Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и перспективы развития технологии производства подвижных канатов из пластически обжатых прядей (литературный обзор)
1.1. Область применения, конструкции, классификация и требования, предъявляемые к стальным канатам
1.2. Свивка прядей и канатов
1.2.1. Направления повышения работоспособности подвижных канатов
1.3. Современное состояние и направления развития технологии пластического обжатия прядей подвижных канатов
1.3.1. Глубокое обжатие прядей
1.3.2. Способы оценки степени пластического обжатия пряд
1.3.3. Калибрующее обжатие прядей
1.4. Расчетные методики оценки процесса обжатия пряди
1.4.1. Существующие способы расчета передачи давления внутрь пряди при пластическом обжатии
1.4.2. Существующие способы анализа формоизменения проволок обжатых прядей 30
1.5. Применение конечно-элементного моделирования при проектировании технологических операций в канатном производстве 35
ГЛАВА 2. Исследование процесса калибрующего обжатия многослойной пряди 40
2.1. Разработка методики расчета передачи давления внутрь многослойной пряди при обжатии 40
2.2. Разработка методики расчета ширины контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии пряди 48
2.3. Методика выбора эффективного режима калибрующего обжатия многослойной пряди 58
Выводы 68
ГЛАВА 3. Исследование изменения геометрических параметров и механических свойств проволоки при калибрующем обжатии пряди 69
3.1. Методика проведения экспериментов по исследованию изменений механических свойств проволок и прядей при обжатии 69
3.2. Изменение ширины контактных площадок проволок 73
3.3. Исследование факторов, влияющих на поворот пряди и проволок при силовой обработке 75
3.4. Изменение кривизны площадок контакта проволок в процессе обжатия... 77
3.5. Исследование изменений механических свойств проволок пластически обжатых прядей 79
3.5.1. Анализ изменения предела прочности проволок обжатых прядей 79
3.5.2. Анализ изменения относительного удлинения, количества скручиваний и перегибов проволок обжатых прядей 82
3.5.3. Анализ изменения микротвердости по сечению проволок обжатых прядей 85
Выводы 89
ГЛАВА 4. Компьютерное моделирование процесса калибрующего обжатия пряди в программном комплексе «deform-3d». рекомендации по промышленному применению калибрующих обжатий многослойных прядей подвижных канатов
4.1. Разработка модели пластического обжатия пряди в программном комплексе «DEFORM-3D» 91
4.2. Определение факторов, влияющих на ширину, кривизну и форму контактных площадок проволок при обжатии пряди 93
4.2.1. Кривизна контактных площадок проволок при обжатии пряди 94
4.2.2. Изменение формы межпроволочного контакта в зависимости от степени обжатия пряди 96
4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния пряди и ее элементов при обжатии в роликовой волоке 98
4.3.1. Моделирование процесса обжатия проволоки верхнего слоя пряди 98
4.3.2. Моделирование процесса обжатия пряди в программном комплексе «DEFORM-3D» 106
4.3.3. Оценка напряженного состояния проволок обжатой пряди 111
4.4. Рекомендации по промышленному применению калибрующего обжатия многослойных прядей подвижных канатов 113
Выводы 116
Заключение 117
Библиографический список 119
- Направления повышения работоспособности подвижных канатов
- Разработка методики расчета ширины контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии пряди
- Исследование факторов, влияющих на поворот пряди и проволок при силовой обработке
- Определение факторов, влияющих на ширину, кривизну и форму контактных площадок проволок при обжатии пряди
Направления повышения работоспособности подвижных канатов
Стальные канаты представляют собой гибкие изделия, состоящие из стальных проволок круглого или фасонного сечения навитых вокруг органического или металлического сердечника (рисунок 1.1). Они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: угольной, горнорудной, нефтегазодобывающей, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении. Эффективность использования канатов в значительной степени определяется правильностью их выбора, расчета и эксплуатации. Классификация и технические требования к стальным канатам из круглых проволок установлены ГОСТ 3241-91, а также зарубежными стандартами: немецким DIN 3051, британским BS 302, американским RR-W-410, итальянским UNI 7291, японским ЛБ G 3525, французским NF А 47-205, ISO 2408, EN 12385 и
ДР- [1]. В соответствии с государственными стандартами [2-4], канаты классифицируются по следующим признакам: конструкции, форме поперечного сечения, типу касания проволок между слоями, материалу сердечника, способу свивки, степени уравновешенности, степени крутимости, механическим свойствам, виду покрытия поверхности проволок в канате, назначению, точности изготовления и направлению свивки каната.
В отечественной практике сложился принцип деления канатов по назначению на грузовые, стреловые, тяговые, вантовые, несущие, направляющие, подъёмные и уравновешивающие (в шахтах), ваерные и др. [5]. Такая классификация не является строгой и носит отпечаток специфики отраслевой терминологии.
В соответствии с зарубежной классификацией [1], канаты разделены на четыре группы: подвижные канаты (Laufende Seile), которые огибают блоки, шкивы и барабаны и при этом принимают их кривизну. К этой группе относятся подъёмные, стреловые и тяговые канаты кранов и экскаваторов, тяговые канаты подвесных канатных дорог, подъёмные шахтные канаты, ваерные канаты и т.п.; неподвижные канаты (Stehende Seile), которые не огибают блоки, а их концы жёстко закреплены. Сюда относятся растяжки мачт и стрел, ванты, направляющие канаты в шахтах и т.п.; несущие канаты (Tragseile), по которым перемещаются ролики транспортных средств, причем радиус кривизны несущего каната остается значительно большим, чем радиус ролика. В основном, это несущие канаты подвесных канатных дорог и кабельных кранов; такелажные канаты (Anschlagseile), служащие для подвески или обвязки груза (стропы, петли и т.п.).
В соответствии с требованиями ГОСТ 3241-91, стальные канаты должны изготовляться из проволоки по ГОСТ 7372-79 [6-8] с использованием органических сердечников по ГОСТ 5269-93 или прочих нормативно 12 технических документов (НТД) непропитанных или пропитанных по
ГОСТ 15037-69 и смазки по ГОСТ 20458-89 или прочих НТД. По требованию потребителя, канаты изготовляются несмазанными полностью или с несмазанной наружной поверхностью.
В технических требованиях, заявленных в ГОСТ 3241-91, отмечены конструктивные и технологические параметры канатов: диаметры проволок в канатах должны соответствовать требованиям стандартов на сортамент, допускается уточнение диаметров проволок в пределах до ±0,1 мм, при этом равные диаметры проволок одного слоя изменяются на одинаковую величину. При уточнении диаметра проволоки, диаметры канатов не должны выходить за пределы, установленные ГОСТ 3241-91; равномерный шаг свивки элементов по всей длине каната. Шаг свивки наружного слоя проволок в прядях должен составлять не более 9 диаметров пряди в канатах линейного касания проволок и 11 диаметров пряди в канатах точечного касания проволок. Шаг свивки канатов должен составлять не более 6,5 диаметров в шестипрядных канатах.
В канате не должно быть западающих, перекрещивающихся и оборванных проволок, западающих прядей. Канаты с органическим сердечником могут иметь зазоры между прядями, при этом диаметр каната не должен превышать предельных отклонений. Допускается зазор между прядями в канатах с металлическим сердечником и выступающий ворс органического сердечника в канатах с органическим сердечником.
Разработка методики расчета ширины контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии пряди
Новым этапом в решении проблемы повышения адекватности расчетов напряженно-деформированного состояния канатов, срока их службы, моделирования процессов силовой обработки канатов и их нагружения при эксплуатации, с возможностью проведения визуального анализа результатов, является применение существовавшего ранее метода конечно-элементного моделирования (МКЭ) [102-112] на новом уровне, с использованием пакетов прикладных программ: ABAQUS, MARC, DYNA, DEFORM-3D (США); FORGE (Франция); QFORM, РАПИД, SPLEN (Россия) др. [102-106].
Решение задачи определения напряженно-деформированного состояния каната с помощью МКЭ с использованием программы ANSYS-7 предложено авторами работы [102]. Модель каната конструкции 1+6, с разбивкой на 2016 элементов, подвергалась растяжению вдоль оси при жестком защемлении одного торца. При этом наблюдалось перемещение проволок, перегруженность центральной проволоки и неравномерность напряжений, максимальные из которых сконцентрированы в области межпроволочного контакта. Полученное значения напряженно-деформированного состояния позволяет судить о прочности конкретного каната. Недостатком предложенной методики является применение расчетной схемы к простой конструкции каната, не являющейся универсальной, методика также не решает задачи расчета напряженно-деформированного состояния каната при его силовой обработке.
Авторами работы [103] применен МКЭ с использованием программы ANSYS-7 для определения напряженного состояния в спиральном канате конструкции 1x7. В работе отмечается неравномерность напряженного состояния каната: величина напряжений возрастает от наружной поверхности проволок повива к центральной проволоке, которая к тому же находится под действием растягивающего напряжения. Зоны межпроволочного контакта, будучи концентраторами напряжений, представляют собой исходные точки разрывов проволок. Автором работы отмечена перспективность совместного применения МКЭ и экспериментальных методов при расчете напряжений в канатах. Предложенная методика [103] разработана для однослойного каната, не является универсальной и не позволяет оценить влияние на канат разных схем силового воздействия (преформация, обжатие, рихтование и пр.)
Более сорока лет на кафедре технической механики и машиностроения Севастопольского национального технического университета выполняются работы по математическому моделированию процесса свивки стальных канатов. В системе программирования Microsoft Visual Basic 6.0. авторами исследований [104, 105] разработаны математические модели и алгоритмы расчета равновесности стального каната, совместного влияния деформации изгиба, кручения и растяжения на проволоку, с учетом ее нелинейных пластических свойств. Проволока представляется упруго-пластическим стержнем, испытывающим деформацию: 1) растяжения при технологическом натяжении; 2) кручения на участке между зарядной катушкой и обжимными плашками; 3) изгиба в преформирующем устройстве; 4) изгиба на входе в обжимные плашки; 5) растяжения и кручения в обжимных плашках; 6) кручения на выходе из торсионного устройства; 7) изгиба в роликах рихтовального устройства; 8) разгрузки от продольного усилия. Предложенная модель позволяет исследовать влияние отдельных факторов или их комбинации на равновесность каната. Недостатком предложенного метода моделирования является необходимость применения дополнительных математических программ для проведения визуального анализа напряженно-деформированного состояния проволок. Процесс обжатия в роликовой волоке авторами не рассматривается.
Общим недостатком приведенных моделей [103-105] является то, что при их формировании прядь представляется не как дискретный элемент, а как упруго-пластический стержень, что приводит к погрешностям в расчетах и неточному анализу результатов.
В последнее десятилетие при моделировании процессов ОМД (волочения, прокатки, штамповки, прессования и др.) стал широко применяться программный комплекс «DEFORM-3D», позволяющий с учетом свойств материала решать задачи пластического течения, упругой деформации, распределения напряжений, а также получать трехмерную модель с возможностью визуального анализа результатов [106, 107].
Авторами исследования [108] разработана модель расчета параметров преформации проволок при свивке каната конструкции 1+6 с использованием комплекса DEFORM-3D. Предложенная модель позволяет оценить напряженно-деформированное состояние преформируемой проволоки в сечении и по длине, а также проанализировать влияние изменения диаметра роликов и угла преформации на изменение фактического шага свивки и плотности прилегания проволоки повива к центральной проволоке.
На сегодняшний день не обнаружено работ, посвященных моделированию процесса обжатия многослойных витых прядей в роликовых волоках. Вероятно, это связано со сложностями в формировании модели длинномерной витой пряди с учетом ее конструктивных особенностей, в т.ч. с проблематичностью разбиения множества длинномерных объектов (проволок) на достаточное количество элементов.
Таким образом, наибольшее распространение получил процесс глубокого обжатия прядей, осуществление которого возможно в монолитных или роликовых волоках с системами калибров «круг - стрельчатый квадрат - круг», «круг - квадрат - круг», «круг - треугольник - круг» и пр. Глубокое обжатие приводит к уплотнению и последующему волочению исходной круглопрово-лочной пряди, уменьшению площади сечения пряди и ее преобразованию в прядепроволоку. При этом повышается прочность проволок, снижается уровень контактных и свивочных напряжений.
Исследование факторов, влияющих на поворот пряди и проволок при силовой обработке
На основе анализа полученных результатов, выявлен механизм передачи давления внутрь пряди, включающий этапы: 1) передача внутрь пряди давления, возрастающего с уменьшением количества проволок; 2) потеря части передаваемого вглубь пряди давления после образования боковых контактов между проволоками одного слоя. После формирования боковых контактов между проволоками одного слоя, давление по боковому контакту передается только в тангенциальном направлении, что снижает радиальную составляющую передаваемого проволокой давления; 3) распределение давления в пряди, зависящее от количества контактов данной проволоки и доли передачи давления через контакт от выше лежащей проволоки. Таким образом, могут формироваться локальные концентраторы давления (если давление передается от нескольких проволок одной проволоке), а при передаче образовываться неодинаковые по величине потоки давления от внешних слоев вглубь пряди.
Давление уменьшается при передаче внутрь пряди, но в центральной проволоке из-за накопления давления по слоям (передача от нескольких проволок внутреннего слоя к одной центральной проволоке) происходит резкое возрастание давления.
Из-за появления новых контактных площадок в процессе обжатия передаваемое давление в слое может не только уменьшаться, но и увеличиваться. При образовании дополнительных контактных площадок, в общем случае передаваемое внутрь пряди давление снижается.
Из геометрических построений определим величины углов Я,Я и по выражению (2.5) рассчитаем изменение коэффициента Рфсгн потребного усилия деформации (приложение № 2).
По формуле (2.6) для каждой проволоки определим коэффициент приоритета деформации. Результаты расчета представлены на рисунке 2.4.
Расчет показывает, что коэффициент давления Р,-, а соответственно, и усилие деформации в центральной проволоке в 4,5 раза больше по сравнению с внешней проволокой (рисунок 2.3), но степень получаемой деформации всего в 7,6 раза больше из-за менее благоприятной для деформации схемы напряжений (рисунок 2.4, Р(0)приор).
Площадки контакта образуются во столько раз большие по ширине, во сколько больше коэффициент приоритетности Рприор у данной проволоки по отношению к другой, а соответственно и воспринимаемое ею давление. Таким образом, деформация на первом этапе преимущественно осуществляется в центральной проволоке до заполнения межпроволочных зазоров и образования первой арки, формируемой проволоками пятого слоя, что видно из рисунка 2.4 (Р(0)прио; Р(5)приор)- Дальнейшее быстрое снижение приоритета деформации центральной проволоки соответствует снижению напряжений, ко 47 торые становятся недостаточными для продолжения роста контактных площадок.
Распределение коэффициента приоритета деформации по слоям пряди: Р(0)приор - коэффициент приоритета деформации в проволоках пряди до появления первого контакта, P(i,j)npuop - после появления і-го nj-го контактов
Кроме центральной, на первом этапе достаточно интенсивно деформируются проволоки пятого слоя. После образования первой арки, с учетом прекращения интенсивной деформации в центральной проволоке из-за заполнения зазоров, деформация идет равномерно по всему сечению пряди (рисунок 2.4, Р(5)приор). После образования четвертой и третьей арок, из-за несимметричности контактов и высоких давлений, проволока пятого слоя снова становится наиболее приоритетной деформированию (рисунок 2.4, Р(5,4,3,2)приор). 2.2. Разработка методики расчета ширины контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии пряди
Для определения ширины контакта проволоки при пластическом обжатии пряди в роликовой волоке, произведем расчет при следующих допущениях: ширина каждой образуемой межпроволочной, межслойной и поверхностной площадок контакта в пряди пропорциональна прилагаемому к ней давлению. проволоки деформируются без уменьшения площади поперечного сечения (деформация плоская) [93].
В обжимаемой пряди выделим три вида контактов: межпроволочный, межслойный и поверхностный, причем схема образования первых двух одинакова. Сечение проволок в последующих расчетах примем в виде кругов. Корректировку на овальность любого отрезка проволоки пряди, лежащего в плоскости, ортогональной оси пряди, необходимую для повышения точности расчетов, произведем отдельно через коэффициент , в т.ч. и для ширины контактной поверхности.
Определение факторов, влияющих на ширину, кривизну и форму контактных площадок проволок при обжатии пряди
Результаты испытаний проволок на скручивание (рисунок 3.13) показывают потерю проволокой верхнего повива количества скручиваний (снижение на 13 % при степени деформации Q=9,7 %). Деформация внутренних слоев повышает количество скручиваний (проволоки 3-го слоя увеличили количество кручений на 19 %), причем, для менее проработанного 2-го слоя тенденции к повышению количества скручиваний менее выражены. Проволоки верхнего слоя подвержены при обжатии наибольшей деформации и образованию широких площадок контакта с роликом, что несколько снижает количество скручиваний. В силу того, что проволока диаметром 1,7 мм изначально имела небольшое количество скручиваний по сравнению с другими проволоками пряди, а также изменила в процессе обжатия геометрию сечения, что могло привести к погрешностям результатов измерений, установлено несоответствие данной проволоки требованиям ГОСТ 1545-80 по количеству скручиваний. Это определяет необходимость создания запаса пластических свойств исходной проволоки верхнего повива. и 2 4 (до степени относительного обжатия пряди Q=5,9 %), затем прирост микротвердости внешних слоев ослабевает, а внутренних увеличивается в несколько раз, что соответствует началу их интенсивной проработки. Верхние слои при этом деформируются менее интенсивно, смещаясь внутрь пряди по сформированным площадкам контакта проволок одного повива.
При обжатии пряди со степенью деформации Q=4,6 % микротвердость одинакова по всему сечению, характеризуя равномерность деформации, протекающей между этапом интенсивной проработки поверхностных слоев и этапом более интенсивной проработки внутренних слоев. При сравнении упрочнения поверхностей проволок и их центров существенных различий в значении микротвердости не наблюдалось.
Существенное различие имеется в упрочнении верхних (точка 1, рисунок 3.3; рисунок 3.16) и нижних (точка 5, рисунок 3.3; рисунок 3.17) контактов проволок. Сначала упрочнение идет интенсивнее у верхних контактов, далее у нижних тех же проволок, вплоть до превышения величины твердости у нижних контактов. Таким образом, первоначально претерпевают большее смятие верхние контакты, потом более деформируются нижние контакты проволок.
Анализ геометрических особенностей формируемых контактов, а также результатов механических испытаний проволок позволил получить качественную оценку исследуемых прядей конструкции 1+5+5/5+10 обработанных с разной степенью пластического обжатия.
При обжатии со степенью 0,8 % прядь имеет хорошие показатели механических свойств и гибкости, косвенно характеризуемой наличием межпроволочного зазора, однако достаточно прорабатываются только приповерхностные слои, прядь приобретает ребристую поверхность с нежелательной формой и недостаточной шириной межпроволочного контакта.
Обжатие со степенью 2,1 % соответствует начальному уровню достаточной проработки пряди при сохранении гибкости, высоких показателях пластичности и перегибов, малом снижении прочности. Но при этом наблюдается значительный угол поворота проволок верхнего повива и не обеспечивается требуемая ширина межпроволочных контактов.
При обжатии со степенью 4,6 % прядь проработана, имеет малый угол поворота проволок верхнего повива, наиболее благоприятную форму контактов, характеризуется равномерным распределением микротвердости, максимальной пластичностью. Но при этом имеются незначительные потери прочности, количества скручиваний и перегибов проволок.
Обжатие со степенью 5,9 % приводит к сильно выраженной неравномерности напряженного состояния, неравномерному упрочнению боковых контактов, снижению гибкости пряди, существенным потерям прочности, количества перегибов и скручиваний. При этом форма боковых контактов сохраняется благоприятной, с низким углом поворота проволок, пластичность сохраняется на максимальном уровне.
Обжатие со степенью 8,4 % снижает гибкость пряди и приводит к потере прочности, пластичности, количества скручиваний и перегибов проволок, характеризуется неравномерным упрочнением боковых контактов, выраженной неблагоприятной формой контактов некоторых слоев. При этом сохраняется низкий угол поворота проволок верхнего повива.
Деформации со степенью 9,7 % характеризуются неравномерностью упрочнения боковых контактов, малой гибкостью пряди, неблагоприятной вогнутой формой контактов центральной проволоки, максимальными потерями прочности, пластичности, количества перегибов, скручиваний. При этом сохраняется минимальный угол поворота проволок верхнего повива, повышаются продольная и поперечной жесткость, что обеспечивает стойкость канатов, применяемых в качестве вант, арматуры, грозозащитных тросов, к гидродинамическим нагрузкам, эоловой вибрации, пляске, галопированию.
