Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы обеспечения надежности машин на стадии проектно-конструкторской разработки 25
1.1. Регламентируемые виды мероприятий по отработке изделий на надежность на стадии разработки .25
1.2. Методика проектного расчета экономического показателя надежности машины при оценке ее эффективности и качества .30
1.3. Научные основы и анализ современных моделей проектных отказов нагруженных элементов механических систем .35
1.3.1. Общие принципы построения феноменологических моделей отказов деталей машин по предельным критериям прочности на стадии конструирования .35
1.3.2. Надежность элементов при статическом режиме нагружения .40
1.3.3. Проектная оценка надежности элементов по критериям малоцикловой усталости 47
1.3.4. Проектные расчеты показателей надежности элементов по критерию многоцикловой усталости .50
1.3.5. Модели отказов деталей машин по критериям фрикционной усталости материалов при трении .55
1.3.6. Проблемы проектной оценки надежности деталей по предельным критериям прочности на стадии конструирования машин .63
1.4. Кинетический подход к проблеме повреждаемости и разрушения материалов и энергетические теории прочности 65
1.4.1. Сущность и основное содержание кинетического подхода к проблеме разрушения конструкционных материалов .65
1.4.2. Термодинамическая теория прочности твердых тел .72
1.5. Методы по обеспечению надежности элементов механических систем и проблемы их выбора на стадии конструирования 76
1.6. Выводы, цель и задачи исследований .81
2. Научные и методологические основы проектных исследований надежности элементов механических систем по критериям кинетической прочности 85
2.1. Методологические основы проектной оценки надежности технических объектов на стадии конструкторской разработки .85
2.1.1. Математическая формализация базовых понятий теории надежности 85
2.1.2. Общая концепция построения физико-вероятностных моделей параметрических отказов элементов механических систем .91
2.1.3. Методология постановки краевых задач для проектной оценки безотказности и долговечности нагруженных элементов .93
2.2. Научные основы проектных исследований кинетики разрушения материалов элементов механических систем 102
2.2.1. Физическая модель процесса разрушения материалов в поле внешних сил .102
2.2.1.1. Структурная модель материала 104
2.2.1.2. Механизм повреждаемости и разрушения структуры материалов 104
2.2.1.3. Структурно-энергетическая интерпретация процесса 107
2.2.1.4. Термодинамическое условие разрушения материалов. 115
2.2.2. Кинетическое уравнение повреждаемости материалов элементов механических систем .118
2.3. Постановка и решение краевых задач проектной оценки надежности элементов в условиях объемного нагружения 123
2.3.1. Методология построения физико-вероятностных моделей отказов по критериям объемной прочности .123
2.3.2. Краевая задача для проектной оценки надежности элементов в условиях стационарного объемного нагружения 126
2.3.3. Методика конструирования деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности по критериям объемной прочности .129
2.4. Постановка и решение краевых задач проектной оценки надежности элементов в условиях поверхностного нагружения (внешнего трения) 131
2.4.1. Особенности методологии построения физико-вероятностных моделей проектных отказов деталей узлов трения 132
2.4.2. Постановка и решение краевых задач для проектной оценки надежности элементов фрикционных сопряжений 136
2.4.2.1. Физическая модель (механизм) усталостного разрушения поверхностных слоев .137
2.4.2.2. Энерго-механическая концепция усталостного поверхностного разрушения элементов сопряжений .139
2.4.2.3. Вывод кинетического уравнения повреждаемости деталей узлов трения на основе энерго-механического подхода 140
2.4.2.4. Постановка краевой задачи теории надежности элементов «стационарных» сопряжений .150
2.4.2.5. Методика конструирования элементов узлов трения с требуемым уровнем безотказности и долговечности .154
2.5. Выводы по второму разделу .156
3. Верификация теоретических результатов при исследовании долговечности стандартных образцов в лабораторных условиях 158
3.1. Исследование повреждаемости и долговечности образцов в условиях одноосного растяжения 158
3.1.1 Экспериментальное определение скорости повреждаемости и ресурса образцов по результатам испытаний на растяжение 159
3.1.2. Теоретическая оценка моментов отказа образцов при их растяжении на разрывной машине 165
3.1.3. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов для оценки адекватности расчетной методики .171
3.2. Достоверность проектной оценки долговечности образцов по критериям
усталостной прочности .173 3.3 Экспериментальные и теоретические исследования долговечности стандартных пар трения по критериям поверхностной прочности (износостойкости) элементов 176
3.3.1. Экспериментальная оценка долговечности элементов пар трения по критериям поверхностной прочности .176
3.3.2. Теоретическая оценка ресурса элементов сопряжений для краевых условий эксперимента 184
3.3.3. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов .189
3.3.3.1. Оценка адекватности модели отказов элементов сопряжений по критериям поверхностной прочности 191
3.3.3.2. Анализ эффективности предложенных способов повышения долговечности фрикционных сопряжений 194
3.4. Выводы по четвертому разделу .195
4. Проектное обоснование реконструкции привода вращения обжиговой печи d-4,5хl-125 для производства клинкера с целью повышения долговечности .198
4.1. Описание исходной конструкции привода и анализ причин появления внезапных отказов 198
4.2. Проверочный расчет долговечности привода исходной конструкции по критериям прочности фундаментных болтов 200
4.2.1. Кинематическая схема привода исходной конструкции 200
4.2.2. Схема нагружения вала-шестерни открытой зубчатой передачи и исходные данные для расчета 201
4.2.3. Оценка долговечности привода по критериям прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни 202
4.2.3.1. Традиционный расчет по критерию статической прочности..202
4.2.3.2. Расчет долговечности привода по критерию кинетической
прочности и обоснование его реконструкции... 205
4.3. Суть предлагаемых решений по реконструкции привода .207 4.4. Анализ работоспособности и расчет ожидаемого срока службы привода
обжиговой печи новой (предлагаемой) конструкции .208
4.4.1. Кинематическая схема привода новой конструкции .208
4.4.2. Схема нагружения вала-шестерни открытой зубчатой передачи и исходные данные для расчета 209
4.4.3. Расчет долговечности привода новой конструкции по критерию кинетической прочности .212
4.4.4. Промышленная реализация теоретических исследований .214
4.5. Выводы по четвертому разделу .214
5. Проектный анализ и повышение долговечности объемных гидродвигателей уравновешивания рабочих валков прокатных станов 216
5.1. Описание конструкции, анализ повреждений и причин отказов плунжерных гидроцилиндров уравновешивания прокатных валков 216
5.2. Разработка методики проектной оценки долговечности плунжерных гидроцилиндров по критерию поверхностной прочности уплотнений 220
5.2.1. Постановка однопараметрической краевой задачи для прогнозирования срока службы исполнительных гидроцилиндров 220
5.2.2. Формулирование условий однозначности 221
5.2.3. Методика проектной оценки долговечности исполнительных гидроцилиндров 228
5.3 Теоретические исследования долговечности промышленных гидроцилиндров уравновешивания валков.. 230
5.3.1. Организация компьютерного эксперимента 231
5.3.2. Теоретическая оценка долговечности различных вариантов конструкции промышленных гидроцилиндров 233
5.4. Промышленная реализация полученных результатов на станах горячей листовой прокатки .244
5.4.1. Цель и организация промышленных исследований .244
5.4.2. Описание способа и устройства для плакирования плунжеров .245 5.4.3. Экспериментальные исследования долговечности гидроцилиндров на стане 2500 горячей прокатки 247
5.4.4. Промышленные исследования долговечности гидроцилиндров на стане 2000 горячей прокатки .249
5.4.5. Оценка экономической эффективности проведенных исследований 250
5.5.Выводы по пятому разделу 251
6. Проектная разработка золотниковых гидроаппаратов систем гидросбива окалины станов горячей листовой прокатки повышенной долговечности .254
6.1. Описание конструкции, анализ повреждений и причин отказов распределителей гидросбива окалины 254
6.2. Разработка методики проектной оценки долговечности золотниковых гидрораспределителей 257
6.2.1. Постановка двухпараметрической краевой задачи для прогнозирования срока службы распределителей .257
6.2.2. Формулирование условий однозначности 259
6.2.3. Методика проектной оценки долговечности золотниковых гидрораспределителей 264
6.3. Теоретические исследования долговечности золотниковых гидроаппаратов 265
6.3.1. Организация компьютерного эксперимента 266
6.3.2. Прогнозирование долговечности различных вариантов конструкции гидрораспределителей 268
6.4. Промышленная реализация теоретических результатов на станах горячей листовой прокатки 281
6.4.1. Цель и организация промышленных исследований 281
6.4.2. Промышленные исследования долговечности распределителей на стане 2500 горячей прокатки 282 6.4.3. Экспериментальные исследования срока службы золотниковых распределителей стана 2000 горячей прокатки 285
6.4.4. Оценка экономической эффективности проведенных исследований 287
6.5. Выводы по шестому разделу .287
Заключение 290
Библиографический список
- Методика проектного расчета экономического показателя надежности машины при оценке ее эффективности и качества
- Методология постановки краевых задач для проектной оценки безотказности и долговечности нагруженных элементов
- Теоретическая оценка моментов отказа образцов при их растяжении на разрывной машине
- Оценка долговечности привода по критериям прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни
Введение к работе
Актуальность проблемы и степень ее разработанности. Одной из наиболее важных народно-хозяйственных проблем, которая охватывает, в том числе, металлургические отрасли промышленности, является вопрос повышения надежности механического оборудования, так как характеристики его безотказности и долговечности определяют уровень технико-экономических показателей производственных предприятий. Практика показывает, что надежность, как способность механической системы сохранять во времени работоспособное состояние, лимитируется главным образом техническим состоянием ее элементов - деталей и узлов наиболее нагруженных сборочных единиц, устройств и механизмов. Это связано с тем, что ведущие процессы утраты их работоспособности - разрушение или недопустимая пластическая деформация; много- и малоцикловая объемная усталость; множество видов поверхностного разрушения деталей при трении, являются причиной отказов практически 100% механических систем и приводят к значительным экономическим потерям.
Расходы на замену элементов конструкций, выработавших свой ресурс по критериям длительной статической и усталостной прочности, в три - шесть раз превышают их первоначальную стоимость. Одновременно вследствие завышенных запасов прочности излишний расход металла составляет 40-45% от общей массы деталей и узлов. До 90% механических систем отказывают по критериям поверхностной прочности (износостойкости) элементов подвижных сопряжений. На работы по восстановлению деталей и обеспечению работоспособности узлов трения различных агрегатов, в технически развитых странах ежегодно расходуется до 4...5% национального дохода. Общие затраты на ремонты в связи с объемным и поверхностным разрушением деталей в несколько раз превышают стоимость новой машины.
В таких условиях с одновременным возрастанием требований к быстроходности, грузоподъемности, производительности и энергоемкости современных машин, актуальной становится проблема повышения надежности механических систем на всех стадиях их жизненного цикла. Первостепенную значимость приобретают этапы проектно-конструкторской разработки, особенно стадия конструирования, на которой при сравнительном анализе вариантов конструкции деталей, узлов и компоновке машины, согласно ГОСТ 2.106-96 и нормативных рекомендаций, выполняют контрольную проверку (проверочные расчеты) надежности отдельных элементов и машины в целом.
Для проектной оценки надежности в настоящее время используют полученные на основе обработки многочисленных экспериментальных данных статистические модели параметрических отказов. Анализ известных эмпирических зависимостей В.В. Болотина, Б.В. Гнеденко, А.С. Проникова, И.Б. Герцбаха, СВ. Серенсена, В.П. Когаева, P.M. Шнейдеровича, А.А. Кузнецова, Н.А. Махутова, В.М. Михлина, Д.Н. Решетова, B.C. Лукинского, Ю.Н. Дроздова, К.В. Фролова, В.М. Гребеника, К. Капура, Л. Ламберсона, Ф. Байхельта, В.М. Труханова, И.В. Крагельского, X. Тума, Г.Фляйшера, А.В. Чичинадзе и многих других ученых, описывающих процессы формирования отказов элементов машин в различных условиях объемного или поверхностного нагружения, показывает, что они представляют собой различные ва-
рианты детерминистических или вероятностных моделей типа «нагрузка S - сопротивление R ».
В качестве параметров «нагрузки» S, отражающих техническое состояние нагруженного элемента, принимают расчетные значения силовых, деформационных, энергетических, геометрических и других характеристик, определяемых в функции внешних воздействий. Параметрами «сопротивления» R являются их предельные (критические) значения, характеризующие сопротивление изделий внешнему нагружению и определяемые как критерии их работоспособности - прочности, жесткости, износостойкости и т.п. Проектная оценка надежности деталей по заданным критериям основывается на сравнении расчетных параметров «нагрузки» с их предельными величинами «сопротивления». Главным показателем надежности, определяемым с помощью модели «нагрузка - сопротивление» по выбранному критерию, является либо детерминистический коэффициент запаса n = RIS работоспособности, либо вероятность безотказной работы элемента P=P(S
Такого рода модели отказов для оценки проектной надежности элементов по критериям длительной статической и усталостной прочности разработаны в рамках механического (статического) подхода, научной основой которого является механика сплошной среды, деформация которой описывается закономерностями теории упругости и пластичности, а также теории предельных состояний. В этом случае в качестве параметров S используют расчетные значения максимальных напряжений (нормальных, касательных, эквивалентных, амплитудных), деформаций или затраченной на деформирование энергии. В роли предельных критериев R выступают соответствующие пределы (прочности, текучести, ползучести, выносливости), предельные деформации (статические, накопленные за критическое число циклов) или предельные энергетические характеристики (критическая плотность энергии Гриф-фитса - Орована, скрытая энергия наклепа Коффина - Мэнсона, полная рассеянная энергия И.Ф. Лашко, площадь петли гистерезиса В.Т. Трощенко и др.).
Однако, механические (статические) модели не учитывают ни текущее время протекания процесса повреждаемости (в модели участвует момент конечного мгновенного разрушения), ни структурные изменения реальных дефектных, неоднородных конструкционных материалов, особенно в деформируемых трением поверхностных слоях. Предельные теории не позволяют объяснить причины разрушения материалов при нагрузках и деформациях меньших критических значений. Параметры нагрузки S и критерии прочности R не являются свойствами материалов, а характеризуют процесс нагружения изделия и изменяются в широких пределах в зависимости от условий опыта, имеют крайне большое (более, чем двух-, трехкратное) рассеяние. Поэтому, применяемые в настоящее время модели, по мнению многих ученых не являются достоверными и не подтверждаются в большинстве случаев экспериментально без подбора соответствующих эмпирических коэффициентов.
Многочисленные исследования физической природы поведения твердых тел под нагрузкой С.Н. Журкова, В.Р. Регеля, А.И. Слуцкера, Э.Е. Томашевского, B.C. Ивановой, В.В. Федорова, В.Е. Панина, В.И. Владимирова, Л.И. Погодаева, Л.И. Бершадского Г.М. Бартенева, Л.И. Куксеновой, Л.М. Рыбаковой, Ю.Н. Дроздова, Д.Г. Громаковского, И.Д. Ибатуллина, А.В. Макарова, С.А. Полякова и др. описы-
вают разрушение как кинетический, развивающийся во времени процесс постепенной повреждаемости материалов и накопление дефектов их структуры на различных масштабных уровнях.
В этом плане, при построении моделей отказов для проектной оценки надежности нагруженных элементов на стадии конструирования машин, более перспективно, на наш взгляд, применение математических моделей «параметры повреждаемости X, - критерии разрушения Хпр», которые описывают разрушение как развивающийся во времени процесс постепенной повреждаемости структуры материалов нагруженных деталей и отражают кинетику изменения их энергетического состояния. Энергетическим условием разрушения наиболее нагруженных объемов материала - появлением в них трещин критического размера, является достижение параметром повреждаемости Xt - затраченной в процессе деформирования удельной энергии внешних сил Ud, предельного значения Хпр. В качестве Хпр - критерия разрушения, используют одну из термодинамических характеристик: плотность энергии сублимации Qc, скрытую теплоту плавления Ls, энтальпию материала в твердом АНТВ ИЛИ ЖИДКОМ AHS СОСТОЯНИИ.
Однако практическое применение этих моделей для проектной оценки надежности элементов механических систем осложняется рядом причин. Во-первых, в термодинамических моделях сопоставляются две величины, различные по физическому смыслу. Работа Ud внешних сил, изменяющаяся для одного и того же материала в широких пределах в зависимости от условий его протекания, является характеристикой процесса. Величины Qc, Ls, АНТВ, AHS являются термодинамическими константами материала. Попытки их сопоставления, по мнению К.А. Осипова, B.C. Ивановой, В.В. Федорова и др., с термодинамической точки зрения являются некорректными и находятся в противоречии с закономерностями механики разрушения твердых тел и началами термодинамики. Во-вторых, в предложенных гипотезах не принимается во внимание очевидный факт превращения значительной доли работы внешних сил Ud в тепловую энергию. Ее большая часть (до 70...95% - при объемном нагружении и до 97...99,8% - при трении) рассеивается в окружающей среде посредством теплообмена. Меньшая часть приводит к саморазогреву материала и протеканию противоположных упрочнению процессов релаксационного типа (возврат, отдых), ведущих к аннигиляции (залечиванию) дефектов.
Эти обстоятельства учтены при создании современных структурно-энергетических теорий прочности, основанных на гипотезе об энергетической аналогии механического и термического вида разрушения структуры материалов твердых тел. Одной из экспериментально обоснованных и завершенных комплексных теорий, предложенных в рамках эргодинамической концепции деформируемых твердых тел, является термодинамическая теория прочности В.В. Федорова. Она построена на структурно-энергетическом анализе кинетического процесса повреждаемости и разрушения материалов. В ее основу положены общие законы термодинамики необратимых процессов, молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности материалов С.Н. Журкова с использованием фундаментальной зависимости Аррениуса, а также теории дислокаций в их
взаимной диалектической связи на базе основного закона природы - закона сохранения энергии.
Однако практическое использование современных теорий при разработке моделей проектных параметрических отказов нагруженных элементов механических систем на стадии их конструирования по критериям объемной или поверхностной прочности, требует либо предварительного проведения модельных или натурных испытаний опытных образцов, либо специальных экспериментальных исследований для получения тех или иных, входящих в модели, физических величин.
Несмотря на высокий уровень современных представлений о физической природе процессов повреждаемости и разрушения материалов, получить исчерпывающее теоретическое описание процессов формирования отказов деталей машин пока не удается. Вопрос о чисто аналитической оценке процесса деградации нагруженных элементов и прогнозирования показателей их безотказности и долговечности на стадии конструирования в физической теории надежности остается наиболее открытым. В научном плане эта задача требует развития теоретической базы и новых методологических принципов построения моделей проектных отказов деталей, узлов и механизмов на стадии конструкторской разработки для поиска корреляции между ожидаемым ресурсом изделий, свойствами материалов и условиями эксплуатации.
Решение указанных проблем на основе развития научной методологии конструирования технических объектов применительно к механическим системам металлургических агрегатов, составляет содержание настоящей работы
Объектом исследований в диссертации являются детали, узлы, устройства и механизмы металлургических машин, лимитирующие срок их службы, предметом исследований - научные и методологические принципы и методики их конструирования, модели проектной оценки показателей надежности и способы повышения безотказности и долговечности.
Цель диссертационной работы. Разработка методологии проектной оценки надежности элементов металлургических машин и выбор эффективных способов повышения их долговечности на основе развития структурно-энергетической теории повреждаемости и разрушения материалов.
Для достижения цели последовательно решаются следующие задачи:
-
Разработка универсального методологического подхода к постановке краевых задач для проектной оценки надежности элементов механических систем на основе моделирования процесса формирования их отказов по критериям кинетической прочности материалов.
-
Разработка методологии постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности в условиях объемного нагружения.
-
Построение методологии постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения.
-
Верификация теоретических разработок по результатам сравнительных экспериментальных и теоретических исследований процессов объемного и поверхностного разрушения образцов при стандартных испытаниях на лабораторных установках.
-
Проведение проектных исследований надежности и обоснование промышленной реконструкции привода вращения обжиговой печи D-4,5xL-125 агрегата для производства клинкера с целью повышения долговечности по критериям объемной прочности его элементов и устранения внезапных отказов.
-
Повышение безотказности объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков на основе проектных исследований ресурса герметизирующих узлов и разработки новых модификаций его конструкции.
-
Проектная оценка и продление срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи для оценки ресурса элементов его подвижных сопряжений.
Тема диссертационной работы поддерживалась:
грантами, полученными по научно-технической программе «Конкурс студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов Челябинской области» в 2005г, федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»;
комплексным проектом Минобрнауки России по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства РФ № 218 от 9.04.10г. «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», договор № 13.G25.31.0061).
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан универсальный методологический подход к проектной оценке
надежности элементов механических систем на стадии конструирования без про
ведения модельных и натурных экспериментов, научную основу которого, в отли
чие от известных положений механики сплошной среды и теорий предельных
состояний, составляют:
общая концепция постановки краевых задач, как системы уравнений для оценки показателей их безотказности и долговечности, построенная на основе математической формализации базовых понятий теории надежности;
основополагающее уравнение деградации (старения) исследуемого объекта, выведенное на основе энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материала для заданных условий однозначности - расчетной схемы нагружения, отличительных признаков, начальных и граничных условий.
2. В рамках общего подхода сформулирована методология решения краевых
задач теории надежности класса деталей машин, подверженных внешнему объем
ному нагружению, и разработана на ее основе методика их конструирования с
обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, основными отли
чиями которых являются:
- кинетическое уравнение повреждаемости деталей для расчета скорости
роста плотности энергии дефектов структуры материалов, выведенное на ос
нове термодинамической теории прочности;
- система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и ожида
емого гамма-процентного ресурса (срока службы) элементов по критериям
объемной прочности материалов.
3. В рамках общего подхода сформулирована методология решения краевых
задач теории надежности класса деталей машин, подверженных поверхностному
нагружению в условиях внешнего трения, и разработана на ее основе методика их
конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечно
сти, отличительными особенностями которых являются:
новый энерго-механический подход, построенный на синтезе базовых положений термодинамической теории прочности твердых тел и молекуляр-но-механической теории трения, на основе которого впервые установлено, что скорость разрушения поверхностных слоев определяется мощностью механической составляющей сил трения, коэффициентом поглощения внешней энергии и критической энергоемкостью материала;
кинетическое уравнение деградации элементов сопряжений для расчета скорости разрушения (изнашивания) материалов поверхностных слоев, выведенное на основе энерго-механического подхода;
статически определимая система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и гамма-процентного ресурса (срока службы) элементов сопряжений по критериям прочности материалов поверхностных слоев.
-
Разработаны модели проектных отказов, методики и алгоритмы расчета ожидаемого ресурса стандартных образцов для краевых условий следующих лабораторных экспериментов: при их испытаниях на одноосное растяжение; на усталостную прочность при симметричном цикле «растяжение - сжатие»; при испытании образцов на машине трения по стандартной схеме «ролик - колодка».
-
Разработана новая физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета среднего срока службы привода вращения обжиговой печи D-4,5xL-125 агрегата для производства клинкера по критериям объемной прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни открытой зубчатой передачи.
-
Разработана новая физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания рабочих валков станов горячей листовой прокатки на основе постановки и решения однопараметрической краевой задачи теории надежности герметизирующих элементов.
-
Разработана не имеющая аналогов физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрическои краевой задачи теории надежности элементов подвижных сопряжений.
Теоретическая значимость исследований обоснована тем, что: - раскрыты проблемы использования известных полуэмпирических моделей для прогнозирования надежности элементов механических систем металлургических машин на стадии конструирования, связанные с необходимостью проведения дополнительных модельных или натурных экспериментов;
- изучен генезис процесса повреждаемости и разрушения материалов в процессе
эксплуатационного нагружения деталей машин и установлены причинно - след
ственные связи показателей их надежности с параметрами внешнего воздействия и
свойствами материалов;
доказано научное положение о пропорциональности скорости деградации (старения) нагруженных элементов механических систем скорости накопления в локальных деформируемых объемах потенциальной составляющей внутренней энергии материала, определяющей степень поврежденности их структуры;
создана единая универсальная методология проектной оценки надежности элементов механических систем на основе энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материалов для заданных условий однозначности - расчетной схемы нагружения, отличительных признаков, начальных и граничных условий;
сформулирована универсальная методика конструирования класса деталей машин, подверженных внешнему объемному или поверхностному нагружению с требуемым уровнем безотказности и долговечности;
изложена новая методика проектирования более долговечных конструкций промышленных узлов трения машин и агрегатов, с использованием более износостойких материалов и однослойных - полимерных или медьсодержащих, и двухслойных металл - полимерных антифрикционных покрытий.
Практическая ценность.
1. Разработано программное обеспечение для проектной оценки и повышения
ресурса:
стандартных образцов при их испытаниях в различных условиях объемного и поверхностного нагружения на лабораторных установках;
наиболее нагруженных деталей привода вращения обжиговой печи, герметизирующих узлов плунжерных гидроцилиндров, элементов подвижных сопряжений золотниковых распределителей.
-
Выполнено проектное обоснование реконструкции привода обжиговой печи D4,5xL125 для производства клинкера с повышенным сроком службы, которая внедрена в промышленное производство.
-
Разработана универсальная методика выбора материалов и антифрикционных покрытий для проектирования деталей трения машин повышенной долговечности.
-
Разработаны, апробированы и защищены патентами на изобретение и полезную модель новые варианты конструкции объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков, которые внедрены на станах горячей листовой прокатки ОАО «ММК».
-
Спроектированы, изготовлены и внедрены на станах горячей листовой прокатки ОАО «ММК» новые, защищенные патентами на изобретение и полезную модель, варианты конструкции золотниковых гидроаппаратов систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос.
Методы исследований. Применительно к проблематике диссертации результативно, с получением обладающих новизной результатов, использован комплекс базовых методов исследования:
- теории вероятностей и физической теории надежности;
- современной кинетической теории повреждаемости и разрушения твердых
тел, базирующейся на основных положениях термодинамики, молекулярной кине
тики (термоактивационном анализе) и теории дислокаций;
молекулярно - механической теории трения и усталостного изнашивания;
физического и математического моделирования,
методы экспериментальных (лабораторных и промышленных) исследований. Научные результаты, выносимые на защиту.
-
Универсальный методологический подход, позволяющий на стадии конструирования формулировать краевые задачи теории надежности элементов механических систем машин и агрегатов в общей постановке для оценки показателей их безотказности и долговечности на основе структурно-энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материала для заданных условий однозначности.
-
Методология постановки краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных объемному нагружению, и разработанная на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, которая представляет алгоритм решения статически определимой системы уравнений для расчета скорости повреждаемости структуры материалов, вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы).
-
Методология постановки краевых задач класса деталей машин, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения, и разработанная на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, которая представляет алгоритм решения статически определимой системы уравнений для расчета скорости разрушения материалов поверхностных слоев, вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы).
-
Новый энерго-механический подход, построенный на синтезе базовых положений термодинамической теории прочности твердых тел и молекулярно-механической теории трения, на основе которого впервые установлено, что скорость разрушения поверхностных слоев определяется мощностью механической составляющей сил трения, коэффициентом поглощения внешней энергии и критической энергоемкостью материала.
-
Модели проектных отказов, методики и алгоритмы расчета ожидаемого ресурса стандартных образцов для краевых условий лабораторных испытаний на одноосное растяжение; на усталостную прочность при симметричном цикле «растяжение - сжатие»; испытаний образцов на машине трения по стандартной схеме «ролик - колодка».
-
Физико-вероятностная модель процесса формирования проектных отказов и методика расчета ожидаемого срока службы привода вращения обжиговой печи D-4,5 xL-125 агрегата для производства клинкера по критериям объемной прочности наиболее нагруженных элементов.
-
Модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания рабочих вал-
ков станов горячей листовой прокатки на основе постановки и решения однопара-метрической краевой задачи теории надежности герметизирующих элементов.
8. Физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи теории надежности элементов подвижных сопряжений.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных в работе результатов и адекватность разработанной методологии, построенных на ее основе методик и моделей, обеспечивается использованием системного подхода, признанных целостных современных теорий, строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных и удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и лабораторного и промышленного эксперимента. В частности:
использованы современные методики сбора и обработки исходных данных о долговечности стандартных образцов в лабораторных испытаниях, элементов привода вращения обжиговой печи, плунжерных гидроцилиндров и золотниковых гидрораспределителей в промышленных исследованиях, сформированные в виде статистически значимых выборок их значений.
для экспериментальных исследований применялось сертифицированное оборудование (в том числе, прибор для измерения шероховатости «Perthometer S2 MAHR», инфракрасный термометр «CONDTROL IR - Т4», электронные эталонные весы ME215S 1-го разряда высокой точности для измерения массы образцов, разрывная машина ИР 5113-100, машина трения СМТ-1 с тарировкой датчиков для измерения параметров внешнего нагружения);
методология конструирования технических объектов построена на базовых положениях теории вероятностей, физической теории надежности, современной эр-годинамической теории повреждаемости и разрушения твердых тел, построенной на синтезе неравновесной термодинамики, молекулярной кинетики (термоактивацион-ном анализе) и теории дислокаций; молекулярно-механическои теории трения и усталостного изнашивания, неоднократно проверенных в многочисленных исследованиях и опубликованных в трудах известных отечественных и зарубежных ученых;
полученные теоретические результаты удовлетворительно согласуются с собственными экспериментальными данными и результатами других авторов по долговечности стандартных образцов, полученных в лабораторных условиях при испытаниях: на одноосное растяжение, переменное нагружение по симметричному циклу «растяжение - сжатие», по истиранию на машине трения. Диапазоны ошибок предсказания ресурса образцов не превышают - 57 =(0,7... + 30,3)% (по математическому ожиданию) и 8а =(4,18...49,8)% (по среднему квадратическому отклонению); в промышленных испытаниях - средняя ошибка 8t < 17%.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация посвящена развитию научных положений и разработке новых методологических принципов конструирования механических систем металлургических агрегатов на основе структурно-энергетического моделирования процесса повреждаемости и разрушения ма-
териалов наиболее нагруженных элементов, созданию на этой базе новых методик конструирования, моделей и алгоритмов для обеспечения требуемого уровня показателей их надежности по результатам теоретических исследований возможных способов снижения скорости деградации материалов (способов повышения долговечности), экспериментальным исследованиям и внедрению найденных проектных решений. Решение этих проблем соответствует паспорту специальности 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки, и отражает:
в формуле специальности: «...разработку научных и методологических основ конструирования ... машин...»; «теоретические и экспериментальные исследования»;
в области исследований: 1 пункт: «разработку научных и методологических основ проектирования и создания новых узлов машин» повышенной надежности и долговечности; 5 пункт: «разработку научных и методологических основ повышения ресурса и экономической эффективности узлов машин».
Реализация результатов. Разработанные в диссертации новые варианты конструкции привода обжиговой печи, объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков и золотниковых гидроаппаратов систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос, внедрены на ОАО «МЦОЗ», станах «2500» и «2000» горячей листовой прокатки ОАО «ММК».
Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе МГТУ в виде учебно-методических материалов (монографий, учебных пособий, расчетных и лабораторных практикумов) при подготовке студентов по направлению 1504.00.62 и 151000.68 - Технологические машины и оборудование и специальности 1504.04.65 - Металлургические машины и оборудование.
Апробация результатов. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на международных и всероссийских конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе: IV конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2001г.); XLIII международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2004г.); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, ЛГТУ, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 2007г.); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010г.), XIV Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010г.), XI Международной научно-технической конференции молодых работников «ОАО ММК» (Магнитогорск, 2011г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 2011г.); X международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012г.); XII международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, БГТУ им. Д.Ф. Устинова (ВОЕНМЕХ), 2012г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 2012г.); межрегиональных научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ МГТУ им. Г.И. Носова за 1998-2013г. (г. Магнитогорск, 1999-2013г.г.).
Публикации. Материалы диссертации отражены в 81 опубликованных работах, 55 из них включены в автореферат: 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК; в других изданиях -29 работ. Опубликовано 3 монографии. Патентами РФ защищены 7 технических решений.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 345 наименований и семи приложений (акты передачи, испытаний, использования результатов и внедрения) на 43 страницах. Общий объем диссертации составляет 371 страницу, включая 42 рисунка и 29 таблиц.
Методика проектного расчета экономического показателя надежности машины при оценке ее эффективности и качества
При последующем проектном расчете надежности в условиях жесткого малоциклового нагружения за параметры «нагрузки» S принимают расчетные максимальные амплитуды еэа эксплуатационных деформаций (условных напряжений 7 э =еэа-Е) или, в условиях мягкого нагружения, амплитуды расчетных эксплуатационных напряжений оэа, а также число циклов Л э за срок службы. В качестве параметров «сопротивления» R материала принимают характеристики прочности и пластичности при статическом растяжении.
При этом один из вариантов уравнений кривой малоцикловой усталости может быть представлен выражениями [24, 72]: для асимметричного цикла при жестком нагружении (зависимость Коф-фина - Мэнсона): где оъ, o_x и Е - предел прочности, предел выносливости и модуль упругости материала, определяемые в функции температуры; у/ и у/В - коэффициент поперечного сужения и относительное сужение, соответствующее пределу прочности; R - коэффициент асимметрии условных напряжений; т, тх и А- показатели степени и константа (параметр) обобщенной диаграммы циклического деформирования, зависящие от значений и отношения пределов аТ/аВ.
Работоспособность нагруженного элемента будет обеспечена, если запасы прочности будут больше нормативных значений, которые в зависимости от типа и ответственности конструкции машин, точности исходных данных, условий эксплуатации и др. устанавливают в диапазонах [пе]([па]) = 1,5...2, [nN] = 3...20
Более полно вопросы оценки надежности и долговечности, а также подробный учет всех факторов, влияющих на параметры «нагрузки - сопротивления» при малоцикловой усталости в разнообразных условиях эксплуатации различных изделий, изложены в работах [13, 16, 24, 53, 54, 72, 74, 83 и др.]
Под многоцикловой усталостью понимают разрушения деталей машин, источником которых являются микротрещины материала, возникающие в наиболее нагруженных локальных зонах материала при появлении в них напряжений, не превышающих предела упругости, в диапазоне числа циклов внешних механических и тепловых воздействий, равном N =105 -108 [4, 13, 16, 24, 53, 54, 72, 74].
При таком виде нагружения, несмотря на общий упругий характер циклического деформирования объемов материала нагруженного элемента, в местах концентрации напряжений все же появляются весьма малые по площади петли гистерезиса, связанные с наличием в каждом цикле микропластических деформаций, развивающихся в отдельных, наиболее напряженных кристаллических зернах. Как и при малоцикловой усталости, значительная часть необратимой работы деформирования рассеивается (в этом случае на протяжении весьма значительного числа циклов) в виде тепла, однако некоторая доля этой работы приводит к постепенному накоплению искажений структуры и развитию усталостных повреждений материала. Физическая природа многоцикловой усталости рассматривается во многих работах [54, 84-90].
Научной основой теории многоцикловой усталости является линейная гипотеза накопления рассеянных по объему детали повреждений структуры материала и прямая пропорциональная связь напряжений и деформаций по закону Гука. Модели проектных отказов по критериям многоцикловой усталостной прочности строятся с использованием кривых усталости, получаемых по результатам испытаний гладких (без концентраторов), полированных, малых размеров образцов из материала детали, подвергаемых усталостному разрушению при различных величинах переменных напряжений (ГОСТ 25.502-82).
Смысл проектного вероятностного расчета заключается в получении функции распределения долговечности детали, выражающую зависимость вероятности ее разрушения (или безотказной работы) от наработки (ресурса) до появления усталостных трещин [39, 53, 54, 73, 91]. С этой целью также используют модели отказа вида (1.13), так как обычно переменные параметры «нагрузки» S и «сопротивления» усталости R принимают распределенными по нормальному закону.
В качестве параметра «нагрузки» S исследуемой детали, в которой под действием переменных внешних воздействий возникают напряжения, изме 52 няющиеся по асимметричному циклу с амплитудой оа и средним значением от, а проектные размеры предварительно определены из условия статической прочности, принимается распределенная по нормальному закону случайная величина амплитуды эквивалентного по повреждающему действию симметричного цикла S = оаЭ [53, 73]: ааЭ=аа+у/а-ат/К, (1.19) где оа и от - характеристики цикла, определяемые по зависимостям «Сопротивления материалов» типа (1.16.а) зависимости от вида нагружения и характера цикла; у/а - коэффициент асимметрии, определяемый по зависимостям в функции аВ согласно ГОСТ 25.502-82; К - коэффициент, учитывающий суммарное влияние концентрации напряжений, масштабного фактора, качества поверхности, эксплуатационных факторов, технологических методов обработки и т.д. [53]. Средние значения оаЭ определяют по средним значениям параметров в условии (1.19), среднее квадратическое отклонение оааЭ или коэффициент вариации уааЭ по экспериментальным данным или принимают согласно справочным данным и рекомендациям работ [15, 40, 75]. Например, в среднем коэффициент вариации можно выбирать из диапазона vaаЭ = 0,1...0,15 [40].
В качестве параметра «сопротивления» усталости материала R принимается случайная величина предела выносливости R = a_1NТ, соответствующая заданным условиям эксплуатации: температуре ТЭ и числу циклов до разрушения N = nц за срок службы (пц - частота циклов нагружения; t - продолжительность нагружения до разрушения детали за срок службы). Среднее значение ограниченного предела выносливости, определяемого из уравнения экспериментальной кривой усталости, имеющей горизонтальный участок при N NG
Методология постановки краевых задач для проектной оценки безотказности и долговечности нагруженных элементов
1. Объект (технический объект) – такое изделие (предмет здесь машиностроительного производства), состояние которого изменяется при эксплуатации с течением времени. К ним относят технические комплексы, машины, агрегаты, установки, устройства, отдельные узлы, детали. [234]. В данной диссертации в качестве объектов рассматриваются элементы машин (механических систем) – детали, отдельные узлы и устройства наиболее ответственных механизмов металлургических агрегатов.
1. Состояние объекта - совокупность числовых значений параметров Хi(t) = Xti, характеризующих различные его свойства (показатели его качества, совершенства [234, 235]) в любой фиксированный момент Т =t времени [3, 234, 235]. Здесь i = 1...k , k -номер и число параметров.
2. Параметр Хt объекта - случайная физическая величина, распределен ная в произвольный момент времени T =t по какому – либо закону, и количест венно определяющая любое его свойство. К изменяющимся во времени параметрам Хt состояния объекта относят их геометрические, микрогеометрические, кинематические, силовые, деформационные, энергетические и другие характеристики. Для объемно нагруженных деталей за основной параметр Хt, отражающий их состояние на любой момент времени, обычно принимают максимальные напряжения, деформации или величины мощности, работы, энергии.
Для деталей узлов трения, причиной утраты работоспособности которых является повреждаемость и разрушение поверхностных слоев, которое согласно ГОСТ 27674-88 [97] проявляется в постепенном изменении их размеров, за основной параметр Хt, отражающий состояние узла на любой момент времени T = t, обычно принимают одну из двух геометрических характеристик [11, 14, 29-33, 40, 49]: - изменяющийся в результате поверхностного разрушения (изнашивания) линейный размер одной, наименее износостойкой детали; - изменяющееся в результате изнашивания сочетание размеров сопряженных деталей (зазор подшипников скольжения, натяг в соединении «вал -уплотнение» и др.).
3. Поведение (смена состояний) объекта во времени в процессе будущей эксплуатации - изменение значений параметра Хt со скоростью Xt = dxt I dt в течение некоторого периода времени О по определенному закону Xt = f(t) от начальной величины Х0 до значения Xt.
Поведение (смену состояний) объекта можно описать уравнением Xt = f(t), которое математически отражает закон его деградации (старения, повреждаемости). В общем виде закон деградации объекта для возрастающего (+) или убывающего (-) во времени параметра Хt может быть описан случайной функцией [236-250] вида: t Xt=X0±Xt=X0±$Xtdt, (2.1) о где Х0 - распределение параметра Xt в момент времени Т = t0, характеризующее исходное состояние объекта; t AXt = \xt-dt - изменение параметра Хt за период 0 + t с текущим значением скорости повреждаемости xt = dxt / dt.
3. Работоспособность (работоспособное состояние) объекта - состоя ние объекта, при котором значения его параметра состояния Хt, соответствуют требованиям нормативно - технической документации (НТД) [1, 40, 234]. Иначе, пока значения возрастающего параметра Хt меньше (или для убывающего параметра Хt больше) некоторого, назначенного в НТД предельного значения хпр, объект работоспособен - находится в работоспособном состоянии.
Математически условие его работоспособности в любой произвольный момент времени Т = t, может быть выражено, с учетом (2.1), одним из возможных неравенств:
Совокупность бесконечного множества работоспособных состояний объекта, для которых выполняются условия (2.2), определяет область его работоспособности [241-247]. 4. Надежность объекта - свойство объекта сохранять во времени работоспособность (работоспособное состояние) [1, 3, 11, 40, 234]. 5. Параметрическая надежность объекта - это свойство объекта, сохранять во времени значения параметра xt, в пределах, установленных НТД (в пределах, ограниченных значением хпр) [11]. (Исходя из определений, можно образно сказать, что надежность - это работоспособность объекта в течение периода времени 0, а работоспособность - это надежность объекта в момент времени t). Формами проявления надежности при эксплуатации являются «безотказность» или «долговечность», показатели которых позволяют количественно оценить надежность в двух различных условиях работы соответственно. 6. Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспо собное состояние (соответствовать неравенствам (2.2)) в течение некоторого времени [1], т.е. в условиях непрерывной работы. Главным количественным показателем безотказности объекта служит вероятность его безотказной работы p(t) - вероятность того, что в пределах заданной наработки Т отказ изделия не возникнет [1], т.е. вероятностью выполнения условий работоспособности (2.2) - значением функции F(xпр) распределения [47] для произвольного момента времени Т = t:
Теоретическая оценка моментов отказа образцов при их растяжении на разрывной машине
Оно выводится на основе какой-либо теории или экспериментальных исследований, и устанавливает функциональную связь числовых характеристик J и а у величины Y с геометрическими dt, микрогеометрическими At, кинематическими V , силовыми Fтр, энергетическими щ, Атр, Т параметрами процесса взаимодействия трибоэлементов, свойствами их материала а{ и временем t.
Чтобы полученная система (2.27)-(2.31) оказалась замкнутой и имела возможность единственного решения, необходимо получить в явном виде кинетическое уравнение повреждаемости (2.31) для определения числовых характеристик J и ау скорости повреждаемости (изнашивания) Y элемента (элементов), входящих во все уравнения и условия краевой задачи.
Вывод кинетического уравнения деградации элемента (элементов) «стационарных» сопряжений - теоретической зависимости для проектной оценки скорости их поверхностного разрушения на стадии конструирования без проведения модельных или натурных экспериментов, рассматривается в следующем подразделе при постановке краевой задачи.
Для вывода кинетического уравнения (2.31) повреждаемости и построения замкнутой (статически определимой) системы уравнений (2.26)-(2.31) краевой задачи теории надежности элементов сопряжений механических систем, разработан новый энерго-механический подход к описанию физических закономерностей процесса усталостного разрушения материалов поверхностных слоев.
Также, как и при проектировании объемно нагруженных деталей, в основу создания энерго-механического подхода положена термодинамическая теория прочности твердых тел В.В. Федорова и термофлуктуационная концепция С.Н. Журкова [66, 67, 68, 71, 108, 145, 173 и др.]. Однако для вывода чисто теоретической зависимости для оценки скорости поверхностного разрушения (изнашивания) деталей на стадии конструирования без проведения модельных или натурных экспериментов, дополнительно использована молекулярно-механическая теория трения и усталостного изнашивания И.В Крагельского [49-51, 76, 77, 92, 102, 107, 113, 321].
Согласно базовым положениям эргодинамики [66, 67, 108], в качестве модели трения принимается модель упруго-пластической деформации материалов тонких поверхностных слоев. Она обобщает известные представления о фрикционном взаимодействии и как о процессе сопротивления относительному перемещению поверхностей трибоэлементов, и как о процессе преобразования энергии внешнего механического движения в энергию других видов движения.
Относительное перемещение в поле внешних сил реальных поверхностей трибоэлементов, характеризуемых волнистостью, микро-, и субмикрошерохо-ватостью с большим диапазоном рассеивания высотных и шаговых параметров, приводит к тому, что их непосредственный контакт осуществляется на дискретных участках, фактическое давление на которых уравновешивает внешние нагрузки. Согласно многочисленным исследованиям [50, 107, 132, 322, 323 и др.] давление на фактической площади контакта, которая в 104 – 105 раз меньше номинальной [92], значительно превышает предел текучести более мягкого материала и коррелирует со значением его твердости по Бринеллю.
Высокие контактные нормальные и касательные напряжения, возникающие при трении, создают условия для активации в локальных микрообъемах поверхностных слоев процесса упруго-пластической деформации материалов.
При этом полагается, что упруго-пластическая деформация является главным активирующим фактором, как самого процесса трения, так и всех сопутствующих ему явлений (адгезии, фазовых превращений, химических реакций, тепловых и акустических эффектов), а также повреждаемости и разрушения (изнашивания) поверхностей, сопровождающихся диссипацией энергии механического движения на различных масштабных уровнях [68, 108].
При проектировании узлов трения, когда предполагается их нормальная работа, наиболее общей формой повреждаемости и разрушения поверхностей является фрикционная термоусталость - процесс постепенного накопления повреждений и разрушения (изнашивания) микрообъемов материала поверхностных слоев в результате многократного (циклического) совместного теплового и силового воздействий [69, 285, 291, 315-320].
Несмотря на то, что усталостное изнашивание является результатом многоэтапного синергетического процесса трения сложнейшей механо-физико-химической природы, сопровождаемого: -неоднородностью материалов поверхностных слов; - неравномерностью тепловых и силовых воздействий вследствие дискретности фрикционного контакта; - наличием как поверхностной, так и подповерхностной локализации переменных по знаку и величине внутренних напряжений, возникающих под действием знакопеременных внешних нагрузок; - различным характером упругопластических деформаций, изменяющимся по высоте поверхностного слоя и др., в данной работе для его аналитического описания используется тот факт, что на макроуровне изнашивание проявляется как синхронное макроскопическое разрушение материала поверхностного слоя на всей поверхности трения каждого трибоэлемента [68].
Оценка долговечности привода по критериям прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни
Предложенный вариант реконструкции привода с изменением направления вращения печи на противоположное, рекомендован к промышленному внедрению на ОАО «МЦОЗ» группы компаний ОАО «ММК» [340]. Реконструкция привода была успешно выполнена в течение сорокасуточного ремонта в декабре - январе 2012 - 2013гг. Наблюдения за работой оборудования в течение 2013 года показывают отсутствие его внезапных отказов по критериям прочности нагруженных элементов, см. приложение 1.
1. Установлено, что причиной внеплановых простоев привода вращения обжиговой печи D-4,5хL-125 после примерно четырех лет безотказной работы, явились его внезапные отказы по критериям нарушения прочности и разрыва в первую очередь болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни открытой зубчатой передачи, затем траверсы крепления зубчатого венца, далее сварных швов ее крепления к корпусу печи и др.
2. Моделированием процесса повреждаемости материала болтов с использованием общей методики проектной оценки долговечности элементов, разработанной во втором разделе, установлена объективность возникновения описанных выше отказов: - средний расчетный срок службы для краевых условий нагружения элементов привода исходной конструкции не превышает t (3,49 + 4,62) /2-4,1 года; - по истечении указанного срока плотность энергии дефектов структуры материала достигает предельного значения и =10,4 Дж/мм3, соответствующего энтальпии материала в жидком состоянии AHS = 10,5 Дж/мм3, что и является объективной причиной разрушению болтов крепления и отказа привода по этой причине.
3. Для устранения причин возникновения отказов предложены два экви валентных варианта реконструкции привода печи - его перенос на противопо 215 ложную от печи сторону, или смена направления вращения печи на противоположное. Экономически целесообразным оказался второй вариант.
4. Проектная оценка долговечности привода новой конструкции показала, что ожидаемый ресурс новой конструкции превышает t 1012 с 4104 лет, что исключает возникновение его внезапных отказов с вероятностью безотказной работы, близкой к единице.
5. Предложенный вариант реконструкции привода внедрен в 2013 году на ОАО «МЦОЗ» группы компаний ОАО «ММК».
Плунжерным гидроцилиндром называется объемный гидродвигатель, в котором ведомое звено (плунжер) совершает ограниченное возвратно-поступательное движение. (ГОСТ 17752-81 (СТ СЭВ 2455-80)) [341]. С помощью гидроцилиндров происходит преобразование энергии потока рабочей жидкости в энергию механического движения плунжера.
Плунжерные исполнительные гидроцилиндры системы уравновешивания рабочих валков (ГЦ СУВ) клетей станов горячей листовой прокатки монтируются в подушках нижних рабочих валков по два на каждой. Они предназначены для уравновешивания массы рабочих валков с подушками и обеспечения плотного прилегания поверхностей рабочих и опорных валков для исключения их пробуксовки. Рабочей жидкостью является индустриальное масло И-20А, давление в системе составляет ргс =10 МПа. Принципиальное устройство исполнительного гидроцилиндра представлено на рис. 5.1.
В процессе прокатки из-за разности зазоров lпер между подушками верхнего и нижнего рабочих валков со стойками станины клети, возникает результирующая сила Ft , момент опрокидывания плунжера 1 от которой, уравновешивается моментом сил реакций Nвт нажимной 4 и направляющей 6 втулок. Резкие скачки динамических нагрузок на рабочие валки при входе и выходе из них полосы, деформация станины и других элементов клети вызывает вертикальные перемещения (0,05–3 мм) плунжера [342] и приводит к интенсивному неравномерному изнашиванию крайних участков втулок 4 и 6, поверхности уплотнений 2 и соответствующих участков плунжера 1.
В первую очередь изнашиваются уплотняющие резинотканевые манжеты, средний ресурс которых составляет в среднем 0,27 месяца. При нарушении работоспособности уплотнений происходит разгерметизация уплотнительного узла цилиндра и, как следствие, утечка рабочей жидкости. Их интенсивный износ, особенно при попадании в контакт абразивных частиц, ухудшает герметичность уплотнения, в рабочую полость гидроцилиндра через образовавшийся зазор попадают продукты износа, пыли и окалины, которые резко увеличивают скорость изнашивания поверхностей плунжера и бронзовых втулок.
Кроме того, попадание в контакты трения промышленной воды из системы охлаждения валков вызывает окислительное разрушение поверхностей трения, что усугубляет износ элементов гидроцилиндров и приводит к обводнению рабочей жидкости. Предельная величина радиального износа бронзовых втулок составляет 0,8 мм. Такой зазор недопустим в конструкции, так как протечки масла между втулками и плунжером приводят к значительным потерям рабочей жидкости, снижают давление в рабочей полости гидроцилиндра, что требует остановки стана и проведение аварийной смены валков. Превышение указанного значения приводит к «выдавливанию» манжет в зазор между плунжером и втулкой - повреждению уплотнений, и требует ревизии гидроцилиндра с заменой бронзовых втулок и реставрации плунжеров.
При исчерпании ресурса гидроцилиндра, установленного для каждой клети опытным путём, подушку рабочих валков передают на ревизию, которая заключается в следующем. После разборки цилиндра изношенные уплотнения убираются, бронзовые втулки замеряют на соответствие внутреннего диаметра чертёжному размеру и при необходимости заменяют новыми. Плунжер подвергается визуальному осмотру и в соответствии с состоянием рабочей поверхности, назначается способ его восстановления.
Причиной высокой интенсивности повреждаемости элементов фрикционных пар следует считать в первую очередь тяжёлые условия работы исполнительных гидроцилиндров, особенно из-за наличия в атмосфере мелкодисперсной разгарной окалины, возникающей как при прокатке полос в очаге деформации, так и при удалении ее гидросбивом. Взвешенные частицы оседают на поверхности плунжера и при его колебательном перемещении после прохождения концов полосы в клети, возникает возможность их попадания в образующийся зазор пар трения при условии нарушения герметичности уплотнений и увеличении внутреннего диаметра бронзовых втулок выше критического значения при возникающем в этом случае абразивном изнашивании.
