Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время износ наиболее активной составляющей части основных производственных фондов в металлургической промышленности близок к семидесяти процентам. Недостаток финансовых средств у большинства металлургических предприятий в девяностые годы прошлого века, а в ряде случаев и должного внимания со стороны их руководства, сопровождался моральным и физическим старением производственных мощностей. В научно-технической литературе имеется большое число публикаций, посвящённых вопросам обеспечения надёжности и продления ресурса машин и агрегатов металлургической отрасли. Но эти, в подавляющем большинстве теоретические работы, по мере приближения к производству не находят реального воплощения в силу ряда причин, основными из которых являются:
- отсутствие конкретных предложений со стороны авторов работ, реализованных в виде конструкторской документации, для нового или усовершенствованного варианта конструкции;
- недостаточный с конструкторской точки зрения уровень предлагаемого решения для внедрения в производство;
- недостаточный уровень квалификации персонала для обслуживания современных измерительных, регистрирующих и контролирующих устройств, предназначенных для мониторинга и контроля технологического процесса.
Таким образом, проблема повышения ресурса и долговечности металлургического оборудования может быть решения путём внедрения теоретических разработок, реализованных в виде конструкторской документации, в реальное производство в результате совместной работы производственников и учёных.
Объекты исследования. Плавильный инструмент для плавки титановых сплавов: тигель, холодный под, кристаллизатор, вакуумно-дуговая печь. Технологические процессы плавки титановых сплавов в условиях вакуума с применением электронно-лучевых пушек, плазмотронов, гарнисажных и вакуумно-дуговых печей. Процессы охлаждения плавильного инструмента. Металлургическое оборудование для плавки меди: отражательная печь, конвертер, ковш. Полимербетонная ванна для электролиза никеля. Исполнительный механизм стана холодной прокатки труб. Вал-шестерня привода стана ХПТ-250. Штамп для формовки труб большого диаметра.
Изучаемые явления. Причины крайне низкого ресурса тигля гарнисажной печи. Тепловые процессы и температурные поля в слитке и инструменте. Термонапряжённое состояние и ресурс кристаллизатора для изготовления плоского слитка из титанового сплава. Режимы охлаждения плавильного инструмента. Установление причин разрушения полимербетонной ванны. Определение факторов, оказывающих доминирующее влияние на ресурс несущих колонн отражательной печи. Причины низкого срока службы многорядного роликового подшипника в исполнительном механизме стана холодной прокатки труб. Причины поломки ведущего вала-шестерни в приводе стана ХПТ-250 и рекомендации по ремонту. Причины поломки штампа для формовки труб большого диаметра.
Цель исследования. Разработка научно-обоснованных технико-экономических и технологических решений по увеличению долговечности и повышению технического ресурса металлургического оборудования, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение качества выпускаемой продукции, экономической эффективности и конкурентоспособности предприятий отрасли.
Число научных работ, посвящённых исследованию методов решения связанных задач, относящихся к различным разделам математической физики, ограничено. Для прогнозирования ресурса конструкционного элемента большое значение имеет достоверное определение его напряжённо-деформированного состояния (НДС) при термомеханическом нагружении. Результаты решения таких задач с достаточной для принятия ответственного решения точностью необходимы для анализа работоспособности реальных промышленных объектов, поэтому в диссертации ставятся первоочередные задачи исследований:
- разработка математических моделей для решения связанных задач применительно к расчёту прочности и технического ресурса сложных механических систем, находящихся в условиях нелинейного взаимодействия;
- разработка новых технических решений по реализации процессов охлаждения конструкции плавильного оборудования для увеличения технического ресурса;
- разработка достоверных методик расчёта технического ресурса охлаждаемого технологического оборудования при термомеханическом нагружении с учетом фазовых превращений;
- разработка математической модели для моделирования напряжённо-деформированного состояния двух и более контактирующих между собой пространственных конструкций в условиях статического нагружения и конструктивной нелинейности;
- разработка и защита патентами новых технических решений, позволяющих увеличить ресурс и эффективность процесса эксплуатации плавильного оборудования;
- разработка новых конструкционных и технических решений по реализации модернизированного варианта металлургического оборудования с целью его дальнейшей эксплуатации.
Методы исследований. При решении связанной задачи математической физики в диссертации использовались методы термодинамики сплошных сред, функционального анализа, теории дифференциальных уравнений, нелинейной теории упругости и методы компьютерного моделирования.
Научная новизна работы:
1.Разработана теоретическая база математических моделей для решения связанной задачи математической физики, включающая последовательное решение задачи нестационарной теплопроводности с учётом фазовых переходов для расчёта температурных полей и последующее решение нелинейной краевой задачи теории упругости для расчёта напряжений и деформаций.
2.Установлены основные факторы, влияющие на малоцикловую усталость и потерю несущей способности металлургического оборудования с учётом нелинейной упругости, реальной геометрии, особенностей конструкции и условий эксплуатации, на основе предложенного расчётно-экспериментального метода.
3.Предложен подход для прогнозирования числа циклов нагружения плавильного оборудования применительно к анализируемым термомеханическим технологическим процессам.
4.Сформулирована проблема и разработан способ решения задач тепломассообмена для конструкции плавильного оборудования в условиях реального процесса плавки.
5.Создан алгоритм поиска рациональной формы плавильного оборудования для обеспечения заданного числа плавок.
6.Разработана математическая модель, учитывающая взаимодействие температурных и механических полей в задачах управления процессом плавки при изменении расхода охлаждающей жидкости или силы тока, что позволяет уменьшить тепловые нагрузки на инструмент.
7. Созданы научно-обоснованные технические и технологические математические модели для расчёта напряженно-деформированного состояния сложных пространственных систем, содержащих контактирующие элементы.
8.Разработан алгоритм и создана модель решения задачи, связанной с обеспечением прочности и жёсткости контактирующих конструкций, при статическом нагружении и конструктивной нелинейности.
9.Разработаны подходы повышения циклической прочности сложной механической системы при термомеханическом нагружении с конкретной реализацией на предприятиях металлургической отрасли.
10.Экономический эффект от внедрения изобретений в корпорации ВСМПО-АВИСМА с 2001по 2003 год составил 3,8894 млн. руб, из них Гончарову К.А принадлежит 33%, в ОАО ЧТПЗ – 3,5 млн. руб,, из них 63% принадлежит автору диссертации.
11. Научная новизна подтверждена 12 патентами РФ.
Достоверность результатов исследований и предложенных способов решения обеспечивается:
1. Использованием в основе разработанной расчетной модели известных положений классических и прикладных наук, таких как физика, математика, термодинамика, теплотехника, теория упругости, теория пластичности, результаты вычислений не противоречат научным основам.
2. Использованием для решения связанной и полу-связанной задачи термонапряженного состояния оборудования надёжного, проверенного практикой, численного метода конечных элементов, реализованного в виде пакетов прикладных программ ANSYS.
3. Сравнением расчётных данных с экспериментальными данными, полученными на эксплуатируемом оборудовании, при этом измерения проведены с использованием приборов с допустимой погрешностью.
4. Проверкой на практике предложенных конструктивных решений в условиях эксплуатации плавильного и металлургического оборудования в разных производственных объединениях.
5.Проведением сравнительной оценки результатов расчёта применительно к аварийным конструкциям и усовершенствованным вариантам металлургического оборудования.
6.Публикацией результатов работы в отечественных и зарубежных научных журналах, выступлениями с докладами на международных и всероссийских научно-технических конференциях различного уровня в США, Германии, Болгарии, Италии, Украине, Белоруссии, Казахстане, на Х всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики в Нижнем Новгороде.
Практическое использование результатов:
Результаты расчётов, полученных автором, использованы:
- при проектировании тигля гарнисажной печи ДТВГ – 4ПФ, вакуумно-дуговой печи, плавильного оборудования плазменной печи ROTEК и плавильного инструмента для электронно-лучевой печи на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении;
- при анализе работы отражательной печи, конвертера и транспортировочного ковша в Красноуральском ОАО «Святогор»;
- при анализе причин разрушения электролизной ванны для производства никеля и выдаче рекомендаций по обеспечению надёжной работы остальных ванн подобного типа в Мончегорском АО «Кольская горно-металлургическая компания»;
- при проектировании модернизированного варианта конструкции валковой клети стана холодной прокатки труб ХПТ в АО «Первоуральский новотрубный завод»;
- при проектировании исполнительного механизма стана холодной прокатки труб ХПТ – 250 и штампового инструмента для изготовления труб большого диаметра в АО «Челябинский трубопрокатный завод»;
- при разработке и проектировании модернизированного варианта ведущего вала-шестерни стана холодной прокатки труб в АО «Челябинский трубопрокатный завод».
Использование теоретических и практических результатов в курсовом и дипломном проектировании, а так же в учебных целях по дисциплинам «Динамика и прочность машин» и «Детали машин» позволяет совершенствовать конструкторское мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области проектирования оборудования.
Практическая значимость:
1.Предложенные способы решения связанных задач механики сплошной среды позволили решать сложные проблемы прочности и повышения работоспособности больших механических систем, являющихся неотъемлемой частью современного металлургического оборудования.
2.Разработанная методика позволила решить ряд задач, требующих достоверного определения напряжённо-деформированного состояния различных пространственных конструкций, подверженных тепловому и механическому нагружению с учётом физической, геометрической и конструкционной нелинейности.
3.Разработанная методика позволила усовершенствовать систему охлаждения конструкции плавильного оборудования, установить причины и выявить области парообразования.
4.Разработанные способы решения позволили определить размеры зон возможного контакта и характер распределения напряжений в них. Предложенный подход можно использовать при проектировании модернизированного варианта конструкции металлургического оборудования для вычисления напряжённого состояния контактирующих объектов.
5.Применительно к расчёту объектов, находящихся в условиях контактного взаимодействия и конструктивной нелинейности, разработанные способы позволяют определить величину гарантированного зазора или, наоборот, натяга, обеспечивающего приемлемый уровень напряжений и деформаций.
Апробация работы. Тема диссертации удовлетворяет Федеральной целевой программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы". Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях проводимых, как в России, так и за её рубежами (в США, Германии, Болгарии, Италии, Казахстане, Украине, Белоруссии). Материалы диссертации были изложены на всероссийских научно-технических конференциях, проводимых ведущими вузами и проектными организациями в городах: Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Челябинск, Екатеринбург, Нижний Новгород.
На защиту выносятся:
разработка математической модели для решения задач тепломассообмена применительно к различным конструкциям водоохлаждаемого плавильного оборудования и моделирования условий реального процесса плавки;
разработка новых, защищённых патентами РФ, вариантов водоохлаждаемого плавильного оборудования;
подход к решению связанной задачи механики сплошной среды применительно к оценке прочности и прогнозированию технического ресурса сложных пространственных конструкций с учётом физической нелинейности;
способ определения размеров зон контактного взаимодействия и напряжённо-деформированного состояния в этих зонах применительно к пространственным конструкциям, содержащим ряд контактирующих элементов;
расчётная математическая модель для определения деформированного состояния и решения задач прочности пространственных конструкций при контактном взаимодействии и конструктивной нелинейности;
- способы конструктивного решения конкретных задач прочности, обусловленных требованиями производственного процесса и функционального назначения.
Представленную диссертационную работу можно характеризовать, как совокупность научно-обоснованных технических и технологических решений по повышению технического ресурса плавильного и металлургического оборудования, совершенствованию способов анализа напряжённо-деформированного состояния сложных механических систем при тепловом и механическом нагружении.
Предложенная математическая модель позволяет управлять процессом плавки в охлаждаемом плавильном инструменте путём варьирования расхода охлаждающей жидкости или силы тока. Полученные результаты расчётов позволяют определять величину гарантированного зазора или натяга, обеспечивающего работоспособность оборудования, включающего в свой состав отдельные сборочные единицы и находящихся в процессе работы в условиях контактного взаимодействия.
Личный вклад автора. В монографии и опубликованных лично автором работах [4,8,12,13,17,30] определены базисные направления исследований, изложена методика разработки алгоритма и расчетной математической модели, предложены и обоснованы расчетные зависимости и конструкционные решения для проектирования и изготовления охлаждаемого и неохлаждаемого плавильного оборудования. В работе [13] изложена методика поиска технического и технологического решения применительно к модернизации тяжелонагруженного вала-шестерни привода стана ХПТ на основе решения полу-связанной задачи полифизики. В работе [37] приведена методика исследования комплексной проблемы прочности оборудования из анизотропного материала, программа и результаты механических испытаний образцов материала, установлены причины потери несущей способности полимербетонной электролизной ванны.
В работах, опубликованных в соавторстве, диссертантом разработаны алгоритм, математические расчетные модели и программы испытаний, выполнены расчеты, проведен анализ результатов расчетов и их сравнение с экспериментальными данными, предложены технические и технологические решения. При личном участии автора работы проводились промышленные испытания и внедрялись результаты работы.
Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография и 50 работ, среди которых 18 статей в рекомендованных ВАК реферируемых научно-технических журналах; получено 12 патентов; сделано 25 докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.
Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует:
- п.1 « Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надёжности, долговечности, промышленной и экологической безопасности»;
- п.3 «Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их
взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и
операций»;
- п.5 «Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса»;
- п.7 «Разработка и повышение эффективности обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса» паспорта специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (Металлургическое производство).
Структура и объем работы: Общий объём диссертационной работы 302 с., включая 129 рисунков. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 218 наименований и 6 приложений.
