Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 17
1.1. Разброс наработок стальных канатов 17
1.2. Свивка прядей и канатов 19
1.3. Неоднородность механических свойств канатной проволоки 21
1.4. Оценка прочности и долговечности каната 26
1.5. Задачи исследования 36
2. Разрушение каната двойной свивки при растяжении 39
2.1. Расчетная схема каната двойной свивки 39
2.2. Длина звена каната 43
2.3. Разрушение звена каната 49
2.4. Статистическое моделирование разрушения звена каната 69
2.4.1. Хрупкое разрушение звена каната 69
2.4.2. Разрушение звена каната с учетом упруго-пластической деформации проволок 78
2.5. Прочность каната 98
2.5.1. Зависимость прочности проволоки от длины 98
2.5.2. Связь между коэффициентами корреляции проволоки и каната 108
2.5.3. Зависимость прочности каната от его длины 113
Выводы по второму разделу 118
3. Усталостное разрушение каната 120
3.1. Расчетная схема каната 120
3.2. Усталостное разрушение каната 124
3.3. Статистическое моделирование усталостного разрушения звена каната 134
Выводы по третьему разделу 143
4. Лабораторные испытания канатов 144
4.1. Разрушение канатов при растяжении 144
4.2. Влияние пластичности и неоднородности прочностных свойств проволок на прочность канатов 146
4.3. Разрушение канатов при работе на блоках 154
Выводы по четвертому разделу 163
5. Изготовление и эксплуатационное испытание опытных канатов 164
5.1. Выбор метода повышения эксплуатационнх свойств канатной проволоки 164
5.1.1. Влияние технологических смазок на процесс волочения и качество проволоки . 165
5.1.2. Разработка смазочной композиции 168
5.1.3. Испытание волочильных смазок и проволок 171
5.2. Лабораторные испытания канатов 184
5.3. Эксплуатационные испытания каналов 185
5.4. Расчет экономического эффекта от внедрения опытных канатов 188
Выводы по пятому разделу 189
Выводы по работе 190
Список использованных источников 193
Приложения 2061
- Неоднородность механических свойств канатной проволоки
- Статистическое моделирование разрушения звена каната
- Статистическое моделирование усталостного разрушения звена каната
- Влияние пластичности и неоднородности прочностных свойств проволок на прочность канатов
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I...I985 годы и на период до 1990 года, утвержденными ХХУІ съездом КПСС, предусматривается дальнейшее повышение качества, улучшение потребительских и технико-экономических свойств машин. В подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, буровых станках все эти показатели в значительной мере определяются канатами как наиболее нагруженными и ответственными элементами.
В подавляющем большинстве случаев требуемое качество стальных канатов можно обеспечить комплексом мероприятий, включающим мероприятия по повышению качества проволок. Зависимость между качеством канатов и проволок сложна,и состояние знаний,по этому вопросу испытывает недостаток количественных оценок,.которые позволили бы более обоснованно устанавливать требования к проволоке. В связи с этим актуальной является задача изучения влияния одного из важнейших показателей качества проволоки - неоднородности механических свойств на процесс разрушения и предельные состояния канатов.
Целью работы являлось изучение механики разрушения канатов при статическом и циклическом нагружениях и, на этой основе, обоснование возможности и целесообразности повышения прочности и долговечности канатов за счет снижения неоднородности механических свойств проволок.
В первом разделе диссертации приведены данные о разбросе наработок стальных канатов, рассмотрены основные факторы, обуславливающие данный разброс, дан анализ состояния вопроса о расчетах на прочность и долговечность канатов. На этом основании сформированы задачи исследования.
Во втором разделе предлагается структурная модель каната, отражающая специфику процесса разрушения - разброс результатов испытаний; дается аналитическое описание процесса разрушения канатов при растяжении, приводится алгоритм статистического моделирования разрушения канатов, анализируется влияние пластичности неоднородности временного сопротивления проволок разрыву и неравномерности натяжения проволок на прочность канатов.
В третьем разделе на основе теории марковских процессов и методов статистического моделирования исследуется влияние неоднородности усталостной долговечности проволок и неравномерности их натяжения на процесс разрушения и усталостную долговечность канатов.
Четвертый раздел посвящен экспериментальному исследованию механики разрушения канатов и анализу влияния механических свойств проволок на прочность и долговечность канатов.
В пятом разделе рассматриваются вопросы реализации предложенного в работе метода повышения работоспособности канатов.
Автор защищает:
Структурную модель каната, отражающую основное свойство разрушения канатов - неоднородность результатов испытаний.
Математические модели процессов разрушения канатов при растяжении и регулярном циклическом нагружении.
Выявленные закономерности влияния механических свойств проволоки (пластичности, неоднородности временного сопротивления разрыву, неоднородности усталостной долговечности) и неравномерности натяжения проволок на интенсивность разрушения и предельные состояния канатов.
Метод повышения работоспособности стальных канатов, заключающийся в повышении прочности и долговечности слабейших
участков проволок, и его реализацию в конкретном техническом мероприятии.
На основе рассмотренного вероятностного подхода к проблеме разрушения канатов возможна дальнейшая систематизация и обобщение накопленных знаний по прочности и долговечности канатов. Результаты работы являются методической и теоретической основой для решения ряда новых научно-технических задач, таких как прогнозирование остаточной работоспособности канатов, обоснование норм браковки, коэффициентов запаса прочности и долговечности, разработка статистических методов контроля и оценки качества канатов. В результате дальнейшего развития работы имеется возможность исследовать разрушение канатов с учетом пространственно временной неоднородности внешних нагрузок, износа и коррозии проволок. Данные задачи выходят за рамки цели диссертации и относятся к возможностям дальнейшего развития предложенной модели каната и совершенствования математических моделей разрушения канатов.
Неоднородность механических свойств канатной проволоки
К основным механическим свойствам канатной проволоки относят прочность, пластичность и сопротивление усталости. В производстве для оценки качества проволоки используются следующие характеристики механических свойств: временное сопротивление разрыву, число перегибов, число скручиваний и разбег временного сопротивления разрыву в мотке и в партии (ГОСТ 7372-79
По механическим свойствам светлую проволоку подразделяют на марки: высшую - марка В и первую - марка I, Марку проволоке присваивают по результатам испытаний на растяжение по ГОСТ 10446-80, перегиб - по ГОСТ 1579-80 и скручивание - по ГОСТ 1545-80. Проволока марки В обладает меньшим разбегом временного сопротивления.разрыву в мотке и в партии и лучшими пластическими свойствами.
После изготовления каната его проволоки подвергают вторичному испытанию на растяжение, перегиб и скручивание. В случае каната марки В, предназначенного для работы в механизмах подъема людей, испытаниям на расзшивние и перегиб подвергаются все проволоки, а на скручивание испытывают 25% проволок каждого диаметра, но не менее трех проволок. Для канатов марки В,1 и п грузового назначения испытанию на растяжение и перегиб подвергают 25% проволок каждого диаметра, на скручивание испытывают 10% проволок каждого диаметра, но не менее трех проволок. По разнице между наибольшим и наименьшим значеннями временного сопротивления основных проволок разрыву определяют характеристику однородности механических свойств проволок в канате - разбег
временного сопротивления разрыву. По разбегу и результатам испытаний на перегиб и скручивание канату присваивается марка, а по среднему значению временного сопротивления проволок разрыву - маркировочная группа.
В работах П.П. Нестерова, B.C. Марченкова, Ж.Л. Романовой [52] , Н.Н. Коваленко [ЗО] , Д.Г. Житкова, И.Т. Поспехова [іб], A.M. Павлова, Б.А. Игметова [58] и др. указывается на отрицательное влияние неоднооодности механических свойств проволок на прочность и долговечность канатов. Однако только в работе [52] поиводится количественная оценка влияния неоднородности ПРОЧНОСТНЫХ свойств проволок на работоспособность канатов диаметром 49,5 мм, эксплуатировавшихся в условиях шахты "Красный Профинтерн" треста "Орджоникидзе-уголь". Данную зависимость можно описать выражением вида где N - среднее число циклов нагружения канатов до предельного состояния, С) - среднее квадратическое отклонение временного сопро-тивления проволок каната разрыву, МПа.
В работе указывается на неэффективность такой характеристики неоднородности проволок как разбег временного сопротивления. Авторами делается вывод, что среднее квадратическое отклонение пределов прочности проволок лучше, чем разбег, отражает качество канатов.
Однородность прочностных свойств проволоки определяется стабильностью производственного процесса, однородностью прочностных свойств и качеством поверхности катанки.
Изменчивость химического состава и свойств металла в пределах одной плавки и на совокупности плавок, ликваци-онная неоднородность разных зон слитков, неравномерность охлаждения катанки (приводящая к структурной неоднородности по длине нити), овальность профиля и неравномерность размеров сечения по длине катанки, поверхностные и внутренние дефекты приводят к значительному разбросу механических свойств катанки. Эта неоднородность еще более увеличивается за счет термической обработки проволоки и волочения.
В заводских условиях не всегда удается обеспечить оптимальные значения патентирования, т.к. часто одновременно обрабатывается проволока нескольких диаметров и различного химического состава.
К числу основных факторов, увеличивающих разброс механических свойств при волочении, следует отнести: колебание диаметров предельной заготовки или катанки (при этом меняются величины суммарной деформации и единичных обжатий); неодинаковый маршрут волочения на различных станах, что вызывает колебания единичных обжатий; непостоянные условия трения, определяемые качеством смазки, условиями подачи смазки в очаг деформации, скоростью волочения, подготовкой поверхности.
При анализе многочисленных экспериментальных данных, полученных в результате механических испытаний, сделан вывод о том, что величины пределов прочности проволок распределены по нормальному закону [59] .
Статистическое моделирование разрушения звена каната
Для каната конструкции 7x19 ф 3,2 мм при коэффициенте трения М, = 0,2 значение С0 , рассчитанное по формуле (2.15),равно 13,7 мм, то есть на шаге свивки каната { п =20 мм) оборванная наружная проволока пряди полностью вступает в работу. Смещения проволок сердечника и внутренних проволок прядей еще более затруднены дополнительными взаимными тангенциальными контактами, и поэтому эти оборванные проволоки еще быстрее вступают в работу. Для экспериментального определения и0 был проведен еле-дующий опыт. 1 каната конструкции 7x19 3,2 мм в двух сечениях, отстоящих друг от друга на 15 мм, были перерезаны проволоки. В первом сечении у трех прядей были перерезаны по одной проволоке и во втором сечении у других трех прядей также были разрушены по одной проволоке. При нагружении канат разрывался в одном из сечений. Перерезанные.в другом сечении проволоки могли вытащиться или разрушиться. В случае разрыва проволок можно сделать вывод о том, что они полностью вступают в работу на длине каната меньшей 15 мм и все разрывы, отстоящие от рассматриваемого сечения на длине большей 15 мм, не влияют на его прочность. У четырех.испытанных образцов каната порванными оказались семь проволок. Остальные пять проволок вытянулись. По-видимому, эти пять проволок находились в прядях, разрушившихся в последнюю очередь, когда в канате уже имелись оборванные пряди и радиальные контактные силы уменьшились. На основании экспериментальных исследований Д.Г. Жидковым и И.Т. Поспеховым [І6] получено, что длина участка полного включения оборванной проволоки в работу колеблется от 1,5 до 6 шагов свивки прядей в канат.
В работе [32] Б.С, Ковальским и В.П. Орловым получены значения 10\Ь (при номинальных напряжениях в.канатах 25 Мїїа): для канатов типа ТК конструкции 6x19 1 о.с. С0/п = 0,8; 6x37+1 o.c.C0jli = 0,9; 6x6+7 о.с. у/?= 0,5; для каната типа Ж-Р конструкции 6x19+1 о.с. для тонких проволок ЦП =1,6, а для толстых 10\Ь =1,0. То есть и в данных работах получено, что длина включения проволок в работу равна приблизительно шагу свивки. Оборванная проволока включается в работу по обе стороны от точки обрыва, то есть длина звена каната равна где Кс - коэффициент, учитывающий концентрацию обрывов. Концентрация обрывов происходит из-за перераспределения нагрузки с оборванной проволоки на целые, при этом повышается вероятность разрушения целых проволок в местах, где действуют дополнительные нагрузки, то есть около уже существующих обрывов. Учитывая это, а так же принимая во внимание сложившуюся практику браковки канатов [71J , считаем длину звена каната, равной шагу свивки. Многочисленные опытные данные подтверждают это: при разрушении канатов, как.правило, все проволоки рвутся на длине, меньшей чем шаг свивки. Для данного исследования важным является тот факт, что, в первом приближении, можно считать длину звена каната независящей от нагрузки, то есть в процессе нагружения длина звена остается постоянной, а расчетная схема неизменной. 2.3. Разрушение звена каната На первом этапе исследования разрушения канатов предполагаем, что проволоки разрушаются хрупко, имеют одинаковый модуль упругости и различные значения прочности, описываемые функцией распределения Рассматриваем разрушение каната при чистом растяжении, то есть при растяжении с закрепленными от вращения концами. Учитываем только напряжения растяжения, возникающие в проволоке.
Тогда, согласно работе [II] , напряжения в I -той проволоке каната двойной свивки равны Г - площадь поперечного сечения і -той проволоки. По формуле (2.16) видно, что проволоки в канате нагружены неравномерно. Эта неравномерность нагружения проволок детерминирована и определяется углами свивки еС1 и J3L , то есть конструкцией каната. Кроме этого, проволоки при свивке в прядь и пряди при свивке в канат натягиваются неодинаково. С учетом данной нерав-номерности натяжения в L -той проволоке равны где L- - модуль упругости 1-той проволоки, Д. - дополнительная относительная деформация, обусловленная неравномерностью натяжения проволок при свивке в канат. Введем в расчет функцию распределения напряжений по сечению каната Г5(0/ со средним значением Ь$ и средним квадра-тическим отклонением где б; - среднее квадратическое отклонение напряжений в прово-л локах, обусловленное конструкцией каната, О - среднее квадратическое отклонение напряжений, возникшее за счет неравномерного натяжения проволок при свивке каната. Для описания распределения Г (б) в области больших значе О ний напряжений, представляющей для нас наибольший интерес, можно воспользоваться приближенными формулами, которые дают удовлетворительную для практики точность расчетов. Среднее значение напряжений принимаем равным
Статистическое моделирование усталостного разрушения звена каната
По формулам (3.24) и (3.25) можно определить вероятность неразрушения только для простейших конструкций канатов, у которых число наружных проволок в прядях не велико. К тому же исследования [14, 7б] показывают, что наиболее вероятным законом распределения данных о долговечности деталей при фиксированном напряжении следует считать не распределение Вей-булла, принятое при аналитическом расчете, а логарифмически нормальный закон. Поэтому была составлена программа моделирования усталостного разрушения звена каната. Схема алгоритма представлена на рис. 3.2. Список входных идентификаторов: /V - число наружных проволок в прядях каната; /V2 число моделируемых звеньев каната; 1\и - число анализируемых обрывов проволок; упУ - коэффициент вариации долговечности проволок в логарифмическом масштабе; vArc/V - среднее квадратическое отклонение значений амплитуд LlxN - среднее значение амплитуд напряжений (О ); IX - число, необходимое для начала генерирования псевдослучайных чисел.
Список выходных идентификаторов: Ык(1/- среднее значение чисел циклов нагружения до разрушения І -той проволоки; Ы\11] среднее квадратическое отклонение чисел циклов нагружения до разрушения і -той проволоки; По программе моделирования процесса разрушения звена каната формировался массив Z(l), состоящий из cN случайных чисел, распределенных, по нормальному закону со средним зна . л чением 2. - О и средним квадратическим отклонением Z = I. В дальнейшем первые Д/ чисел этого массива использовались для вычисления амплитуды напряжений в проволоках - массив У (1). Числа массива Ус1 распределены по нормальному закону со средним значением ysLlxN и средним квадратическим отклонением Оставшиеся /Y чисел массива Z(l) использовались для вычисления значений массива п(1) - чисел циклов нагружения, выдерживаемых проволоками до разрушения. Числа массива Л (1) распределены по логарифмически-нормальному закону со средним значением долговечности, расположенными на кривой, и средним квадратическим отклонением где NgM - среднее квадратическое отклонение долговечности проволок в логарифмических, координатах. Значения долговечности L -той проволоки определялись с учетом того, что амплитуда напряжений в ней равна У(±) (символы 10...15). Затем /VJ наименьших значений массива l\[ll располагали в порядке возрастания, то есть в порядке разрушения. Этот массив также обозначили п(1) . Число /V J выбиралось равным числу проволок, разрушение которых в дальнейшем рассматривалось соответствует числу циклов нагружения звена каната, при котором порвалась первая проволока. При разрушении проволоки происходит перераспределение нагрузки на оставшиеся проволоки: где ). - амплитуда напряжений в [ -той проволоке до обрыва первой проволоки; IQ. - амплитуда напряжений в [ -той проволоке после обрыва первой проволоки; Р - число проволок в канате. Число циклов нагружения, при котором произойдет обрыв второй проволоки, определяли по формуле для і -той проволоки
Влияние пластичности и неоднородности прочностных свойств проволок на прочность канатов
Во втором разделе данной работы показано, что прочность каната определяется нагрузкой, при которой вероятность разрушения проволок очень мала. В третьем разделе то же самое получено для долговечности каната, то есть долговечность звена каната определяется числом циклов нагружения,при которых вероятность разрушения мала и составляет всего 0,04...0,08. С увеличением длины каната эта вероятность уменьшается. Отсюда следует, что для более полной реализации прочностных свойств проволок необходимо уменьшить вероятность появления слабейших участков проволок. Это может быть выполнено: с помощью более тщательного подбора проволок, идущих на изготовление каната; за счет совершенствования методов и форм контроля технологического процесса изготовления проволоки; с помощью технологических мероприятий, стабилизирующих процесс изготовления проволоки.
Одной из основных причин разрушения канатов является усталостное разрушение проволок, циклическая долговечность которых имеет большой разброс. Долговечность проволок в производственных условиях не контролируется. Поэтому наиболее целесообразным путем повышения долговечности проволоки являются технологические мероприятия.
Основное формирование механических свойств проволоки происходит на последних операциях, то есть при волочении.
Волочение является сложным процессом с большим числом воздействий, при чем не все они подвергаются контролю. Для снижения вероятности появления слабейших участков проволок необходимо повысить устойчивость процесса волочения к малым случайным нарушениям технологии и к возможным неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Для этого необходимы запасы в значениях параметров , определяющих волочение. Процесс волочения во многом зависит от смазки. От волочильной смазки зависит стабильность волочения, а также такие параметры поверхностного слоя, определяющие долговечность проволоки, как шероховатость, твердость и остаточные напряжения. В работе рассмотрена возможность повышения долговечности слабейших участков проволок за счет применения качественных волочильных смазок.
Волочение проволоки осуществляется при высоких удельных давлениях и скоростях скольжения. Температура на поверхности проволоки в месте контакта с волокон достигает 700С при средней температуре проволоки в очаге деформации до 300С [36, 88, III] . Режим трения при волочении является промежуточным между граничным и гидродинамическим [36] .
Трение при волочении проволоки следует рассматривать состоящим из трения в приповерхностных слоях деформируемого металла (внутреннее трение) и из трения, в слое смазки .(внешнее трение/ . Работами С.Я. Вейлера и В.И. Лихтмана [Ю] показано, что при отсутствии эффективной смазки так называемая дополнительная деформация распространяется внутрь металла, постепенно затухая, и на нее может быть затрачено усилие в несколько раз большее, чем на объемную деформацию. Чтобы исключить это нежелательное явление, необходимо так изменить граничные условия на контактной поверхности, чтобы дополнительная деформация вообще не имела места или сосредотачивалась в тонком поверхностном слое. Это можно осуществить, если сдвиг, обусловленный трением, будет происходить в слое смазки. В этом случае удается в максимальной степени использовать способность металла к пластической деформации, улучшать качество поверхности деформируемого металла и уменьшить остаточные напряжения. Нормальный процесс волочения невозможен без смазки. Смазка, применяемая при волочении проволоки, должна обеспечить низкий коэффициент трения и хорошо разделять поверхности трения, т.к. возможно схватывание частиц металла, появление рисок, задиров и, как следствие этого, повышение усилия волочения, снижение долговечности проволоки. Качественные смазки уменьшают износ фильер, тем самым повышается стабильность процесса волочения, обеспечивается получение одинаковых механических свойств и геометрических размеров сечений проволоки на больших длинах. Качественные смазки увеличивают производительность труда, повышают качество проволоки.
Б настоящее время при волочении проволоки широко используют мыльный порошок Московской фабрики "Свобода" (ТУ 18.16. 235-73) и мыльную стружку по ТУ РСТ УССР 495-78.
