Содержание к диссертации
Предисловие 2
Терминология и условные обозначения 5
Введение , 8
РАЗДЕЛ 1 Современное состояние технологии изготовления и сборки
соединений труба-решетка систем теплообмена 15
ЫЛатентно-лицензионный обзор применяемых способов закрепления
труб с трубными решетками 15
Ь2ЛГехнология изготовления и сборки систем теплообмена змеевикового
типа 20
1,3, Конструктивно-технологические решения по изготовлению систем
теплообмена и типы змеевиковых элементов 23
1А Современное состояние выбора толщины трубных решеток 25
1.5. Состояние вопроса по определению жесткостных свойств
перфорированных пластин 31
Анализ влияния конструктивно-технологических факторов на выбор толщины трубной решетки 36
Современное состояние изгиба труб круглого сечения 39
Выводы, цель и постановка задач исследования 50
РАЗДЕЛ 2 Особенности технологии крепления труб с тонкой трубной
решеткой осевым деформированием 54
2,1 Технология и способы крепления труб с тонкой трубной решеткой
способом осевого деформирования 54
2.2, Конструктивно-технологические особенности различных типов
соединений труб с тонкой трубной решеткой 58
2.3. Оборудование, инструмент и технологическая оснастка для
крепления труб с трубной решеткой осевым деформированием 63
2А Методика расчета технологической оснастки 83
2.5. Определение оптимального соотношения геометрических
размеров кольцевой канавки соединения труба - решетка 89
2.6. Исследование напряженно-деформированного состояния соединения
труба-решетка и диаграммы деформирования 96
2.7. Методология расчета соотношения геометрических размеров
технологической оснастки и трубы 104
2.7.1« Постановка задачи и расчет соотношения геометрических размеров
оснастки и трубы при формировании гофра или полутора для соединения
труба-решетка 104
2.7.2. Расчет соотношения геометрических размеров цангового зажима и
трубы при жестком формировании гофра 109
Расчет соотношения геометрических размеров пуансона при жестком формировании полутора на выступающем над трубной решеткой конце трубы 115
Методика определения основных технологических параметров процесса закрепления трубы с трубной решеткой 122
Методология расчета необходимой длины трубы, выступающей над трубной решеткой при формировании соединения 124
Методика расчета степени деформации уллотнительного элемента
для соединения трубы с тонкой трубной решеткой 128
2.8. Разработка иллюстрированного классификатора выбора сборки
соединений труб с тонкой трубной решеткой для систем теплообмена 130
2.9. Выводы 140
РАЗДЕЛ 3 Методика определения остаточных напряжений соединений
труба-решетка по диаграммам деформирования 143
3.1. Особенности процесса формирования соединения труба-решетка по 143
диаграммам деформирования
3-2- Влияние радиальных усилий деформирования на этапе защемления
трубы в трубной решетке 151
Процесс формирования герметичных соединении труба-решетка, получаемых осевым деформированием 158
Методика исследования напряженно-деформированного состояния по диаграммам соединения труба-решетка при формировании узла крепления осевым деформированием 171
3.5. Экспериментальное определение остаточных давлений в
соединениях с натягом по диаграммам деформирования 182
3.6. Методика оценки напряженно-деформированного состояния
процесса формирования соединений с натягом методом конечных
элементов 190
3.7. Влияние конструктивно-технологических факторов на усталостную
прочность соединения труба-решетка 202
3.7.1, Факторы, снижающие долговечность систем теплообмена 202
3.7.2 Описание установки комбинированной нагрузки и оценка
напряженно-деформированного состояния 205
3.7.3. Оценка влияния уменьшения толщины трубной решетки на
усталостную прочность и герметичность соединения труба-решетка 209
3.8. Экспериментальное исследование процесса закрепления трубы с
трубной решеткой осевым деформированием 219
3-8.1. Образцы труб для соединений труба-решетка 219
3.8.2, Определение режимов деформирования при закреплении труб с
тонкой трубной решеткой 223
3.8.3- Влияние конструктивных и технологических параметров на
герметичность и прочность соединения труба-решетка 228
Оценка качества сборки соединений труб с тонкой трубной решеткой для систем теплообмена 232
Термоциклические испытания соединений труба-решетка на герметичность 246
3.9. Выводы 247
РАЗДЕЛ 4 Методика расчета тонких трубных решеток для систем
теплообмена 250
4.1. Обоснование выбора расчетной модели трубной решетки 250
Расчет основных зависимостей, определяющих напряженно-деформированное состояние тонкой трубной решетки 252
Реализация разработанной методики расчета тонкой трубных решеток на ЭВМ и на модели 256
4.4. Выводы 267
РАЗДЕЛ 5. Методика расчета основных технологических параметров
изгиба оребренных монометаллических и биметаллических труб 268
5.1. Методика расчета минимального и минимально возможного
радиусов изгиба оребренных труб 268
5.2. Методика расчета технологических параметров изгиба оребренных
труб 282
5.3.Особенности технологического процесса формирования изгиба на
оребренных трубах 293
5-4. Оборудование для гибки оребренных монометаллических и
биметаллических труб 301
5.5. Выводы 309
РАЗДЕЛ 6 Реализация технологических процессов изготовления новых
систем теплообмена в производстве 310
6.1. Технология накатки ребер на толстостенных трубах круглого сечения
для систем теплообмена 310
6.2 .Технолога резки оребренных труб в размер 322
6.3. Технология проточки и торцовки концов оребренных труб 326
6.4. Технология формирования гофра на концах труб змеевикового
элемента 332
6.5. Технология обработки и очистки оребренных труб 334
Практические рекомендации по применению технологии сборки систем теплообмена 342
Совершенствование технологии изготовления и сборки систем теплообмена змеевикового типа для автотракторостроения 345
6.8. Выводы 356
Заключение 359
Библиографический список 362
Приложения 396
5 Предисловие
Данная работа посвящена разработке новой технологии производства систем теплообмена с тонкими трубными решетками, не имеющей аналогов в отечественной и зарубежной практике.
Системы теплообмена (СТ) являются очень распространенным типом теплообменных аппаратов. Конструкции их разнообразны (трубчатые, трубчато-ребристые, пластинчатые и др.); к ним относятся также аппараты воздушного, масляного и водяного охлаждения. Однако большей частью СТ, эксплуатируемые автотракторными, компрессорными, энергетическими и другими предприятиями, являются коллекторными или кожухотрубными.
Результаты исследований являются актуальной проблемой. Они послужили основой создания новой технологии изготовления СТ (на уровне изобретения), использование которой создает предпосылки существенного повышения качества продукции по герметичности и прочности при минимальных затратах на их производство.
В диссертации обобщен опыт и по разработке основ теории расчета соединений с натягом, разработке устройств, методов оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) соединений с натягом, методом конечных элементов и по экспериментальным диаграммам деформирования, обобщены и систематизированы результаты исследований влияния конструктивно-технологических факторов на усталостную прочность узла крепления труба-решетка (Т-Р) по оценке долговечности, малоциклической усталости, распределения максимальных относительных продольных деформаций при фиксированной долговечности, способов сборки герметичных соединений и технологии изготовления новых СТ способом осевого деформирования, разработке новых технологических методов проведения предварительной обработки оребренных труб.
В данной работе основное внимание уделено разработке технологии изготовления новых СТ, способов крепления труб с тонкой трубной решеткой
(ТТР), накатки ребер на трубах, гибки оребренных труб, инженерных методов расчета основных технологических параметров, оптимальных режимов крепления труб, а также конкретных типов соединений, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Результаты исследований положены в основу технологии изготовления теплообменных аппаратов с ТТР толщиной до 20 мм в автотракторном, судовом, энергетическом, химическом и нефтяном машиностроении при изготовлении радиаторов, отопителей кабин, маслоохладителей судовых дизельных и компрессорных установок, калориферов гидросистем и систем отопления для ТЭЦ.
На основании выполненной научно-исследовательской работы по обоснованию толщины трубной решетки для СТ при креплении труб осевым деформированием разработана методика расчета ТР. Приведены рекомендации по учету влияния толщины трубной решетки (ТР) на усталостную прочность узла крепления трубы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке новых конструкций систем охлаждения. Установлены технологические дефееты в зоне фиксации труб цанговым зажимом, которые способствуют появлению усталостных фещин. С целью устранения обнаруженных дефектов рекомендовано использовать при креплении труб с ТР цанги с эластичным зажимным элементом.
Определена минимальная толщина ТР при креплении труб осевым деформированием для различных СТ.
В диссертации обобщен опыт производства СТ, накопленный Всесоюзным научно-исследовательским институтом компрессорного машиностроения (ВНИИкомпрессормаш) г. Сумы, С,-Петербургским техническим университетом, Курским государственным техническим университетом, Сумским государственным университетом, АО «Промтрансэнерго» г. Сумы и заводами, изготовляющими СТ.
7 Терминология и условные обозначения
Соединение трубы с трубной решеткой - сборка трубы с трубной решеткой, обладающая герметичностью и прочностью.
Осевое деформирование (осадка)- сборка соединения трубы с трубной решеткой, выполненного способом осевого деформирования или осадкой.
Герметичность - способность соединения труба-решетка обеспечивать герметизацию в процессе эксплуатации.
Прочность - способность соединения труба решетка обеспечивать надежную прочность всем закрепленным трубам в трубной решетке в процессе их срока эксплуатации.
Изгиб - деформация оребренной монометаллической или биметаллической трубы под воздействием внешних сил или моментов, сопровождающихся изменением кривизны геометрической оси трубы или участок трубы, имеющий криволинейную форму, которая получена в результате пластической деформации.
Гибка - технологический процесс получение изгиба трубы.
Радиус изгиба - измеренный по осевой линии радиус дуги, который соединяет два прямолинейных участка трубы.
ТР - трубная решетка различных систем теплообмена.
ТТР - тонкая трубная решетка толщиной менее 12 мм.
Т-Р - соединение труба-решетка при различных толщина.
НДС - напряженно-деформированное состояние соединения Т-Р, полученное в процессе его формирования.
СТ - система теплообмена (теплообменный аппарат).
И-Г - инструмент-гидроопрессовка для сборки соединений Т-Р способом осевого деформирования (осадки).
Введение к работе
Актуальность темы. Основные направления экономического развития РФ и стран СНГ предусматривают повышение эффективности использования материальных ресурсов, в том числе снижение металлоемкости продукции при одновременном снижении трудоемкости. В автотракторных, судовых энергетических установках, энергоблоках тепловых и атомных электростанций, агрегатах химической и нефтехимической промышленности широко применяют кожухотрубные теплообменные аппараты; радиаторы, отопители кабин и др. При изготовлении основных элементов этих аппаратов используют дорогостоящие металлы и сплавы.
Экономичность систем теплообмена предусматривают на стадиях научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских разработок. Однако проблема более эффективного применения цветных металлов и сплавов возникает при изготовлении теплообменных аппаратов, она носит комплексный характер и затрагивает многие вопросы, относящиеся к конструированию, технологии изготовления и сборки [46, 56, 59, 60-62, 77, 87, 94, 103, 114, 115, 128,131,136,160,203,209, 280,282,285,293,299,302, 312].
Одним из путей снижения металлоемкости теплообменных аппаратов является уменьшение толщины трубных решеток, применение оребренных монометаллических и биметаллических труб, изгиба их в змеевидные элементы. Толстые трубные решетки (толщиной более 20 мм) часто используются не столько для сохранения их прочности при эксплуатации, сколько для обеспечения герметичности вальцовочного соединения и необходимой жесткости под действием осевых сил развальцовывающих устройств, то есть имеем тот случай, когда существующие технологии ограничивают возможность развития конструкций- Поэтому переход от вальцовочного соединения к новому типу крепления труб с натягом в трубной решетке, позволяющему обеспечить требуемые качественные показатели по герметичности и прочности при минимальных толщинах трубной решетки (менее 12 мм) и не нагружающему трубную решетку множеством осевых сил
9 при вальцевании, и разработка нового способа изгиба сребренных труб, обеспечивающего минимальный и минимально возможный радиусы изгиба, а также разработка и научное обоснование новых технологических и конструкторских решений являются актуальной научной проблемой.
Цель работы - научное обоснование и создание способов и устройств для реализации новых технологических процессов изготовления систем теплообмена, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики теплообменных систем и позволяющих снизить материалоемкость конструкций и трудоемкость их изготовления.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Обобщить известные типы соединений труб с трубными решетками с натягом и предложить новые, более технологичные. Выявить основные технологические параметры новых способов соединения труб, разгружающих трубную решетку от технологических сил и позволяющих снизить допустимую толщину решетки менее 12 мм; найти зависимости для их расчета и разработать программное обеспечение для их выбора,
Дать теоретическую оценку напряженно-деформированного состояния соединения труба-решетка (качественных показателей соединений по герметичности и прочности), получить экспериментальные диаграммы деформирования для соединений с натягом и с их помощью подтвердить результаты экспериментально,
Создать теорию расчета трубных решеток, учитывающую влияние конструктивно-технологических факторов на усталостную прочность узла крепления труба-решетка по оценке долговечности, малоцикловой усталости, распределения максимальных относительных продольных деформаций при фиксированной долговечности.
Разработать теорию расчета параметров технологического процесса изгиба оребренных моно- и биметаллических труб и экспериментально
10 исследовать технологические процессы изгиба оребренных труб в змеевидные элементы.
Разработать оборудование, инструмент и оснастку, методы их расчета и выбора для реализаций предлагаемых технологических процессов изготовления систем теплообмена.
Предложить практические рекомендации по комплексному использованию технологии изготовления новых систем теплообмена, оценить возможности их реализации и перспектив применения.
Методы исследования построены на основе рационального объединения теоретических исследований, системного подхода, анализа и синтеза с использованием математического моделирования, стендовых и натурных испытаний образцов и изделий систем теплообмена. Решение поставленных задач проводилось с применением методов стержневой аппроксимации, методов конечных элементов, методов вычислительной математики, методов статистики, методов вычислительного эксперимента, экспериментальных методов для исследования герметичности, прочности и долговечности.
При этом получены следующие новые результаты:
L Впервые в отечественной и зарубежной практике разработана технология сборки соединений с натягом способом осадки трубы в отверстие трубной решетки при предварительном радиальном разжатии трубы в отверстие ТР до создания упруго-пластического контакта и защемления в ней.
Описана физическая сущность процесса крепления труб осадкой с тонкой трубной решеткой. Получены закономерности хода выполнения технологического процесса соединений,
Разработан типаж новых соединений, получаемых осадкой, и математическое обеспечение для синтеза рационального варианта компоновочного решения.
Разработана математическая модель соединения с натягом на основе метода конечных элементов и методика определения остаточных напряжений по экспериментальным диаграммам деформирования. Установлены
теоретические закономерности напряженно-деформированного состояния соединения, и экспериментально получены диаграммы для конкретных материалов и типоразмеров труб; изучены закономерности влияния конструктивных и технологических параметров (усилие деформирования, тип соединения, материалы труб, решеток и их размеры, уплотнительные элементы в соединении и др.) на герметичность и прочность,
На созданной установке комбинированного нагружения образцов и натурных моделей соединения труб с трубными решетками получены закономерности распределения долговечности, малоцикловой усталости натурных образцов соединений труба-решетка и распределения максимальных относительных продольных деформаций при фиксированной долговечности. Проведены сравнительные испытания долговечности соединений труба-решетка при комбинированном вибрационном нагружении натурных моделей соединений труб с трубными решетками, полученных вальцеванием и осадкой.
Создана теория и методика расчета трубных решеток для различных конструкций узлов крепления с использованием метода стержневой аппроксимации. Разработана математическая модель и программное обеспечение для расчета напряженно-деформированного состояния соединений и обоснования толщины трубных решеток, позволяющие рассматривать изгиб кавдой перемычки между отверстиями в трубной решетке, а также учитывать конструктивно-технологические особенности узла крепления трубы, выполненного способом осадки.
Предложен и теоретически обоснован способ бездорнового изгиба предварительно напряженных осевым сжатием оребренных труб, разработана методика определения параметров технологической операции изгиба оребренных моно- и биметаллических труб с минимальным и минимально возможным радиусами. Уточнены параметры процесса накатывания ребер на тонких трубах.
Установлены оптимальные режимы крепления труб в трубных решетках для конкретных материалов- Создана методика расчета основных
12 технологических параметров соединения, проведена их экспериментальная и
промышленная апробация. Разработаны рекомендации по применению
различных типов соединений труб с трубными решетками толщиной до 12 мм.
На уровне изобретения разработаны установки для оребрения; гибки и сборки
оребренных и гладких труб, инструмент, технологическая оснастка и
автоматизированное оборудование для осуществления предложенных
технологических процессов.
Научная новизна полученных результатов состоит в разработке и теоретическом обосновании способа сборки труб с трубной решеткой осадкой трубы в отверстие трубной решетки, разработке методик оценки напряженно-деформированного состояния соединений с натягом методом конечных элементов и по экспериментальным диафаммам деформирования, в обобщении и систематизации результатов исследований влияния конструктивно-технологических факторов на усталостную прочность узла крепления труба-решетка по долговечности и малоцикловой усталости, по распределению максимальных относительных продольных деформаций при фиксированной долговечности, а также в обосновании параметров технологических методов оребрения труб и бездорновой гибки предварительно напряженных осевым сжатием оребренных труб.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в разработке способов сборки соединений труб с тонкими трубными решетками, изгиба оребренных моно- и биметаллических труб в змеевидные элементы, инженерных методик расчета основных технологических параметров предложенных способов, конкретных типов соединений, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Результаты исследований легли в основу технологии изготовления систем теплообмена с использованием трубных решеток толщиной до 12 мм для автотракторного, судового, энергетического, химического и нефтяного машиностроения при изготовлении радиаторов, отопителей кабин, маслоохладителей судовых дизельных и компрессорных установок,
13 калориферов гидросистем и систем отопления ТЭЦ, Разработана методика
расчета трубных решеток при креплении труб осадкой. Приведены
рекомендации по учету влияния толщины трубных решеток на усталостную
прочность узла крепления трубы. Новизна предложенных способов и устройств
подтверждается патентами РФ.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации подготовлены по результатам работы соискателя во ВНИИкомпрессормаш (г.Сумы) (1974-1986 гг.), в Курском государственном техническом университете, Санкт-Петербургском техническом университете, Сумском государственном университете (СумГУ) и Сумском национальном аграрном университете (СНАУ) (1984-2006 гг.). Направление исследований в диссертационной работе связаны с выполнением НИР проблемной научно-исследовательской лаборатории «Автоматизация технологических процессов и производств» на базе СумГУ и СНАУ (1999-2006 гг.). Тематика работы соответствует научным программам РФ и Министерства образования и науки Украины: «Совершенствование технологических процессов в машиностроении», «Перспективные технологии, автоматизация производственных процессов», «Технологии изготовления соединений с натягом». Основные результаты работы, полученные после 1982 г,, вошли в отчеты по НИР, непосредственным руководителем которых был соискатель: «Исследование влияния технологических факторов на качество соединений Т-ТТР, выполненных способом осевого деформирования» (№ госрегистрации 01.86,0092508,1986 г.); «Исследование соединений алюминиевых теплообменных Т-ТР, выполненных способом осевой опрессовки» (№ госрегистрации 79021254, 1980 г); «Исследование соединений "труба - трубная решетка", выполненных осевым деформированием с целью их применения в конструкциях теплообменников с тонкими трубными решетками» (№ госрегистрации 01840024742,1985 г.).
Технология изготовления систем теплообмена внедрена на ОАО «Геомаш», ОАО «Электроагрегат» (г. Курск), ЧП «Экспресс 2000», АО СМНПО им. МВ.Фрунзе, АО «Промтраисэнерго» (г. Сумы), Бериславском
14 машиностроительном, Читинском компрессорном, Костромском калориферном
заводах, Первом Киевском авторемонтном и др, заводах. СТ по разработанной
технологии (радиаторы, отопители кабин и др.) используются на предприятиях
ГАЗ, УАЗ, КрАЗ, ЛАЗ, МТЗ, ХТЗ и других.
Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедр «Технология машиностроения» и «Технология и оборудование пищевых производств» Сумского государственного и Курского государственного технического университетов, используются при проведении занятий по дисциплинам «Технология машиностроения» и «Основы технологии машиностроения», в курсовом и дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих Международных и республиканских конференциях, семинарах и симпозиумах: 3-й и 4-й Международных научно-технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии я инновации» (Курский государственный технический университет, 2005 - 2006 п\); 4-й, 5-й, 9-й, 10-й, 11-й, 12-й и 13-й Международных научно-методических конференциях «Современные технологии, экономика и экология в промышленности и транспорте, в сельском хозяйстве», «Современные технологии в промышленности» (г, Алушта, 1997, 1998, 2002, 2003, 2004 и 2006 п\); республиканской научно-технической конференции «Управление качеством изделий и технологических процессов в машиностроении» (г, Махачкала, 1988 г.); 7-й Международной конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (г. Луганск, 1997г.); а также на научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Сумского государственного университета (Сумы, 1992, 1993, 1995, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002,2003, 2004, 2005 и 2006 гг.); научно-методической конференции «Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении» (Сумы, 1995 г.); научно-методических конференциях преподавателей и аспирантов СЫАУ (г.Сумы, 2002,2003,2004,2005 и 2006 гг.).
