станков 15
1.1. Назначение и объемы бурения скважин в угольных шахтах 15
1.2. Уровень развития средств механизации бурения скважин в угольных шахтах 19
1.3. Проблемы совершенствования конструкций буровых станков, соответствующих современным требованиям технологии ведения горных работ 29
1.4. Технологическое обеспечение долговечности элементов конструкции буровых станков и снижения их металлоемкости 37
1.4.1. Качество поверхностного слоя, долговечность и металлоемкость деталей редуктора привода буровой машины БГА2М 37
1.4.2. Влияние качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин 41 Выводы 50
2. Разработка аналитической модели эксплуатационных свойств привода вращения бурового станка 52
2.1. Исследование эксплуатационных нагрузок на элементы привода вращения бурового станка 52
2.1.1. Установление вида нагрузки, действующей на детали редуктора 5 б
2.1.2. Исследование динамических характеристик привода вращения бурового станка 63
2.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка свойств упрочненного поверхностного слоя после обработки ППД 75
2.2 Л .Постановка задачи 75
2.2.2. Результаты МКЭ-моделирования напряжен но-деформированного состояния очага деформации 84
2.2.3. Аналитический расчет накопленных свойств поверхностного слоя 93
2.3. Аналитический расчет циклической долговечности деталей бурового станка 97
Выводы 103
3 Методика проведения экспериментальных исследований 105
3.1. Планирование экспериментальных исследований 105
3.1.1 Общее построение экспериментальных исследований 105
3.1.2 Выбор материалов для исследования 106
3.1 .3 Образцы и технологическая оснастка для исследований 109
ЗЛА Планы экспериментальных исследований 112
3.2 Методика записи и обработки профилограмм очагов деформации 116
3.3 Методика решения задач механики ППД методом конечных элементов (МКЭ) 122
3.4 Методика исследования качества поверхностного слоя 127
3.5 Методика статистической обработки экспериментальных данных и построения статистических моделей 130 Выводы 132
4 Экпериментальные исследования и практическая реализация достижения требуемых свойств дета лей горных машин 133
4.1 Исследование влияния режимов обработки ППД на формирование очагов деформации 133
4.2 Исследование взаимосвязей между геометрическими параметрами очагов деформации 143
4.3 Исследование влияния режимов обработки ППД и параметров очага деформации на качество упрочненного поверхностного слоя 148
4.4 Анализ результатов расчетов статической прочности и прочности
при действии циклических нагрузок 158
4.5 Анализ результатов расчетов коэффициентов запаса статической прочности при условии уменьшения диаметров шеек вала №2 на 10, 20 и 30 процентов 163
4.6 Оценка повышения технического уровня бурового станка 171
4.7 Экономические аспекты результатов исследований 177
Выводы 181
Заключение 183
Список использованных источников
- Уровень развития средств механизации бурения скважин в угольных шахтах
- Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка свойств упрочненного поверхностного слоя после обработки ППД
- Выбор материалов для исследования
- Исследование взаимосвязей между геометрическими параметрами очагов деформации
Введение к работе
Перед угледобывающей промышленностью страны стоят ответственные задачи по повышению объемов добычи угля, удовлетворяя потребности остальных отраслей в топливе, коксе и сырье. Переход на рыночную экономику требует увеличения рентабельности добычи угля за счет повышения производительности труда на основе комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.
Технический прогресс невозможен без постоянного повышения производительности горной техники, надежности ее работы, снижения доли ручного труда и автоматизации регулирования и поддержания оптимальных режимов работы. Необходимо обеспечивать все большую надежность защиты горных машин от перегрузок и повышение безопасности их эксплуатации. Усложнение горногеологических условий добычи угля подземным способом, а также повышение социальной напряженности в угледобывающей отрасли ставят все эти задачи на передний план.
При системах разработки, применяемых в подземной добыче угля, проводится большое количество подготовительных выработок и скважин различного назначения. Особенно велик объем бурения скважин при отработке крутопадающих и наклонных пластов. При этом для целого ряда систем разработки бурение скважин является одной из основных операций ведения горных работ. Так, при щитовой и комбинированной с гибким перекрытием системах разработки крутопадающих пластов на каждую 1000 т добываемого угля приходится от 20 до 140 метров восстающих выработок. Большой объем бурения скважин, непосредственное влияние на темпы добычи угля и высокая трудоемкость бурения ставят проблемы совершенствования буровой техники в ряд приоритетных.
Парк буровых станков на шахтах страны составляет свыше 2500 штук 30 наименований. Причем, серийное производство более 60% станков начато 18-20 лет назад. Все возрастающие потребности бурения скважин большого диа-
метра (500-1500 мм) и постоянное совершенствование бурового инструмента привели к возникновению несоответствия технических параметров буровых станков предъявляемым требованиям. Так, оснащение бурового инструмента не только радиальными резцами, а и различными типами шарошек, потребовало расширения диапазона рабочих частот вращения инструмента, который существующие станки не обеспечивают. Эволюционное развитие буровой техники в направлении повышения ее энерговооруженности не приводит к адекватному увеличению технической производительности бурения.
С одной стороны, это обусловлено отсутствием рациональной сбалансированности параметров самого бурового станка. Нарушение оптимального соответствия мощности приводов станка и его массы, длины штанги и габаритов и т.п. существенно влияют на эксплуатационные качества буровых станков.
С другой стороны, интенсификация процесса бурения приводит к тому, что в общем времени процесса бурения все большую долю начинают занимать вспомогательные операции. Особенно трудоемкими и травмоопасными являются вспомогательные операции по наращиванию и демонтажу бурового става. Только 4 наименования буровых станков имеют технические решения по механизации наращивания бурового става и отдельных вспомогательных операций при бурении (Б 100-2 00, В68КП, Старт, БГА-4м). Достаточно полной механизации монтажно-демонтажных работ с буровым ставом не имеет ни один станок.
Причиной возникших проблем является отсутствие методов и средств системного подхода к созданию буровых станков с высоким техническим уровнем. Только конструкторские решения не позволяют получить достаточно высокий технический уровень (качество) бурового станка. Необходимо в едином комплексе решать как конструкторские, так и технологические задачи проектирования и изготовления бурового станка. Следовательно, настоящая работа непосредственно связана с одной из важнейших проблем промышленности - проблемой повышения качества, решению которой уделяется в настоящее время исключительное внимание.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Исследования выполнялись в рамках гранта Министерства образования РФ: Разработка теоретических основ рабочих процессов и прогноз функциональных возможностей горных машин для широкого спектра условий эксплуатации (шифр т 02-04.3-50) и программы Министерства образования РФ: «Приоритетные направления развития науки и техники», раздел 205 «Наземные транспортные средства», проект №205.03.01.029 «Исследование механики технологического наследования и разработка автоматизированных средств проектирования технологии упрочняющей обработки»,2001 -2002г.; проект №205.03.01.047 «Разработка методик проектирования и контроля эффективных упрочняющих технологических процессов поверхностного пластического деформирования на базе принципов механики технологического наследования», 2003-2004г.
Цель работы - повышение технического уровня станков для бурения восстающих скважин большого диаметра в угольных шахтах на основе совершенствования технологии их производства.
Идея работы - снижение металлоемкости (массы) бурового станка за счет повышения механических характеристик его деталей путем создания более совершенной технологии их изготовления.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование эксплуатационных нагрузок на элементы привода вращения бурового станка и разработка методики расчета напряжений, действующих в опасных сечениях валов редуктора.
Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка свойств упрочненного поверхностного слоя и долговечности закаленных деталей при обработке ППД.
Разработка методического обеспечения и проведение экспериментальных исследований качества поверхностного слоя и металлоемкости закаленных деталей после упрочняющей обработки ППД.
4. Разработка технологических рекомендации по комбинированному упрочнению и повышению технического уровня бурового станка БГА2М. Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались разработанные методы комплексной оценки технического уровня бурового станка, методы моделирования, методы статистической обработки данных и построения статистических моделей, методы механических испытаний свойств конструкционных материалов, а также выполнялись аналитические, лабораторные и промышленные исследования.
Лабораторные исследования проводились на полноразмерных стендах с использованием современных средств измерения и регистрации параметров. Отдельные технические решения прошли апробацию в промышленных условиях, что обеспечивало объективную их оценку.
Научные положения, выносимые на защиту:
аналитическая модель нагружен ности привода вращения бурового станка, включающая динамические характеристики приводного электродвигателя, статическую и динамическую составляющие нагрузки бурового инструмента и переменную крутильную жесткость бурового става, обеспечивает получение значений амплитуды и частотного состава нагрузок с большей точностью;
закономерности изменения амплитуды и частотного состава нагрузок в приводе вращения бурового станка зависят от длины бурового става и характеризуются наличием резонансных явлений;
уточненная экспериментально-аналитическая модель, описывающая очаг деформации при поверхностной пластической деформации, позволяет рассчитывать и управлять напряженно-деформированным состоянием поверхностного слоя деталей из закаленных материалов; закономерности формирования упрочненного поверхностного слоя при поверхностной пластической деформации деталей из закаленных материалов определяются накоплением деформаций и исчерпанием запаса
12 пластичности металла и достигаются установленными режимами обработки. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы выбором представительных критериев, обуславливающих технический уровень бурового станка, достаточным объемом теоретических исследований, выполненных с применением апробированных: методов математической статистики и теории множеств, планирования и объемом лабораторных экспериментов, позволяющих делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%, а также результатами апробации рекомендуемых устройств в производственных условиях.
Научная новизна диссертации заключается:
в разработке динамической модели нагруженности привода вращения бурового станка, отличающаяся включением динамических характеристик приводного электродвигателя, статической и динамической составляющих нагрузки бурового инструмента и переменную жесткость бурового става;
в установлении закономерностей формирования нагрузок в приводе вращения бурового станка, обеспечивающих повышения точности расчетов конструктивных параметров и прочностных характеристик его элементов;
в разработке экспериментально-аналитической модели напряженно-деформированного состояния очага деформации при ППД впервые для закаленных деталей, учитывающей пластическое течение металла, что обеспечивает высокое качество поверхностного слоя деталей; в получении закономерностей накопления деформаций и исчерпания запаса пластичности металла поверхностного слоя, позволяющих повысить статическую прочность и увеличить долговечность деталей
13 Личный вклад заключается в:
уточнении динамической нагруженности привода вращения бурового станка;
определении закономерностей формирования нагрузок в приводе вращения бурового станка;
получении закономерностей формирования поверхностного слоя деталей из закаленных материалов;
разработке технологических рекомендаций, позволяющих повысить эксплуатационные свойства деталей. Практическое значение работы заключается в:
результатах экспериментальных исследований свойств упрочненного поверхностного слоя после обработки ППД деталей из закаленных материалов;
результатах расчетов прочности в условиях статического и циклического усталостного нагружения валов редуктора;
результатах расчетов циклической долговечности валов редуктора после выполнения комбинированного упрочнения закалкой и ППД; рекомендациях по снижению металлоемкости деталей и повышению технического уровня бурового станка. Практическая значимость работы подтверждается и тем, что ряд научных положений, выводов и рекомендаций реализуется при создании и совершенствовании буровых станков.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Разработанные методики, конструктивные решения и рекомендации в полном объеме используются ОАО «Анжеромаш», являющимся основным разработчиком и изготовителем буровых станков для бурения восстающих скважин большого диаметра в угольных шахтах. Основные результаты данной работы реализованы в буровых станках нового поколения БГА2М, ЛБС-5 и Б45-120. Результаты исследований включены в рабочие программы учебных курсов
14 «Горные машины и комплексы» и «Гидравлика и гидропривод горных машин» для студентов специальности 1701 «Горные машины и оборудование».
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на: Всерос. науч.-практ. конф. "Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении" (Юрга-Томск, 2003); на практических конференциях по повышению качества продукции ОАО «Анжеромаш» (Анжеро-Судженск, 2001-2003 гг.); ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (Кемерово, 2000-2003 гг.).
Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедр «Горные машины и комплексы» и «Технология машиностроения» Кузбасского государственного технического университета, работникам конструкторского отдела и руководству ОАО «Анжеромаш» за помощь, оказанную при выполнении работы.
Уровень развития средств механизации бурения скважин в угольных шахтах
Основным способом бурения скважин в угольных шахтах является вращательный способ, когда буровому инструменту сообщается вращательное движение вокруг оси буримой скважины и поступательное движение вдоль этой оси. Только для бурения скважин по твердым породам применяются в небольших объемах станки ударно-вращательного бурения.
Бурение скважины осуществляется буровым инструментом, которому передаются крутящий момент и усилие подачи от механизмов станка посредством бурового става, состоящего из набора отдельных штанг.
В зависимости от диаметра бурение скважины осуществляется либо сразу на полный диаметр за один проход, либо последовательным разбуривани ем пионерной скважины прямым и обратным ходом.
Для этого используется соответствующий буровой инструмент, забурники и коронки, расширители прямого и обратного хода. Удаление продуктов разрушения из забоя скважины осуществляется при бурении восстающих скважин под действием сил гравитации, а при бурении горизонтальных и слабонаклонных скважин (угол наклона скважины менее 45 к горизонту) принудительно с помощью шнеков, воды и сжатого воздуха. Для обеспечения заданного направления скважины, а также для уменьшения изгибных деформаций бурового става в скважине большого диаметра используются центраторы - опорные фонари. Они устанавливаются по длине става в определенной последовательности.
Бурение по вмещающим породам средней крепости осуществляется, как правило, теми же средствами, что и по угольным пластам, за счет уменьшения скорости бурения.
В качестве породоразрушающего инструмента используются твердосплавные пластины, напаиваемые на коронки, съемные резцы, дисковые или зубчатые шарошки и др. На рис. 1.1 представлена комплектация бурового инструмента буровых станков типа БГА. дующие средства механизации: 1-буровые станки с одинарным ставом; 2-машины-расширители; 3-нарезные машины; 4-буровые станки с двойным ставом.
Буровые станки с одинарным ставом и серийным буровым инструментом обеспечивают проведение скважин только круглой формы.
Машины-расширители, буровые станки с двойным ставом, нарезные машины способны проводить как круглые, так и прямоугольные выработки.
К первой группе относятся буровые станки отечественного производства БИК-2, Б100/200, Б68КП, "Стрела", БГА2м, БГА-4м и станки ряда иностранных фирм "Роббинс", "Дрессер" (СМ), "Кокен боринг Мэшин" (Япония), "Турмаг" (ФРГ) и др. На рис. 1.2 приведены типичные представители этой группы, выпускаемые в настоящее время серийно.
Для проведения выработок прямоугольной формы созданы работающие по пионерной скважине нарезные машины МРС-2 и МРТ-2 и машина-расширитель ГТВВ-2. Однако производство нарезных машин ограничилось экспериментальными образцами. Проходчик восстающих выработок ПВВ-2 из-за сложности конструкции, большого веса и габаритов распространения не получил. Кроме того, необходимость бурения пионерной скважины требует, как правило, наличия оборудования двух типов» что существенно усложняет и удорожает эксплуатацию этих машин.
Пневматический проходчик Гуменника (ППГ), созданный проектно- конструкторским бюро ИГД им. Скочинского, предназначен для проведения скважин диаметром 750-950 мм в пластах с углом падения более 45 по углям различной крепости. Испытания проходчика ППГ показали его высокую производительность. Скорость проходки достигала до 100 м/смену [4-5]. Однако потребление большого количества пневмоэнергии и отсутствие средств обеспечения направленности проводимой выработки ограничивают возможное его применение.
Комплекс КМД имеет буровой станок с двойным буровым ставом. В зависимости от типоразмера рабочего органа он позволяет получить при работе прямым ходом выработку прямоугольной формы размерами 450-1200 мм по мощности пласта и шириной - 1200 мм. При разбуривании обратным ходом можно получить выработку шириной до 3600 мм [6]. Объем применения: этого комплекса из-за весьма большого сечения выработки, проводимой тупиковым забоем, ограничивается пластами, не опасными по газу и пыли.
Все вышеизложенное и объясняет тот факт, что в настоящее время парк буровых станков страны и Кузбасса составляют исключительно станки с одинарным буровым ставом.
До недавнего времени на угольных шахтах страны находилось в эксплуатации свыше 2500 буровых станков 30 наименований, из них примерно 13 наименований станков предназначены для бурения скважин по угольным пластам. Однако опыт эксплуатации показал, что они успешно используются и для бурения по вмещающим породам. Техническая характеристика основных типов буровых станков, используемых в угольных шахтах за отмеченный выше период, приведена в таблице 1.2. Кроме буровых станков, приведенных в данной таблице, в небольших количествах используются также станки СБМ-Зу, ГП-1, ЗИФ-300м, БСК-2В-100, СКБ-4, СБД2м(3), СБА-500.
Анализ используемого бурового оборудования показывает: - серийное производство более 60% буровых станков начато 18-20 лет назад; - большую номенклатуру станков, являющуюся следствием разнообразия видов буровых работ; - ряд буровых работ обеспечивается буровыми станками, не предназначенными для этого (36% общего объема бурения скважин выполняется станками большей мощности) [2]; - только 4 наименования станков имеют технические решения по механизации сборки бурового става и вспомогательных операций при бурении (Б 100-200, Б68КП, Старт, БГА-4м),
Особенно усложняется обстановка тем, что серийно производятся станки только 6 наименований [7]. Сложности обеспечения снятых с производства буровых станков запасными частями, увеличение частоты и продолжительности ремонтов устаревшего оборудования снижает производительность и повышает стоимость буровых работ.
Общее состояние буровой техники подтверждает и состав парка буровых станков в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса, где, как отмечалось выше, особенно большой объем бурения технологических скважин. Из 680 станков производства АО «Анжеромаш» только 420 станков последних моделей.
Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка свойств упрочненного поверхностного слоя после обработки ППД
Постановка задачи Как было отмечено выше, феноменологический подход предполагает оценку накопления деформаций и исчерпания запаса пластичности в очаге деформации и их влияния на эксплуатационные показатели деталей машин. По сути, речь идет о разработке представлений о долговечности и металлоемкости после выполнения комбинированного упрочнения с механистических (феноменологических) позиций.
Задача в такой постановке решалась в следующей последовательности.
Моделирование напряженно-деформированного состояния при обработке ППД проводили на двух сериях образцов, имеющих диаметры, соответствующие диаметрам шеек вала №2. В качестве модельного материала применяли сталь 40Х ГОСТ 4543-71, имеющую физико-механические свойства, сопоставимые со свойствами сталей 20Х2Н4А и 40ХН и являющуюся заменителем данных сталей.
Образцы первой серии обрабатывались по заводской технологии без последующей термической обработки, а образцы второй серии дополнительно подвергались термической обработке. Образцы обеих серий в дальнейшем обрабатывали ППД роликовым инструментом диаметром Dp = 95 мм с подачей S = 0,07 мм/об и частотой п = 10,5 с"1 по методике, изложенной в главе 3. На стадии установившегося процесса ППД производили быстрый отвод («отстрел») деформирующего инструмента — ролика от обрабатываемой поверхности детали. Режим обработки ППД представлен в таблице 2.2.
Выполнялась запись профилограмм полученных очагов деформации с последующей обработкой этих профилограмм по специальному алгоритму и установлением геометрических параметров ОД [66]. Для последующего моделирования и сравнительного анализа были выбраны образцы № 132 (первая серия) и № 131 (вторая серия), обработанные по идентичным режимам (табл. 3.1 и табл. 3.4, рис. 2.20).
Рис. 2.20. Профилограммы очагов деформации Как видно из табл. 2.3 и рис. 2.20, термообработка, повышая механические свойства стали, приводит к существенно меньшим геометрическим размерам очагов деформации при обработке ППД.
Методом измерения твердости по Виккерсу были установлены параметры упрочнения поверхностного слоя, которые составили: глубина упрочнения h = 2,8 мм и h = 1,2 мм, степень упрочнения 5= 0,24 и 5= 0,14 для незакаленного и закаленного образцов соответственно (см. главы 3 и 4).
По геометрическим параметрам очага деформации, параметрам упрочнения и механическим свойствам (твердость, кривая течения и др.) были сформированы начальные и граничные свойства для решения задач по оценке напряженно-деформированного состояния.
Была составлена расчетная схема, в которой материал был принят упруго-пластическим, а решаемая задача соответствовала представлениям о плоском деформированном состоянии. Задача расчета напряженно-деформированного состояния решалась с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в соответствии с алгоритмом, изложенным в главе 3 (рис.2.21) [67].
В упругопластическое тело ABCDFE с жестко закрепленной нижней границей внедрялся абсолютно жесткий индентор - ролик с профильным радиусом Rnp. Индентору придавали смещение на величину подачи S вдоль оси х; при этом перемещение по оси у отсутствовало.
Исходными данными для создания модели материала являлись: модуль Юнга Е = 2 10s МПа, плотность материала р = 7800 кг/м3, коэффициент Пуассона v = 0,3 и кривая течения материала. Расчет НДС в упругопластической постановке предполагал идеализацию кривой течения путем разбиения на два прямолинейных участка: участок упругого и пластического деформирован ия(рис. 2.22). Это позволяло проводить описание тремя параметрами: модулем Юнга Е, экстраполированным пределом текучести ОтИ тангенциальным модулем TanMod. X, мм
Экстраполированный предел текучести определялся как отрезок на оси напряжений, который отсекается продолжением линии, описывающий пластические свойства материала. Тангенциальный модуль определяет угол наклона линии, описывающий пластические свойства материала:
Моделирование проводилось при варьировании параметров материала, коэффициентов трения, схем перемещения индентора и других. В итоге был принят коэффициент трения f = 0,21, соответствующий рекомендациям работы [46].
На рис. 2.23 показана конечно-элементная модель, полученная при использовании программной системы ANSYS.
В результате выполнения расчета в узлах МКЭ-модели были получены численные значения компонент напряжений crxfcr fO"ztcrxyj компонент относительных деформаций БхуБууБху, интенсивность напряжений О",-, интенсивность деформаций Б} и другие.
В дальнейшем полученные значения компонентов тензора напряжений и тензора деформаций в узлах конечно-элементной модели пересчитывались в точки линий тока очага деформации (рис. 2.21). При этом под линиями тока понимают семейство линий, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают в данный момент времени с направлением вектора скорости в этой точке.
Выбор материалов для исследования
Цель экспериментальных исследований - исследование формирования качества поверхностного слоя при обработке деталей из закаленных сталей и подтверждение достоверности полученных аналитических моделей.
Задачи экспериментальных исследований: 1. Оценка обрабатываемости ППД выбранных конструкционных материалов. 2. Исследование влияния режимов обработки ППД на формирование очагов деформации и качество поверхностного слоя. 3. Определение взаимосвязей элементов режима ППД с параметрами очагов деформации и качеством поверхностного слоя. 4. Формирование комплекса исходных данных для решения задач механики ППД деталей из закаленных металлов. 5. Оценка накопленных свойств поверхностного слоя и определение комплекса исходных данных для повышения циклической долговечности и разработки мероприятий по снижению металлоемкости упрочняемых деталей.
Программа исследований предусматривала: 1. Оценку параметров очагов деформации при обработке ППД. 2. Оценку параметров качества поверхностного слоя: шероховатости, упрочнения и остаточных напряжений. 3. Построение однофакторных и многофакторных статистических моделей качества поверхностного слоя.
Математический аппарат, использованный при выполнении исследований, включал в себя: методы математического анализа, теорию пластичности, теорию метода конечных элементов, теорию методов механики усталостного на гружения, теорию методов расчетов статической прочности и прочности в условиях приложения циклических эксплуатационных нагрузок и др.
При обработке результатов исследований и построении моделей использо-вались: статистическое базовое описание с оценкой основных статистик и проверкой статистических гипотез, регрессионный анализ и нелинейное оценивание и др.
Оценка эффективности инвестиций в инновационные технологии на базе основных положений диссертационной работы проводилась с применением со временных методов инвестиционного проектирования и бизнес-планирования. В процессе выполнения работы использовались программные системы STATISTICA 5.5, ANSYS 5.1 (КузГТУ, лицензия № 09851), а также специаль V ные программы по обработке профилограмм очагов деформации, расчету НДС, расчету деформационных параметров по параметрам очагов деформации, расчету параметров качества и очагов деформации и др., разработанные на кафедре «Технология машиностроения» под руководством Блюменштейна В.Ю. [67-68, 83-84].
Конструкционные стали, из которых изготавливаются валы редуктора при-вода буровой машины БГА2М, обладают высокой прочностью, высоким преде-лом текучести, имеют сравнительно малую чувствительность к концентрации напряжений, высокий предел выносливости.
Сталь 40ХН- хромоникелевая, подвергается закалке и высокому отпуску, после чего имеет твердость НВ 241...260. Сталь 20Х2Н4А - хромоникелевая, « подвергается цианированию и закалке ТВЧ на глубину h = 0,9...1,3 мм, после чего имеет твердость HRC 59...63. Указанные стали имеют стандартный химический состав и обладают высокой прочностью и вязкостью. В качестве за менителей используются стали 40Х и 12ХНЗА, имеющие повышенную прочность.
Экспериментальные исследования проводились на всех указанных марках сталей, исследования напряженно-деформированного состояния — на стали 40Х. Ниже на рис. ЗЛ-33 приведены кривые течения стали 40Х в исходном (неупрочненном) состоянии, построенные в координатах «интенсивность на-пряжений-относительная деформация» (рис. 3.1), «интенсивность напряжений— интенсивность деформаций» (рис. 3.2), «интенсивность напряжений - степень деформации сдвига» (рис. 3.3).
Исследование взаимосвязей между геометрическими параметрами очагов деформации
Общее число опытов по обкатыванию роликом незакаленных материалов составило 54, закаленных - 35. Коэффициенты парной корреляции между геометрическими параметрами очага деформации представлены в табл. 4.2-4.3. Примечание: В табл. 4.2-4.3 затемнением выделены коэффициенты корреляции г 0,7.
Обращает на себя внимание тот факт, что все коэффициенты корреляции (за исключением нескольких коэффициентов корреляции с параметром di) положительны. Это означает, что увеличение одного из параметров, например, d или hp неизменно приводит к росту остальных.
При обкатывании роликом образцов из незакаленный сталей тесные связи (коэффициент корреляции г . 0,7) обнаружены между: he и hp; An hd; / и L; d и L. He обнаруживает тесной связи с другими параметрами параметр di, что может быть объяснено либо фактическим отсутствием таковой связи, либо малым интервалом изменения самой величины.
Анализ данных таблиц 4.2 и 4.3 показывает, что тесные взаимосвязи существуют между параметрами волны, возникающей перед деформирующим инструментом (передней волны).
Известно, что большая часть очага деформации расположена впереди инструмента в направлении подачи [46, 48, 50-51]. Именно в этой зоне происходит интенсивное изменение свойств, которое, в итоге, определяет качество обработанного поверхностного слоя и, эксплуатационные свойства упрочненных деталей машин. Поэтому наибольший интерес представляют зависимости между параметрами передней зоны очага деформации и, в первую очередь, зависимости от горизонтальной проекции передней дуги контакта.
Достаточно тесную связь между этими параметрами подтверждают графические зависимости, показанные на рис. 4.15-4.18.
Видно, что все графики носят восходящий характер, причем сама связь близка к линейной; исключение составляют области d 0,5 ММ. Несмотря на одновременное изменение в выборках усилия и подачи точки на графиках расположены достаточно плотно, а сами зависимости описаны степенными выражениями вида: у — а X .
В качестве примера в табл. 4.4 приведены коэффициенты указанной степенной зависимости между параметром d и другими геометрическими параметрами очага деформации при обкатывании закаленной стали 40Х. Указанные коэффициенты получены путем статистической обработки соответствующей экспериментальной выборки при уровне значимости (Z — 0,05 и минимальном значении среднеквадратического отклонения.
Анализ графических зависимостей между параметрами очага деформации позволяет утверждать, что: - наблюдается полная идентичность зависимостей между параметрами очага деформации при обкатывании образцов из закаленных и незакаленных сталей при количественном различии достигаемых параметров очага деформации; - в большинстве случаев обнаруживается тесная связь между параметрами очага деформации; наибольшую корреляцию с другими параметрами очага деформации имеют параметры df I и L. Идентификация параметров / и L возможна только при внедрении инструмента, т.е. эти параметры являются производными от параметров внедрения. Параметр d вычисляется как d = 2 Rnp lip и определяет геометрию и внедрение инструмента. Кроме того, этот параметр широко применяется как граничное условие в задачах механики обработки металлов давлением.
Таким образом, из всех рассмотренных параметров горизонтальная проекция передней дуги контакта d представляет собой не только параметр очага деформации, но и, в определенной мере, технологический фактор (т.к. Rnp и hp -суть технологические факторы процесса). Учитывая тесноту связи с другими параметрами очага деформации горизонтальная проекция передней дуги контакта d может быть рекомендована в качестве обобщенного параметра очага деформации при ППД закаленных сталей.
Эти закономерности полностью соответствуют современным представлениям о ППД «сырых» (незакаленных) сталей (глава 1) и свидетельствуют об устойчивости полученных зависимостей.
Таким образом, назначая два технологических фактора d и Rnp, можно осуществлять анализ процессов ППД закаленных сталей путем замены всего многообразия очагов деформации обобщенным рядом, построенным с помощью полученных зависимостей при назначении любого из сочетаний , Rnp и hp.
