Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса производства пластическидеформированных арматурных канатов. цели и задачи исследования .7
1.1. Требования к арматурному канату, используемому при армировании защитных оболочек ВВЭР - 1000 7
1.2. Применяемые способы пластического деформирования проволочной пряди
1.2.1. Деформированиспряди в монолитной волоке 11
1.2.2. Деформирование прядей во вращающейся волоке 19
1.2.3. Деформирование прядей в четырехвалковых калибрах 21
1.2.4. Деформирование пряди прокаткой и другие методы деформирования прядей 25
1.3. Определение перспективных направлений в области производства пластически обжатых канатов 27
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета формоизменения проволок пряди при круговом пластическом обжатии 40
2.1. Определение уравнений, описывающих сближение центров проволок пряди 40
2.2. Определение величины зазоров между проволоками повива в канате ...44
2.3. Определение размеров контакта проволок в процессе обжатия 46
2.4. Определение величины коэффициента развития поверхности обжатого каната 57
2.5. Определение величины вытяжки проволок в процессе деформации 60
2.6. Определение величины уширения проволок повивочного слоя в процессе кругового пластического обжатия 65
2.7. Оценка точности результатов расчета геометрических параметров формоизменения пряди в процессе кругового пластического обжатия по предложенной методике 67
Выводы 71
ГЛАВА 3. Определение энергосиловых параметров процесса прокатки пряди 72
3.1. Определение усилия прокатки пряди 72
3.2. Определение площади контакта пряди с валками в процессе кругового пластического обжатия 73
3.3. Определение среднего контактного давления при прокатке пряди в круглом калибре 76
3.4. Определение коэффициента влияние внешнего трения на усилие прокатки 79
3.5. Определение коэффициента, учитывающего форму калибра 81
3.6. Определение среднего предела текучести металла в очаге деформации при прокатке пряди 83
3.7. Проверка адекватности результатов расчета энергосиловых параметров по предложенной методике 88
3.8. Определение момента прокатки пряди при круговом пластическом обжатии 90
3.9. Изменения контактных напряжений в пряди и на поверхности в процессе обжатия , 94
ЗЛО. Сравнительное исследование энергосиловых параметров процессов прокатки пряди с волочением в роликовой и монолитной волоках 97
Выводы 99
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования производства пластическидеформированных арматурных канатов 100
4.1. Выбор и обоснование механических свойств и размеров исходного каната 100
4.2. Эксперименты по пластическому обжатию пряди прокаткой и протяжкой
4.2.1. Распределение обжатий 104
4.2.2. Описание и результаты эксперимента 106
4.3. Рекомендуемая технология получения пластически деформированного
арматурного каната диаметром 15,2мм 116
Выводы 120
Заключение 121
Список литературы
- Применяемые способы пластического деформирования проволочной пряди
- Определение величины зазоров между проволоками повива в канате
- Определение площади контакта пряди с валками в процессе кругового пластического обжатия
- Эксперименты по пластическому обжатию пряди прокаткой и протяжкой
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с внедрением новых требований к обеспечению безопасности АЭС при реконструкции действующих энергоблоков и вводе новых предусмотрено использование преднапряженных защитных оболочек ВВЭР-1000 на базе витых уплотненных арматурных канатов диаметром 15,2 мм. Данный канат должен иметь гладкую поверхность, обладать хорошей гибкостью и высокими физико-механическими свойствами. Производство таких канатов отечественной промышленностью не освоено. Одним из путей создания уплотненного каната с гладкой поверхностью может служить пластическое обжатие каната. Основным способом пластического обжатия прядей, применяемым сегодня в промышленных условиях как в потоке с канатной машиной, так и на отдельных установках, является волочение в монолитной волоке. Однако её использование усложняет заправку каната в волоку и требует больших тянущих усилий (усилия возрастают пропорционально квадрату диаметра каната), что в итоге приводит к большим энергозатратам на осуществление процесса обжатия. Обычно обжатие каната производится до полного заполнения его сечения, для этих же случаев и разработаны существующие методики расчета параметров формоизменения проволок каната при обжатии.
Наиболее эффективным с точки зрения снижения энергозатрат, а также упрощения процесса заправки является процесс прокатки каната в круглом двухвалковом калибре. В литературе практически отсутствуют рекомендации по выбору режимов процесса, оборудования, технологической схемы производства пластически обжатых арматурных канатов прокаткой.
Целью работы является разработка энергосберегающей технологии производства пластически деформированного арматурного каната диаметром 15,2 мм прокаткой в двухвалковых круглых калибрах.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
-
Разработка методики расчета' формоизменения проволок в процессе пластического обжатия каната в зависимости от степени обжатия и с учетом конструкции каната.
-
Разработка методики расчета энергосиловых параметров процесса прокатки каната в круглом калибре.
-
Разработка технологии получения пластически обжатых арматурных канатов диаметром 15,2 мм с использованием двухвалковых прокатных клетей с круглым калибром для осуществления процесса обжатия каната в потоке с канатной машиной.
; РОС. НАЦИОНАЛЬНА* I
Бяслядескл I
4 Научная новизна
-
Разработана методика расчета формоизменения проволок каната, основанная на совместном решении уравнений, описывающих контакт проволок в канате и перемещения проволок в процессе кругового обжатия; методика позволяет рассчитывать ширину и глубину смятия проволок каната, внеконтактное уширение, вытяжку по слоям каната в зависимости от степени кругового обжатия.
-
Получены уравнения для определения величины коэффициентов развития поверхности каната и каждой из проволок при обжатии.
3. Для случая прокатки каната в круглом калибре получены
уравнения для определения среднего контактного давления, усилия и
момента прокатки с учетом изменения величины коэффициента заполнения
сечения каната и упрочнения проволок в процессе обжатия.
Графоаналитическим методом получена формула расчета площади
поверхности контакта проволок повивочного слоя каната с валками круглого
калибра с учетом угла свивки проволок.
Практическая ценность и реализация работы
- Предложена технология изготовления арматурного пластически
обжатого каната прокаткой в двухвалковом круглом калибре, позволяющая
по сравнению с известными способами волочения каната обеспечить
энергосбережение до 60 %.
- Разработанная технология прошла опытно-промышленную
апробацию в условиях ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» и
принята к использованию при изготовлении пластически обжатых
арматурных канатов диаметром 15,2 мм для канатов конструкции 1+6 для
ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», а также для канатов К19,
выпускаемых ОАО «Магнитогорский калибровочный завод».
Апробация работы. Содержание работы доложено и обсуждено:
-
На второй Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 29-30 октября 2002 г.).
-
На 60 - 62-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ за 2000-2003 годы. (Магнитогоск, 2001, 2002,2003 гг.).
-
На ХХХП Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 25-27 марта 2003 г.).
-
Получен грант Министерства образования ' по фундаментальным исследованиям в области технических наук.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 7 печатных трудах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100
V" Ті.
* "'' , ^
5 наименований и приложения. Её содержание изложено на 139 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков и 21 таблицу.
Применяемые способы пластического деформирования проволочной пряди
Способ пластического обжатия прядей был изобретен А.И. Дворяченко. Однако его изобретение не было запатентовано в других странах, что позволило английской компании «British Ropes Ltd» в 1954 г. запатентовать аналогичное по сущности изобретение [14-17]. Примерно в это же время канаты из пластически обжатых прядей начали рекламироваться японскими фирмами «Showa Seiko Kaisha» и «Taicoco Sangio» [18-26].
В начале 50-х годов был предложен способ изготовления канатов из пластически обжатых прядей. Технология производства этих канатов основана на использовании способа обработки металлов давлением и заключается в пластическом обжатии витых проволочных заготовок или прядей в обжимном инструменте (монолитной волоке, роликовой волоке, прокатной клети и т.д) [4,9,10,27-40].
Исследования по пластическому, обжатию в нашей стране были начаты в 1962 г. в Одесском научно-исследовательском отделе стальных канатов — ОНИСК ВНИИметиз и примерно в то же время на Белорецком металлургическом комбинате (БМК) [41].
В ОНИСК ВНИИметиз предпочтение было отдано способу пластического обжатия прядей в неподвижной монолитной волоке. Производство канатов по предложенной ими технологии было в середине 70-х годов освоено Магнитогорским калибровочным заводом (МКЗ).
В начале 70-х годов в Магнитогорском горно-металлургическом институте им. Г.И. Носова (МГМИ) и на БМК велись исследования по технологии пластического деформирования прядей в четырехроликовой волоке [42,43].
Пластическое обжатие прядей может быть осуществлено по одной из схем, представленных на рис. 1.1: обжатие прядей в неподвижной монолитной волоке (а) [15, 24, 27, 30, 35], обжатие прядей во вращающихся волоках (б) [36,37], обжатие прядей в роликовых волоках (в) [41-44]. Рис. 1.1. Общий принцип пластического обжатия проволочных заготовок 1.2.1, Деформирование пряди в монолитной волоке
Основным деформирующим инструментом, применяемым сегодня в промышленных условиях для получения пластически деформированной пряди, является монолитная волока, устанавливаемая либо в поток свивочной машины [9, 14, 15, 30, 31, 45] , либо на отдельно стоящей установке, имеющей устройство для размотки, вытяжной механизм и намоточное устройство [16, 34]. Характерным для такой схемы деформирования пряди является необходимость применения усиленного привода свивочной машины [35]. В отдельных установках предусматривали подкручивающее устройство, служащее для уплотнения предварительно свитой пряди [16, 30, 33].
Технология процесса пластического обжатия прядей в волоке и канаты из них могут быть представлены на основе [16] и по работам М.Ф.Глушко, В.К. Скалацкого и др.
В соответствии с [16, 34] проволочную прядь протягивают через волоку (рис. 1.2), в которой она уплотняется и упрочняется. При этом уменьшается начальный диаметр пряди d0 до конечного d, проволоки в ней приобретают взаимовписывающиеся в окружность диаметром d фасонные профили. Рис. 1.2. Схема пластического обжатия пряди в волоке
Процесс волочения пряди сопровождается пластической деформацией составляющих её проволок. При этом проволоки не испытывают значительную вытяжку, а преобладает их поперечная деформация сжатия, поэтому за рассматриваемым процессом и готовым продуктом (прядью) закрепились термины «пластическое обжатие», «обжатие», которые в дальнейшем изложении используются в качестве основных. В результате обжатия пряди линейный контакт между проволоками преобразуется в контакт по поверхности (полосе) и между всеми или частью проволок пряди.
Процесс пластического обжатия прядей, несмотря на внешнее общее сходство, имеет принципиальные отличия от процессов волочения проволоки, прутков, труб и т.д. Основное отличие заключается в том, что деформации подвергается дискретный продукт (прядь, заготовка), состоящий из значительного числа элементов (проволок), которые в процессе деформации значительным образом изменяют свою первоначальную круглую форму .и длину.
Определение величины зазоров между проволоками повива в канате
В исследованиях В.К. Скалацкого [75] рассматривалось приближенное решение для случая обжатия пряди в волоке. Были использованы следующие допущения: проволоки пряди изготовлены из одного материала; площадки смятия пропорциональны давлениям по этим площадкам; наружный слой пряди состоит из одинаковых проволок; степень обжатия не превышает степени полного геометрического обжатия пряди. Под полным геометрическим обжатием понимается обжатие, при котором исчезают зазоры между проволоками. В своих работах он рассматривает обжатую прядь как сплошной и однородный круглый элемент, состоящей из определенного числа составных частей, имеющих правильную форму, обусловленную условием контакта проволок, составляющих прядь.
Перемещение проволок повивочного слоя рассматривается как смещение центра тяжести исходной круглой проволоки в трапецию (рис. 1.14), имеющую ту же площадь сечения.
Данную методику можно использовать только для прядей с полным геометрическим обжатием, т.е. для условий обжатия пряди до достижения коэффициента заполнения меньшего 1 она неприемлема.
Большинство исследований формоизменения проволок пряди в процессе обжатия базировалось на определении геометрических размеров контакта проволок в результате полного обжатия пряди (см. рис. 1.12) до достижения коэффициента заполнения равного 1 [76]. Для процесса обжатия пряди до коэффициента заполнения меньше 1, как в нашем случае, необходимо создание более гибкой методики, позволяющей рассчитывать параметры формоизменения проволок пряди в зависимости от различных величин степени обжатия, а также в зависимости от конструкции пряди.
Определение энергосиловых параметров процесса пластического обжатия пряди важно, прежде всего, для выбора требований к деформирующему оборудованию, для качественной оценки энергозатрат на осуществление процесса, для оценки возможности осуществления процесса обжатия на существующих мощностях, а также с точки зрения эффективности ведения процесса за счет правильного распределения нагрузок при осуществлении обжатия в несколько проходов. Для процессов волочения в монолитной или роликовой волоке это определение необходимого тянущего усилия, для процесса прокатки -усилия прокатки пряди.
Проведя обширный патентный и литературный поиск, никаких расчетных зависимостей для определения энергосиловых параметров процесса пластического обжатия пряди в круглом калибре в прокатной клети найдено не было. Ряд работ посвящено экспериментальным методам прямого замера усилий или замера токовой нагрузки на двигателе свивочной машины. Давление металла на инструмент определяли непосредственным тензометрированием на нажимных винтах [43].
Поэтому был проведен литературный поиск с целью определения основных методик для расчета энергосиловых параметров процесса деформирования пряди.
Проведя анализ литературных источников, посвященных расчетам энергосиловых параметров процесса пластического обжатия прядей волочением в монолитной волоке [35, 57, 75, 79], можно подчеркнуть два различных подхода к определению усилий волочения. В первом случае производится уточнение известных из теории волочения формул для монометалла посредством ввода в формулу поправочных коэффициентов, учитывающих отличительные особенности пряди от стержней. Для расчета напряжений волочения проволоки в литературе насчитывается свыше 40 формул [81-86]. Они имеют довольно сложную структуру, поэтому затрудняют производство расчетов вероятной силы или напряжения волочения. Тем не менее, ими приходится пользоваться, так как в настоящее время отсутствуют более надежные методы расчета.
Из анализа и сопоставления существующих в теории волочения формул для расчета напряжения В.К. Скалацким получена полуэмпирическая формула для определения напряжения при пластическом обжатии прядей [75]. K = aJ l-lp, x тс а АЛ. (1-8) где сгтс - среднее значение сопротивления деформации металла; Ь = а+1; а - угол рабочего конуса волоки; р - угол трения; кш - коэффициент, учитывающий влияние шага свивки; F и Ґ0 - площади кругов, описанных вокруг обжатой и исходной прядей.
Во втором случае на основании экспериментальных исследований по определению удельных давлений на базе модели поперечной осадки круглой проволоки (рис. 1.15) [57] моделируется процесс деформации проволоки повивочного слоя пряди. На основании полученных экспериментальных данных предлагаются различные коэффициенты, учитывающие особенности конструкции пряди, для определения удельных давлений в процессе обжатия пряди.
Определение площади контакта пряди с валками в процессе кругового пластического обжатия
Эта методика позволяет рассчитывать параметры формоизменения проволок пряди в зависимости от конструкции исходной пряди-заготовки.
Можно выделить четыре основных способа структурно технологического направления при проектировании конструкции исходной пряди-заготовки для последующей силовой обработки (пластической деформации).
Первый из них базируется на использовании исходных радиальных зазоров между проволоками смежных слоев пряди-заготовки для создания эффекта расклинивания проволок при пластическом обжатии (рис.2.10) [88]. В соответствии с этим способом свивают некруглую проволочную заготовку (рис.2.10,а), в которой относительное положение некоторых проволок наружного слоя не совпадает с их положением в готовой пластически обжатой пряди.
Особенность вычисления геометрии контакта для данного варианта пряди-заготовки заключается в том, что для определения геометрии формоизменения вводим в формулу для определения ширины площадки смятия величину исходного зазора между центральной и повивочнои проволокой. Таким образом, выражение для определения ширины контакта центральной и повивочнои проволокой примет следующий вид: 601 = ю = . 2dS0d0ep -v _ \2d8sd0sp - vr (2.23) Величина ширины контактов с валком для проволок повивочного слоя, касающихся центральной проволоки, будет иметь следующий вид: \2dSxddS-p)-v V d-S, Для остальных площадок контактом в определении геометрии формоизменения никаких изменений не будет.
Второй способ базируется на использовании исходных тангенциальных зазоров между проволоками для создания эффекта их плющения (рис.2.11) [89]. В соответствии с этим способом свивают проволочную заготовку (рис.2.11,а), оставляя между проволоками наружного слоя исходные технологические зазоры v. Благодаря этим зазорам значительная часть давления от обжимного инструмента через проволоки наружного слоя беспрепятственно передается на проволоки сердцевины заготовки.
Особенность вычисления геометрии контакта для данного варианта пряди-заготовки заключается в том, что для определения геометрии формоизменения вводим в формулу для определения ширины площадки смятия величину исходного зазора между проволками повивочного слоя. Таким образом, выражение для определения ширины контакта между повивочными проволоками примет следующий вид: bn= 2(SxdQep-v)sm . (2.25) Третий способ базируется на использовании тангенциальных технологических зазоров между группами проволок для создания эффекта плющения всей группы проволок (рис.2.12) [90, 91]. Являясь модификацией второго способа, этот способ имеет свои особенности, обусловленные групповым расположением проволок в наружном слое заготовки (рис.2.12,а) и готовой пряди (рис.2.12,6). Благодаря уменьшению до необходимой величины исходных зазоров v под воздействием обжимного инструмента на заготовку обеспечивается повышенная гибкость прядей без существенного уменьшения их опорной поверхности и общей структурной устойчивости.
Четвертый способ базируется на использовании определенного соотношения диаметров проволок, образующих сердцевину и наружный слой заготовки, и взаимного исходного расположения этих проволок для создания эффекта перемещения, целью которого является обеспечение одинаковой деформации всех проволок наружного слоя пряди (рис.2.13) [92].
Принцип перемещения проволок при пластическом обжатии заготовок и получаемые при этом их конструкций Особенность вычисления геометрии контакта для третьего и четвертого вариантов конструкции пряди-заготовки заключается в том, что для определения геометрии формоизменения вводим в формулу величину исходного зазора между проволками в тех местах, где этот зазор присутствует по аналогии с вариантами, рассмотренными выше. Результаты расчета геометрических параметров формоизменения проволок для пряди конструкции 1+6 плотной свивки (диаметр центральной проволоки - 5,6мм; диаметр пряди - заготовки 16,8 мм) приведены в таблицах 2.1 и 2.2.
Эксперименты по пластическому обжатию пряди прокаткой и протяжкой
Как видно из графика, значения момента прокатки пряди в круглом калибре, полученные по формулам, применяемым при расчете момента прокатки в многовалковых калибрах, а также для процесса редуцирования, показали высокую сходимость с результатами расчета момента прокатки по удельному расходу энергии, полученными в результате эксперимента по круговому обжатию пряди в прокатной клети на баз цеха №16 ОАО «БМК». Причем наиболее близкие результаты к экспериментальным значениям показали расчеты по формуле, предложенной В.П. Анисифоровым.
В процессе пластического обжатия пряди происходит изменение условия контакта проволок в пряди, а также на поверхности в месте контакта с обжимным инструментом. В процессе обжатия происходит замена точечного и линейного контакта (в зависимости от конструкции пряди) поверхностным касанием. Изменение условий контакта приводит, в данном случае, к уменьшению удельных контактных напряжений в местах контакта проволок в пряди за счет увеличения площади распределения напряжения. Для оценки степени изменения контактных напряжений необходимо создание методики определения максимальных контактных напряжений в зависимости от величины ширины контакта как для проволок пряди между собой, так и при работе пряди на блоке.
В настоящее время в разных отраслях техники применяются различные формулы для вычисления контактных напряжений. При этом в большинстве случаев отсутствуют сопоставление этих формул между собой и анализ их точности. Воспользуемся методикой, предложенной Г. Герцем [93, 99], для определения максимального напряжения ан (Мпа) для условия контакта двух контактирующих цилиндров (в нашем случае две соседние проволоки или обжатая прядь при контакте с каналом на блоке). о . = 0,5642J 2jnnJJ, (3.24) где by - ширина площадки контакта между /-й и у -й проволоками; Rt и Rj - радиусы контактирующих проволок. Знак «+» берется при наружном, а « - » - при внутреннем контакте. „_1-//,2 i 1-м Л Е Т где /J.и /л. - коэффициент Пуассона /-й и у-й проволоки; ,.и Е} - модуль упругости /-йи у-й проволоки; Для необжатой пряди конструкцией 1+6 диаметром 15,0 мм типа ЛК величина ширины контакта Ь0 составляет малую величину, не превышающую 0,3 мм, когда как в пластически деформированной пряди того же диаметра величина контакта между проволоками повивочного слоя может достигать 3-4 мм.
Согласно техническим требованиям к арматурному канату, используемому при армировании защитных оболочек ВВЭР - 1000, максимальное усилие, которое прикладывается к концам пучка арматурных канатов в количестве 76 пластически обжатых витых прядей, не превышает 1000 тс. Таким образом, удельное усилие на одну витую обжатую прядь составляет примерно 13 т. Можно утверждать, что величину контактных нагрузок для данных канатов необходимо рассчитывать из условия приложения растягивающего усилия к концам пряди равного 13000 кг.
Для того чтобы качественно оценить величину изменения контактных нагрузок между проволоками пряди, произвели расчет величины максимальных контактных напряжений по предложенной методике в зависимости от ширины площадки контакта между проволоками пряди при нагрузке на прядь равной 13000 кг. Результаты расчетов представлены в виде графика на рис.3.11.
Изменение максимального контактного напряжения Как видно из графика, резкое уменьшение максимальных контактных напряжений наблюдается до образования ширины площадки контакта равной 1,2 мм , что соответствует величине относительного обжатия равной 2 %. Далее с увеличением ширины площадки контакта наблюдается не столь значительное уменьшение максимальных контактных напряжений. В качестве оптимальных величин обжатия, с точки зрения снижения максимальных контактных напряжений, можно порекомендовать обжатие в интервале от 2 - 7% , что позволит снизить напряжение в 2-3,5 раза. волоках
Для количественной оценки величины энергозатрат, необходимых на пластическое деформирование пряди в зависимости от выбранного инструмента деформации (монолитная волока, роликовая волока, прокатная клеть), проведем сравнительный расчет мощности, расходуемой для осуществления процесса обжатия для пряди конструкции 1+6, сталь 75, исходным диаметром 16,5 мм, обжатой до диаметра 15,2 мм, при условии одинаковой производительности. При расчетах будем учитывать только мощность, непосредственно затраченную на пластическую деформацию, без учета дополнительных потерь (холостой ход, сила трения, динамическая составляющая). Величину диаметра валков для процесса протяжки выбираем исходя из равенства длины контакта инструмента с поверхностью пряди ,рассчитанной для процесса волочения в монолитной волоке. Полученные данные сравним со значениями, полученными по предложенной методике расчета энергосиловых параметров процесса пластического кругового обжатия пряди прокаткой в круглом калибре для аналогичной пряди.
