Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. задачи исследования 8
1.1. Аналитический обзор способов гофрообразования оболочек II
1.2. Анализ исследований гофрообразования оболочек компенсаторов гидравлическим способом 22
1.3. Сравнительный анализ исследований гидрогофро-образования оболочек сильфонов и компенсаторов . 25
Выводы. Задачи исследования 32
2. Теоретическое исследование процесса ипользования оболочек компенсаторов 34
2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в первой стадии процесса . 36
2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в конечной стадии процесса . 51
2.3. Устойчивость заготовки и ее предельные деформации 70
Выводы... .. 79
3. Экспериментальное исследование процесса гидрогофро оболочек компенсаторов 80
3.1, Методика проведения исследований 80
3.1.1. Анализ определяющих параметров процесса. 80
3.1.2. Содержание и последовательность экспериментальных исследований 83
3.1.3. Исследуемые металлы 86
3.1.4. Оборудование и оснастка для экспериментов 88
3.2. Результаты экспериментальных исследований . 90
3.3. Сравнение экспериментальных данных с результатами аналитических решений 115
3.4. Разработка технологических рекомендаций по оп
ределению основных параметров процесса 123
Выводы 130
4. Реализация результатов работы в промышленности . 132
4.1. Технико-экономические показатели внедрения . 132
4.2. Результаты промышленного использования 135
Выводы.. 137
Заключение и ощие выводы 138
Литература
- Анализ исследований гофрообразования оболочек компенсаторов гидравлическим способом
- Сравнительный анализ исследований гидрогофро-образования оболочек сильфонов и компенсаторов
- Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в конечной стадии процесса
- Содержание и последовательность экспериментальных исследований
Введение к работе
"На основе проведения единой технической политики во всех отраслях народного хозяйства ускорить техническое перевооружение производства, широко внедрять прогрессивную технику и технологию, обеспечивающие повышение производительности труда и качества продукции...", - так определил основные направления развития народного хозяйства страны ХХУІ съезд КПСС
Одним из условий технического прогресса в химической,нефтяной, газовой и некоторых других отраслях промышленности является интенсификация различных технологических процессовдостигаемая путем применения повышенных рабочих параметров - высоких температур и давлений, что в свою очередь, обуславливает необходимость непрерывного совершенствования конструкций технологического оборудования, его отдельных узлов и деталей.
Так, уже в настоящее время традиционные штампо-сварные гибкие элементы компенсирующих устройств - компенсаторов не обеспечивают надежной и долговечной работы многих химических аппаратов и трубопроводов в диапазонах рабочих температур от -70°С до +600°С и давлений до 10 МПа (100 кгс/см2) из-за наличия сварных кольцевых швов, находящихся обычно в зонах максимальных касательных напряжений.
Необходимость удовлетворения нужд быстро развивающейся техники химического машиностроения настоятельно требует создания компенсаторов, надежно работающих при повышенных рабочих параметрах, однако существующие на заводах, выпускающих химическое оборудование, методы их изготовления не обеспечивают возможности изготовления компенсаторов без кольцевых сварных швов.
Решение проблемы производства компенсаторов без кольцевых сварных швов, отвечающих современным требованиям, в значитель-ной степени определяет возможности дальнейшего совершенствования изделий во многих отраслях машиностроительной техники.
Решению указанной проблемы в области производства компенсаторов для химического машиностроения посвящена настоящая работа.
Основными научными и практическими результатами диссертационной работы являются:
1. Разработка технологического процесса изготовления гибких элементов компенсаторов на повышенные рабочие параметры;
2. Разработка инженерных рекомендаций по выбору необходимых технологических параметров на основании уточненного характера течения металла в очаге деформации при гидрогофрообразо-вании коротких цилиндрических оболочек с разнообразной геометрией гофр, полученных решений по каждой стадии деформирования с выводами формул для определения деформаций, напряжений и силовых параметров, а так же установленной их взаимосвязи и их критических значений из условий устойчивости заготовки на всех стадиях ее деформирования.
3. На основании проведенных исследований разработана технология, спроектированы и изготовлены средства технологического оснащения для промышленного производства гофрированных элементов компенсаторов Ду = 250x1200 мм в условиях НПО "Пензхим-маш" (г.Пенза) и завода "Павлоградхиммаш" (г.Павлоград). Экономический эффект от внедрения составил 153,2 тыс.рублей.
4. Настоящая работа является составной частью плановых научно-исследовательских работ ВНИИПТХиммаша (г.Пенза) в области технологии и работ ВНИИнефтемаш (г.Москва)в части конструкции компенсирующих устройств.
Анализ исследований гофрообразования оболочек компенсаторов гидравлическим способом
Исследованиям процесса гидрогофрообразования оболочек компенсаторов посвящены работы В.И.Фролова Г65, 66, 67J , А.П.Сидоренко и А.В.Спиридонова [49, 5б] , Ю.И.Берлинера [l4 , 15, 16, 17, 18] .
Во всех работах процесс формообразования гофр разделяется на два этапа или стадии: - выпучивание стенки заготовки между секциями матрицы под воздействием только внутреннего давления жидкости; - формообразования гофр компенсатора заданной геометрии при одновременном воздействии внутреннего давления жидкости и жесткого осевого сжатия.
Направлением исследований в работах В,И.Фролова [65, 66, 67 J является отыскание оптимальных внешних силовых факторов, определение исходной длины заготовки и изучение процесса уто - 23 ,нения стенки заготовки в ходе деформирования. Автор применяет упрощенные положения прочностных расчетов оболочек с введением соответствующих коэффициентов, учитывающих упрочнение металла и утонение стенки заготовки. Получив внешние силовые факторы для конца первой стадии деформирования, автор распространяет их на вторую стадию с незначительной корректировкой. Во всех этих работах охватывается область гофрообразования оболочек компенсаторов от Ду = 150 мм до Ду = 700 мм.
На основе исследований ЦНИИТСа и экспериментальных данных работы [74J выведены эмпирические выражения для определения только внешних силовых параметров процесса гидрогофрооб-разования оболочек компенсаторов в области от Ду = 250 до Ду = 3000 мм [49, 56
Другой вид эмпирической зависимости только необходимого внутреннего давления при гидравлической формовке гибких элементов компенсаторов от Ду =150 до Ду = 400 мм приводится в работах [14, I7J . Для такой же области компенсаторов на экспериментальной основе в работах [15, 16, I8J определяются зависимости для расчета исходной длины заготовки, утонения стенки, а также рассматриваются параметры точности секций матриц, формующих гофры по ширине.
Сопоставление всех работ показывает, что общей областью всех исследований является размерный диапазон компенсаторов от Ду = 250 до Ду = 400 мм, В этой общей области можно провести сравнение всех рассмотренных выше работ по их рекомендациям для определения технологических параметров во второй стадии процесса формообразования гофр. Для этого достаточно провести расчеты по двум реальным гофрированным элементам, имеющим конструктивные размеры в соответствии с размерным диапазоном общей области исследований (рис. 1.9).
Нисколько не умаляя важности теоретических и экспериментальных исследований в рассмотренных работах,следует отметить, что в них исследован относительно узкий круг вопросов по определению технологических параметров гофрообразования оболочек компенсаторов от Ду = 150 до Ду = 700 мм без учета влияния многих важных факторов на процесс деформации и совершенно не исследованы явления потери устойчивости заготовки при деформировании, а также ее предельные деформации.
Важное значение может иметь и возможность использования результатов исследований процесса гидрогофрообразования оболочек сильфонов при гидрогофрообразовании оболочек компенсаторов для создания специализированного производства компенсаторов,
Эти возможности могут быть выявлены путем применения основных положений теории моделирования, исходящей из законов подобия, в силу которых процессы гофрообразования оболочек сильфонов (условной модели) и компенсаторов (условной натуры) будут происходить подобно, если обеспечиваются условия: - геометрического подобия оболочек сильфонов и компенсаторов; - однозначности величин, характеризующих оба процесса; - равенства критериев подобия, составленных из величин, характеризующих оба процесса Г27] . С помощью методов применения основ теории подобия и моделирования мозкно исследовать: закономерности формоизменения металлов; деформированное состояние металла в различных условиях обработки давлением; влияние пластической деформации на изменение структуры и свойств металлов; влияние различных схем напряженно-деформированного состояния на поведение металла; влияние различных факторов на сопротивление деформированию; распределение напряжений; определяющие параметры процессов при освоении новых материалов; новые технологические процессы [50] .
Сравнительный анализ исследований гидрогофро-образования оболочек сильфонов и компенсаторов
Если изобразить расчетные данные табл. 1.3 графически (рис. I.II) (в логарифмических координатах), то можно определить область геометрического подобия оболочек компенсаторов и сильфонов, которая ограничивается размерным диапазоном компенсаторов от Ду = 500 мм до Ду = 800 мм.
Остальные необходимые условия моделирования определяются непосредственно в процессе анализа исследований операции гидро-гофрообразования оболочек сильфонов.
Профессор И.А.Норицин [42 J , решая задачу по изучению отдельных фаз технологии изготовления сильфонов, определяет силовые параметры и деформации как функции угла выпучивания JJ , который, в свою очередь, является функцией исходной длины заготовки и меридионального радиуса выпучивания R (рис. I.I2).
Таким образом, в данной работе длина заготовки и меридиональный радиус выпучивания являются основными из всего комплекса величин, которые характеризуют процесс деформирования сильфонов, и, как однозначные величины, могут также характеризовать процесс деформирования при гофрообразовании компенсаторов [65, 66, 67].
Сопоставление выражений (I.I) с (1.4) и (1.2) с (1.3) показывает, что длина заготовки І,о и меридиональный радиус выпучивания А как однозначные величины характеризуют процессы деформирования при гофрообразовании сильфонов и компенсаторов, но не имеют равных по величине критериев подобия.
Следовательно, если не учитывать другие характерные для обоих процессов величины, то есть основание считать, что выводы работы [.42 J по силовым параметрам и исходной длине заготовки нельзя использовать в области исследования процесса деформирования при гофрообразовании компенсаторов.
Необходимо отметить и то, что при гидрогофрообразовании оболочек сильфонов, имеющих внутренний диаметр$-У 100 мм,ве личина максимального угла выпучивания JL/nctx C 5, а поэтому \ проф. И.А.Норицин рекомендует применять результаты своих исследований при изготовлении сильфонов с $ — 100 мм.
Выводы по определению возможностей использования разработок проф. И.А.Норицина в области исследования процесса гид-рогофрообразования оболочек компенсаторов содержатся и в работах авторов В.П.Анисифорова, И.И.Казанской, Л.П.Котельнико-ва, Б.Ф.Садковского [7] , Б.і.Садковского, Л.П.Котельникова,
. И.И.Казанской [48 J , А.И.Крюкова, И.М.Глинкина, В.И.Фионина [36J и Е.Д.Головацкого [23J , которые в своих исследованиях процесса гидрогофрирования оболочек сильфонов рассматривают радиальный очаг деформаций, а напряжение и деформации определяют как функции угла выпучивания стенки заготовки$С определяемого, в свою очередь, как функцию исходной длины заготовки to и меридионального радиуса выпучивания R Л.Н.Со-кирко [54J и S.StSef, K.KyCZyask [75] считают, что при гид \/ рогофрообразовании оболочек сильфонов на стадии одновременного воздействия внутреннего давления и жесткого осевого сжатия необходимое для формообразования давление непрерывно увеличивается. Авторы обеих работ приходят к выводу о том, что в процессе деформации от соотношения величин внутреннего давления и усилий осевого сжатия образующая заготовки может иметь прямые, выпуклые и вогнутые участки по наибольшему диаметру выпучивания. Оптимальными условиями они считают такие, при которых образующая заготовки сохраняет прямой участок по наибольшему диаметру выпучивания в течение всего процесса деформирования.
Анализ напряженно-деформированного состояния заготовки в конечной стадии процесса
В этой стадии осуществляется процесс окончательного формообразования гофр заданной геометрии под одновременным воздействием на заготовку внутреннего давления жидкости и жесткого осевого сжатия.
В начальный момент конечной стадии процесса осевому сжатию подвергается предварительно деформированная заготовка, находящаяся в упруго-пластическом состоянии от действия внутреннего давления. При этом заготовка имеет геометрию, полученную в результате конечных деформаций первой стадии процесса.
Таким образом, необходимо рассмотреть замкнутую цилиндрическую оболочку, имеющую очаг пластических деформаций, который состоит из участков I и Ш (рис. 2.9). Уравнение равновесия для общего случая осесимметричного (2.52) где ]) - коэффициент трения; ус- угол между касательной плоскостью к образующей срединной поверхности и осью симметрии оболочки. В начальный момент второй стадии процесса деформирования заготовка не соприкоснется с гравюрами секций матриц, а поэтому на ее внешней поверхности силы трения отсутствуют, или для всего очага деформаций ]) - 0 (силами трения между жидкостью и внутренней поверхностью заготовки можно пренебречь). Но ищ ])=Ов уравнении (2.59) пропадает член который определяет влияние широтной и меридиональной кривизны оболочки на ее условия равновесия, а значит, и на распределение напряжений. Следовательно, уравнение равновесия для всех участков рассматриваемого очага деформаций будет иметь следую-щий вид: - 53 $Ич - -л (2.53)
А так как в начальный момент второй стадии процесса оболочка имеет геометрию, полученную в результате конечных деформаций первой стадии, то можно считать толщину ее стенки по (2,18), или для всего очага деформаций Q (г = (д . Условие пластичности для разноименного напряженного состояния [46 J : фэ2 - об 2 -K es (2,54) где - К 1. Если (2.18) и (2.54) подставить в (2.53), то будет получено дифференциальное уравнение Pi& -6jh. У(рО -K 6s-07 (2.55)
Интегрирование функций, входящих в уравнение (2.55), приводит к нерешаемым интегралам. Поэтому решение (2.55) может быть получено с определенным приближением к точному решению. Общее приближенное решение уравнения (2.50) будет: По граничному условию, когда (2.58) меридиональное напряжение по торцам оболочки r(R)-"Q. (2.59) - 54 Подставляя (2.59) в (2.57), находим меридиональное напряжение как результат частного решения дифференциального уравнения (2.55). 6jb=K 6s (f-i)-4-&(jr+0. (2.60) Совместное решение (2.54) и (2.60) дает выражение окружного напряжения (2.61) 6 = & -4 (4+1). R г R В конце первой стадии процесса нагруженная внутренним 30ОЮЧЮ ИМвеТ Напряженно-деформированное состояние с определенной интенсивностью напряжений (оИ ш (QS И деформаций Qc/ , или характеризуемое точкой I на диаграмме растяжений ЮІ - 5і (рис. 2.10). 54/ Рис. 2.10. Диаграмма растяжений (QI - Q с
Очевидно, для сохранения активной формы пластических деформаций в начальный момент второй стадии процесса необходимо, чтобы оболочка, нагруженная внутренним давлением и осевой силой сжатия, имела напряженно-деформированное состояние, характеризуемое также точкой I на диаграмме растяжений Od _ г [48, 51J . Это условие можно записать следующим образом: - 55 6s -б . (2 б2) Eli = Еіг где Су 11 интенсивность деформаций начального момента второй стадии процесса Если теперь использовать связь напряжений и деформаций по [ 50 ] в форме 2(oPz. (Q@z_ "Юрг.- Ю&2._ 2 &вг. - c pz ( J?6 2. 15&Z gl / 63) то можно выразить деформации начального момента второй стадии процесса через напряжения следующим образом: окружная г 2.&&Z - (Еэ/dz ./ 2&S oaz = т т— о L меридиональная ор2 - (oaz с .v = J „ ) С сі (2.64) г - э& г. радиальная CJZZ 2(6. d J
Если в первой стадии процесса требование минимального утонения стенки заготовки удовлетворяется путем обеспечения минимально необходимого прогиба стенки, то, начиная с начального момента второй стадии процесса, это требование может быть обеспечено за счет минимально допустимой радиальной деформации. А так как СХг &Р бб » т0 ее значение определяется напряженным состоянием оболочки или отношением напряжений :
Содержание и последовательность экспериментальных исследований
Несоответствие между (2.81) и (3.1) в числовом исчисле нии при -—? 0,7 достигает 20%, что приводит к значи тельной разнице результатов аналитических решений, полученных на основе соотношений (2.81) и (3.1). Экспериментальные исследования позволяют уточнить закон изменения толщины стенки заготовки в процессе гидрогофрообразования оболочек компенсаторов. Длина и форма меридиональной образующей гофр в очаге деформаций определяется исходной длиной заготовки.
Если в первой стадии процесса под действием внутреннего давления меридиональная образующая заготовки получает прогиб стенки и удлинения, незначительные по величине и неравномерные по очагу деформаций [28] , то во второй стадии под одновременным воздействием внутреннего и осевого давлений длина образующей уменьшается с увеличением прогиба стенки, причем тоже неравномерно по участкам очага деформаций.
Закономерности изменения длины и формы меридиональной образующей заготовки, найденные аналитическими решениями в обеих стадиях процесса на основе ряда допущений, дают только приближенные математические выражения [28] . Только экспериментальные исследования позволяют получить окончательные выводы о характере изменения длины и формы меридиональной образующей заготовки в течение всего процесса деформирования.
Предельные деформации заготовки определяют возможности процесса гидрогофрообразования по получению заданных геометрических размеров гофр в принятых схемах деформаций и напряжений. При этом величины предельных деформаций определяются условиями устойчивости заготовки при ее деформировании как «в упругих, так и пластических зонах.
Как уже говорилось, в настоящее время не существует полного и единого понимания механизма потери устойчивости заготовок в условиях изучаемого процесса, следовательно, объективную оценку явления устойчивости можно получить решением в экспериментальном плане конкретных и инженерных задач при заданной схеме деформирования [ЗЗ, 35] .
Внутреннее давление и давление жесткого осевого сжатия, как силовые параметры, определяют весь ход и условия управления процессом формообразования. Естественно, изучение их развития и взаимосвязи между собой, а также с другими параметрами процесса являлось одной из главных задач экспериментальных исследований.
Экспериментальные исследования процесса гидрогофрообра-зования оболочек компенсаторов проводились путем изготовления натурных образцов, а также образцов-моделей. Натурные образцы изготавливались согласно требованиям нормалей [76, 77, 78, 79, 80] Необходимые данные, характеризующие геометрию натурных образцов гофрированных элементов (рис. 3.1), приведены в табл. 3.1. Характеристики образцов-моделей даны в табл. 3.2.
Материал натурных образцов и образцов-моделей: Ст. В 3 СП ГОСТ 380-71, I2XI8HI0T ГОСТ 5949-75, I0XI7HI3M2T ГОСТ 5949-75.
Формы гофр исследованных образцов Форма заготовок для исследования - замкнутая цилиндрическая оболочка, имеющая от одного до трех продольных сварных швов, выполненных в соответствии с требованиями ГОСТ 5269-80. ной 2. Tt RD - І»бЛ? "с отклонением до 0,15% в меньшую сто-рону. На поверхности заготовок допускались местные вмятины и выпучины, которые могли искажать теоретическую" геометрию в радиальном направлении не более чем на величину + 2/fo , а по поверхности заготовки - не менее 10 Оо .
Закономерности изменений текущего радиуса Ос , толщины стенки 01 и меридиональной длины ьі заготовки исследовались по конечным деформациям каждой стадии процесса путем применения экспериментального метода искаженных сеток, базирующегося на основных положениях теории конечных деформаций [50 J.
Последовательное изменение геометрии очага пластических деформаций до получения окончательной формы гофр изучалось на меридиональных образцах, вырезаемых в различные моменты по ходу деформирования.
Закономерности развития силовых параметров по ходу процесса экспериментально исследовались путем последовательного замера давления жидкости внутри заготовки и одновременного замера усилий осевого сжатия в различные периоды деформирования по заданным величинам и направлениям деформаций. Изучение влияния различных по величине силовых параметров на развитие очага пластических деформаций позволяет установить взаимосвязи между силовыми параметрами, а также их взаимосвязи с деформациями. Установленные взаимосвязи параметров процесса позволяют определить предельные деформации заготовки, а также найти оптимальные условия для формообразования гофр по заданной геометрии.
