Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. постановка цели и задач исследования 10
1.1. Классификация гидравлических ковочных прессов 10
1.2. Анализ конструкции гидравлического ковочного пресса с четырехколонным исполнением станины 11
1.3. Условия эксплуатации гидравлических ковочных прессов 19
1.4. Характер и способы устранения дефектов направляющих деталей ковочных колонных прессов 21
1.5. Обзор исследований гидравлических ковочных прессов 24
1.5.1. Исследования гидравлических ковочных колонных прессов в условиях эксцентриситета силы нагружения 24
1.5.2. Анализ исследований теплового воздействия заготовок на детали ковочных прессов 27
1.5.3. Износ пар трения ковочных прессов и применение антифрикционных материалов для их изготовления 30
1.6. Постановка цели и задач исследования 34
Глава 2. Совершенствование методики определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей, с учетом теплового воздействия нагретой заготовки 35
2.1. Определение параметров, влияющих на нагрев деталей ковочного пресса 35
2.2. Определение теплового потока излучения, падающего на колонну от нагретой заготовки 40
2.2.1. Тепловой поток излучения для двух тел, произвольно расположенных в пространстве 40
2.2.2. Среднеугловой коэффициент излучения, падающего на колонну от нагретой заготовки 2.2.3. Определение модели видимости элементарной площадки на поверхности колонны 45
2.2.4. Результаты моделирования теплового потока излучения, падающего на колонну от нагретой заготовки 47
2.3. Температурное поле колонны ковочного пресса 49
2.3.1. Теплофизические свойства материала нагреваемой колонны 50
2.3.2. Температурное поле колонны под действием излучения, падающего от нагретой заготовки 52
2.3.3. Результаты математического моделирования температурного поля колонны 54
2.4. Определение ресурса ковочного пресса с учетом изменения зазора в направляющем узле подвижной поперечины 57
2.5. Расчет эффективности защитных экранов 69
Выводы по главе 73
Глава 3. Экспериментально-аналитическое исследование ковочного пресса с колонным исполнением станины 75
3.1. Исследование нестационарного радиационно-конвективного теплообмена в процессе выполнения технологических операций ковки в условиях цеха 75
3.2. Исследование температуры поверхности нагретой заготовки, подаваемой в рабочее пространство пресса 80
3.3. Лабораторное моделирование тепловой деформации колонн ковочного пресса 85
Выводы по главе 98
Глава 4. Промышленная реализация результатов работы 100
4.1. Разработка и внедрение защитных экранов для ковочных колонных прессов 100
4.2. Модернизация направляющего узла подвижной поперечины 110
4.3.Анализ динамических нагрузок в узлах ковочного колонного пресса 114
4.4.Зависимость точности поковок от состояния деталей, отвечающих за перемещение подвижной поперечины 116
4.5.Экономический эффект при использовании предложенных в работе решений 119
Выводы по главе 122
Общие выводы по работе 124
Библиографический список 127
- Обзор исследований гидравлических ковочных прессов
- Определение теплового потока излучения, падающего на колонну от нагретой заготовки
- Температурное поле колонны под действием излучения, падающего от нагретой заготовки
- Исследование температуры поверхности нагретой заготовки, подаваемой в рабочее пространство пресса
Введение к работе
Актуальность работы. Для изготовления ответственных крупногабаритных деталей путем изменения их размеров и структуры в горячем состоянии используются мощные гидравлические ковочные прессы. Наиболее распространенным типом ковочного пресса является конструкция с колонным исполнением станины. В зависимости от расположения рабочих цилиндров при выполнении технологической операции в движение приводится либо подвижная поперечина, либо рама пресса. И в первом и во втором варианте в конструкции присутствует большое количество сопрягаемых деталей. При продолжительной эксплуатации в тяжелых условиях, обусловленных наличием эксцентриситета силы нагруже-ния пресса, высокой температурой обрабатываемой заготовки и наличием абразивных частиц в рабочем пространстве, наблюдается значительный износ направляющих деталей, отвечающих за перемещение подвижных частей ковочного пресса. Износ направляющих деталей и появление сверхнормативных зазоров приводит к снижению точности получаемых поковок, появлению динамических нагрузок в узлах пресса, что способствует возникновению аварийных ситуаций и длительному простою оборудования. Поэтому обеспечение безаварийной работы мощных гидравлических ковочных прессов, сокращение продолжительности их простоев, повышение точности крупногабаритных поковок являются актуальными задачами металлургии.
Цель работы – разработка аналитической методики оценки долговечности ковочных колонных прессов и способов продления их ресурса.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методику определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей с учетом их теплового состояния.
-
Разработать методику расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса.
-
Вывести аналитическую зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины ковочного пресса.
-
Разработать мероприятия, которые позволят увеличить срок службы ковочных прессов.
На защиту выносятся.
-
Методика определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей.
-
Методика расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса.
-
Аналитическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины.
Научная новизна работы.
-
Разработана методика определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей с учетом их теплового состояния.
-
Разработана методика расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса с учетом теплового потока от нагретых заготовок, учитывающая их геометрические, теплофизические параметры.
-
Выведена аналитическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины, учитывающая совместную тепловую деформацию деталей пресса.
Практическая ценность работы.
-
Разработан алгоритм и компьютерная программа расчета нестационарного теплового состояния деталей ковочного колонного пресса, применение которой целесообразно при проектировании нового оборудования.
-
Разработана конструкция защитного экрана для колонн (патент на ПМ РФ № 111803), применение которой позволяет снизить тепловую нагрузку на детали пресса, а также исключить попадание абразивных частиц в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам.
-
Разработана конструкция направляющей втулки подвижной поперечины (патент на ПМ РФ № 111804), улучшающей скольжение подвижной поперечины по колоннам.
-
Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова».
Реализация результатов работы. По результатам исследований разработаны конструкции защитных экранов колонн, направляющей втулки, использование которых позволяет снизить интенсивность износа деталей за счет снижения давления между колоннами и направляющими втулками и исключения попадания абразива в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова».
Достоверность работы основана на проведении экспериментов в производственных и лабораторных условиях с использованием высокоточных измерительных средств: ThermaCAM S65 (тепловизор), ThermaCAM P60 (тепловизор), IMPAC IN15 (пирометр), индикатор часового типа ИЧ 02, виброанализатор СД-21. При математическом моделировании были использованы современные программные комплексы «КОМПАС-3D», «Ansys» и «Mathcad».
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и форумах: Международной научно-
технической конференции молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2010), Четвертом международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2011), Научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2011), ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» (Магнитогорск, 2008-2013). Результаты работы получили признание на Всероссийском конкурсе «Инженер года – 2013» по версии «Инженерное искусство молодых». Автор был удостоен медали «Лауреат конкурса» в номинации «Машиностроение (Научно-техническое обеспечение)» и внесен в реестр профессиональных инженеров России (Москва, 2014).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе четыре статьи в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, три статьи в сборниках международных научно-технических конференций и промышленных форумов, два патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, двух приложений. Текст диссертации изложен на 142 страницах машинописного текста, включающих 69 иллюстраций, 11 таблиц. Библиографический список включает 112 наименований.
Обзор исследований гидравлических ковочных прессов
На ковочном прессе осуществляется деформация крупных заготовок, нагретых до ковочной температуры. Так, для стальных слитков верхний предел ковочной температуры составляет 1250С, а нижний - 800С. Масса обрабатываемых заготовок на сверхмощных прессах может достигать 650 т. Ковочный пресс - оборудование универсальное, на котором выполняется большое количество технологических операций: биллетировка, протяжка, осадка, рубка и т.д. В процессе выполнения всех вышеперечисленных операций нагретая заготовка может кардинально изменить свое положение относительно той или иной детали пресса. Все вышеперечисленное свидетельствует о значительной неравномерной тепловой нагрузке, оказываемой заготовкой на оборудование, имеющей циклический характер [22 - 25].
Тепловой цикл ковки условно можно разделить на несколько периодов: - нагрев заготовки до верхней ковочной температуры в термической печи; - транспортировка ее к ковочному прессу. При транспортировке происходит потеря тепла нагретой заготовкой вследствие ее взаимодействия с поверхностью рабочего инструмента манипулятора, конвекции и теплового излучения в окружающее пространство; - деформация заготовки до момента, пока заготовка не остынет до нижнего предела ковочной температуры. Аналогично процессу транспортировки наблюдается потеря тепла при ее взаимодействии с окружающим пространством и ковочным прессом. Дополнительно появляется незначительный нагрев деформируемой заготовки за счет диссипации части механической энергии пластического деформирования и работы контактных и внутренних сил трения; -изъятие деформированной заготовки из рабочего пространства ковочного пресса, повторный ее нагрев для дальнейшей деформации, либо подача к ковочному прессу новой нагретой заготовки. В этот период происходит остывание деталей оборудования за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Таким образом, ковочный пресс работает в условиях сложного нестационарного теплообмена, более точно характеризуемого как нестационарный радиационно-конвективный, т.е. передача тепла осуществляется конвекцией, теплопроводностью и излучением. Учитывая высокую температуру нагретой заготовки, доля тепла, передаваемая при помощи конвекции, незначительная и составляет в интервале ковочной температуры порядка 10-15% от общего теплообмена, оставшаяся часть приходится на тепловое излучение. Тепловое излучение будет являться граничным условием теплопроводности при нагреве деталей пресса (за исключением рабочего инструмента, непосредственно контактирующего с нагретой заготовкой и нагреваемого в значительной степени за счет теплопроводности).
Из-за нагрева детали и узлы пресса деформируются, следовательно, деформируется и вся конструкция пресса. Сложный пространственно временной характер температурной деформации пресса зависит от многочисленных факторов [26]: его конструкции и размеров; материалов и теплофизических характеристик базовых деталей; режима работы (продолжительности и частота теплового воздействия); формы; температуры и состояния поверхности обрабатываемой заготовки; условий теплообмена и т.д. Следует отметить значение температуры нагретой заготовки (источника), от нее зависит качественный состав излучения, падающего на облучаемый объект. Так, в случае обработки горячей заготовки на прессе выделяют следующие спектры излучения и, соответственно, длины волн: – температура источника до 500С, со спектром излучения характеризующимся длиной волны 9,3-3,7 мкм (длинные инфракрасные лучи); – температура источника до 1200С, спектр излучения 3,7-1,9 мкм (наличие длинных инфракрасных и видимых лучей).
Тепловое воздействие нагретой заготовки дает ряд существенных негативных последствий: – снижение защищающей способности масляной пленки на направляющих колоннах; – перекос верхней неподвижной поперечины (архитрава); – возникновение напряжений в узле «колонна – гайка – поперечина»; – износ направляющих деталей и уплотнений рабочих цилиндров; – износ направляющих втулок подвижной поперечины; – возникновение дополнительных напряжений в колоннах, что повышает вероятность их разрушения. Также необходимо отметить, что на прессе обрабатываются горячие стальные заготовки, на поверхности которых при высокой температуре образуются окислы металлов (окалина). Окалина удаляется с поверхности обрабатываемой заготовки механическим способом либо при помощи подачи струи воздуха под высоким давлением. Наличие абразивных частиц в виде окалины в рабочем пространстве пресса ухудшает условия его эксплуатации, т.к., попадая в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам, а также в зону перемещения подвижного стола пресса по направляющим, приводят к их абразивному износу, увеличению зазоров и, соответственно, появлению дополнительных динамических нагрузок, снижению жесткости. При размещении гидравлических возвратных цилиндров в фундаментной плите, если плунжер не защищен кожухом, абразивные частицы значительно сокращают ресурс данного узла. Тяжелые условия эксплуатации ковочного пресса приводят к ряду недопустимых дефектов его деталей, которые следует незамедлительно устранять.
Определение теплового потока излучения, падающего на колонну от нагретой заготовки
На различных прессах возможно расположения упоров: либо непосредственно над гайками фундаментной плиты, либо на подвижной поперечине (встречается очень редко). Возможна различная высота штампового набора и бойков, соответственно, будет различным положение обрабатываемой заготовки относительно открытой части колонны, что будет существенно влиять на распределение теплового потока от нагретой заготовки к колоннам пресса.
Если (H5+D)H1, то упоры воспринимают максимальную тепловую нагрузку при размещении нагретой заготовки в рабочем пространстве пресса, определенную часть тепловой нагрузки получит открытая часть колонн H3. Некоторое время упоры будут являться эффективным защитным экраном, но по истечении времени они сами начнут являться источником теплового излучения, а в случае отсутствия упоров или при условии (H5+D)H1 колонны будут подвергаться значительной тепловой нагрузке, которая будет определена ниже. Большое значение имеет и характер охлаждения деталей пресса в момент отсутствия нагретой заготовки в рабочем пространстве пресса. Потеря тепла нагретой детали пресса (к примеру, колонны, подвижной поперечины) будет происходить по средствам теплового излучения в окружающее пространство, конвекции (свободную и вынужденную, при наличии искусственно созданного движения воздуха – промышленный вентилятор и т.д.), теплопроводности в зону детали, имеющую меньшую температуру, либо в менее нагретую сопрягаемую деталь.
При моделировании теплообмена в рабочем пространстве пресса необходимо учесть, что при температурах до 100С лучистая и свободная конвективная составляющие теплообмена имеют один порядок. С повышением температуры лучистый теплообмен становится доминирующим в суммарном теплопереносе от нагретого тела к окружающим его телам (рисунок 2.4). В нашем случае тепловая энергия передается от заготовки, нагретой до температуры 1200С, соответственно, доля передачи энергии путем конвекции минимальна (около 5%), даже при минимальной ковочной температуре в 700С доля конвекции будет составлять не более 20% [75–77].
Целью моделирования является определение локального теплового потока, падающего на поверхность вертикальной колонны от нагретой горизонтальной заготовки конечной длины, за счет которого происходит повышение температуры колонны. Считаем известными температуры и степени черноты поверхностей.
Примем упрощающие предположения: - колонна и заготовка имеют вид конечного цилиндра; - самооблучение тел отсутствует, т.к. поверхности тел выпуклые; - интенсивность излучения не зависит от направления; - среда однородна и изотропна; - подвижная поперечина принимается условно неподвижной в положении, которое она занимает при нахождении в рабочем пространстве нагретой заготовки, когда заготовка находится в соприкосновении с верхним и нижним бойками. 22.1. Тепловой поток излучения для двух тел, произвольно расположенных в пространстве Локальный тепловой поток излучения, падающий на поверхность dF2 с элементарной поверхности dF1 (рисунок 2.6) [81] определяется по формуле (1) где - приведенная степень черноты поверхностей; -температуры соответственно поверхностей заготовки и колонны; сг0 = 5,7-10 8Вт/(м2 -К4) -постоянная Больцмана; г - расстояние между центрами элементов и ; , - углы между г и нормалями к плоскостям соответствующих элементов. Тепловой поток излучения, падающий на поверхность dF2 со всей излучающей поверхности нагретого тела: где излучения.
Таким образом, задача нахождения теплового потока при произвольно расположенных телах в пространстве сводится к нахождению среднеуглового коэффициента излучения у/2_х. Методика для определения среднеуглового коэффициента излучения на поверхность вертикальной колонны от нагретой горизонтальной заготовки конечной длины: На рисунке 2.7 показано взаимное положение заготовки и колонны, используемое в расчете. Приведены основные обозначения геометрических параметров. Считаем, что точка А находится в центре площадки dF2, а точка В -в центре площадки dFj.
Введем декартовую систему координат Oxyz, причем плоскость Оху совпадает с плоскостью нижнего торца колонны, начало координат О лежит на оси колонны (см. рисунок 2.7), а ось Oz совпадает с ее осью. Положение площадки dF2 задается координатой z и углом 2, причем ср2 меняется от -71 до 71. Положение площадки dFj соответственно _уи , причем срх также меняется от - 71 до 71.
В выбранной декартовой системе имеем координаты точек: Для определения углов у/х и щ2 используем векторную алгебру. Выберем вектора k и Я, перпендикулярные площадкам dF2 и dFl соответственно. Напишем координаты основных векторов: (
Считаем, что положение точки A, а значит, координаты ср2 и z известны. 2.2.3. Определение модели видимости элементарной площадки на поверхности колонны
При различном положении площадки, на которую падает излучение от протяженного тела, возможны следующие случаи: 1) площадка dF2 облучается максимальной поверхностью заготовки F1; 2) площадка dF2 облучается частью поверхности заготовки F1; 3) на площадку dF2 излучение не попадает. Определим видимость площадки dF2 методом «натянутых» нитей. Рассмотрим систему тел в горизонтальной плоскости (рисунок 2.8). Проведем касательную линию AC к цилиндру колонны в точке A. Нетрудно из тригонометрических соотношений определить координату точки C, лежащей на поверхности заготовки DC:
Температурное поле колонны под действием излучения, падающего от нагретой заготовки
Для оценки теплового состояния ковочного пресса в процессе обработки нагретой до ковочной температуры заготовки был использован метод инфракрасной термографии, заключающийся в получении изображения (термограммы) в инфракрасных лучах. Тепловизор преобразует энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Применение данного способа для исследования температуры оборудования имеет ряд моментов, которые необходимо обязательно учитывать. Во-первых, на термограмме выводится температура только поверхности исследуемого объекта. Во-вторых, необходимо точно учесть коэффициент черноты поверхности исследуемого объекта. В-третьих, на точность измерения будет оказывать большое влияние движение объекта, состояние поверхности и наличие рядом источника теплового излучения («эффект зеркала»), прозрачность среды между тепловизором и исследуемым объектом и т.д.
На рисунке 3.1 представлена термограмма ковочного пресса «United», США усилием 22,5 МН, эксплуатируемом в условиях ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», полученная при помощи тепловизора ThermaCAM S65 (производитель «Flir Systems», США) [93-95]. Тепловизор ThermaCAM S65 обладает высокой тепловой чувствительностью - 0,08 C при 30C, диапазон измерения от -40 до +500С, погрешность ±2С, ±2% от показаний, корректировка на коэффициент отражательной способности устанавливается в пределах от 0,1 до 10 или выбирается из списка для определенных материалов. Температура деталей и узлов пресса (см. рисунок 3.1) была зафиксирована после деформации заготовок (слитков) массой 4,1 т. на заготовки с сечением в виде квадрата 370 мм, начальная температура 1250C, конечная - 800C, после 1-го часа работы. Температура воздуха в цехе 20С. На термограмме можно отметить различие в нагреве колонн в результате теплового воздействия горячей заготовки. На практике не удается обеспечить равномерную температуру базовых деталей (рисунки 3.2 – 3.4), из-за разной удаленности от источника тепла, неравномерного состояния температуры поверхности обрабатываемой заготовки. Для подтверждения вышесказанного оценим тепловое состояние колонн ковочного пресса: температура колонн различна по периметру и высоте, также имеет место различие в температуре между колоннами в сопоставимых зонах, различие в пределах 10C, это связано с тем, что процесс работы ковочного пресса часто сопровождается несовпадением оси обрабатываемой заготовки с центральной осью пресса (эксцентриситет), а также существует вероятность неравномерности теплового потока, излучаемого нагретым телом (см. подраздел 3.1.2). В результате неравномерного нагрева колонн происходит неравномерное их тепловое расширение, изгиб, удлинение, т.е. имеет место неравномерное напряжённо-деформированное состояние. При обработке нагретой заготовки значительному нагреву подвержен рабочий инструмент пресса – бойки, это происходит вследствие их постоянного контакта с заготовкой. Температура рабочего инструмента во время работы достигает 400С и более [32], т.е. рабочий инструмент сам является мощным источником теплового излучения.
При проведении исследования ковочного оборудования методом инфракрасной термографии необходимо внесение корректировок на состояние исследуемой поверхности. Так, при исследовании зеркальной шлифованной поверхности плунжеров и при наличии рядом поверхности с большей температурой применение вышеописанного метода будет неприемлемо, т.к. тепловизор будет воспринимать отраженное тепло поверхности, имеющей более высокую температуру, чем зеркальная поверхность плунжера.
В случае измерения данным методом температуры поверхности колонн, поперечин, упоров в момент отсутствия высокотемпературного источника теплового излучения и анализа полученных данных в программном обеспечении, позволяющем получить термограмму с учетом коэффициента, учитывающего степень черноты поверхности, полученный результат характера распределения и величины температуры будет точным. Это же подтверждают результаты, полученные контактным методом измерения, приведенные в работе [18], где указанно, что на прессе усилием 10 МН температура колонн достигала 300С.
Характер зоны максимального нагрева колонн и упоров подтверждает и визуальный осмотр состояния их поверхности. При смазке бронзовых вкладышей подвижной поперечины используется закладная смазка и с течением некоторого времени поверхность упоров покрывается слоем смазки, вытесняемой подвижной поперечиной с поверхности колонны. Как видно на рисунке 3.5, со стороны рабочего пространства пресса смазка выгорает, что свидетельствует о достаточно высокой температуре в этой зоне.
Исследование температуры поверхности нагретой заготовки, подаваемой в рабочее пространство пресса
Детальное изучение технологического процесса ковки на гидравлическом прессе, процессов теплообмена в его рабочем пространстве, изменения геометрии деталей пресса и в целом его конструкции при неравномерном нагреве, подтверждает необходимость разработки и внедрения в производство мероприятий, направленных на снижение теплового потока от обрабатываемой заготовки. Решая вопрос теплообмена в рабочем пространстве ковочного пресса, мы решаем и вопрос улучшения условий эксплуатации деталей, отвечающих за перемещение подвижной поперечины.
Анализ эксплуатируемых прессов как в условиях отечественных, так и зарубежных предприятий показывает, что в большинстве случаев защитой оснащаются ковочные прессы с нижним исполнением привода (рисунки 4.1, 4.2), причем защита выполнена как из цепей, так и с использованием листового металла.
Ковочные прессы с верхним исполнением привода и различной конструкцией рам значительно реже обеспечиваются защитой колонн, которая во всех случаях представлена цепными завесами (рисунок 4.3).
Все вышеуказанные экраны имеют целью уменьшение проходящего через них теплового потока путем создания определенного термического сопротивления на пути теплового потока. Конструктивно экраны могут быть прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными. По принципу действия экраны подразделяются на теплопоглотительные, теплоотводящие и теплоотражательные [99-112].
В непрозрачных экранах энергия электромагнитных колебаний взаимодействует с веществом экрана и превращается в тепловую энергию. Поглощая излучение, экран нагревается и, как всякое нагретое тело, становится источником теплового излучения. При этом излучение поверхностью экрана, противолежащей экранируемому источнику, условно рассматривается как пропущенное излучение источника. К непрозрачным экранам относятся, например, металлические (в том числе алюминиевые), альфолевые (алюминиевая фольга), асбестовые и другие. В прозрачных экранах излучение, взаимодействуя с веществом экрана, минует стадию превращения в тепловую энергию и распространяется внутри экрана по законам геометрической оптики, что и обеспечивает видимость через экран. Так ведут себя экраны, выполненные из различных стекол: силикатного, кварцевого, органического, металлизированного, а также пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу), вододисперсные завесы.
Полупрозрачные экраны объединяют в себе свойства прозрачных и непрозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой.
Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего они значительную часть падающей на них лучистой энергии отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов в конструкции экранов широко используют альфоль, листовой алюминий, оцинкованную сталь, алюминиевую краску, белую жесть, полированный титан и т.п. Такие экраны отражают до 95 % 102 длинноволнового излучения. Непрерывное смачивание экранов такого типа водой позволяет задерживать излучение почти полностью. Но не всегда существует возможность применять подобную жесткую конструкцию экранов. Если же необходимо обеспечить возможность наблюдения за ходом технологического процесса при наличии теплового облучения и при этом получить гибкий экран, то в этом случае широко применяют цепные завесы, представляющие собой наборы металлических цепей, подвешенных перед источником излучения.
Теплопоглощающими называют экраны, выполненные из материалов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов применяют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, шлаковату.
В качестве теплоотводящих экранов наиболее широко используются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки, орошающие другую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо заключенные в 103 специальный кожух из стекла, металла (змеевики). Такие экраны обеспечивают температуру на наружной поверхности 30 – 35С. Решение проблемы нагрева колонн путем теплоотведения описано в работе [18], где указаны причины, по которым данное решение не нашло практического применения. Более эффективно использовать теплоотводящие экраны с испарительным охлаждением, они сокращают расход воды в десятки раз. Прозрачная водяная завеса в виде сплошной тонкой водяной пленки толщиной 1 мм полностью поглощает часть спектра с длиной волны от 3 мкм , а толщиной в 10 мм с длиной волны от 1,5 мкм. Но в случае ковочного пресса данный способ также не применим из-за необходимости содержания дополнительного оборудования, наличия сильного испарения (ухудшение видимости в рабочей зоне пресса)[99-103].
В тяжелых условиях работы ковочного пресса, когда его детали нагреваются за счет попадания на них длинных инфракрасных лучей от нагретой заготовки, наиболее эффективным типом экрана будет комбинированный экран, содержащий теплоотражающий и теплопоглощающий слой. С учетом конструкции колонного пресса с верхним исполнением привода и возможности постоянного визуального контроля состояния поверхности колонн необходим гибкий экран.
Для исследования эффективности защиты различных типов экранов (кожухов) от воздействия теплового излучения на колонны лабораторной установки (описанной в подразделе 3.3) на них монтировались цепные завесы и завесы из композиционного материала – алюмосиликатного волокна со стеклянным ровингом. В рабочем пространстве пресса располагалась нагретая заготовка (между колоннами 1, 2 и 3, 4) со смещением на 10 мм в сторону колонн №3, 4. Показания температуры фиксировались в зоне максимального нагрева. Результаты замеров приведены на рисунке 4.5.
