Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Общие сведения о дорожных ограждениях 6
1.1.1. Виды дорожных ограждений 6
1.1.2. Производство профилей дорожных ограждений (ПДО) методом валковой формовки 9
1.1.3. Современные требования к боковым дорожным ограждениям 1.2. Повышение жесткости и прочности гнутых профилей 15
1.3. Напряженно-деформированное состояние при производстве гнутых профилей
1.3.1. Напряженно-деформированное состояние металла подгибаемых элементов при профилировании 19
1.3.2. Напряженно-деформированное состояние металла в местах изгиба при профилировании 21
1.3.3. Определение напряженно-деформированного состояния экспериментальными методами 1.4. Запас пластичности при производстве гнутых профилей 25
1.5. Энергосиловые параметры при производстве гнутых профилей 29
1.6. Постановка задачи исследования 35
2. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния ПДО «Е» 37
2.1. Утонение металла при производстве профиля «Е» 37
2.2. Определение механических свойств подката из сталей марок: СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп 42
2.3. Определение напряженно-деформированного состояния металла и механических характеристик ПДО «Е» 47
Выводы по второй главе ." 50
3. Совершенствование методики расчета энергосиловых параметров процесса профилирования
3.1. Совершенствование методики расчета суммарных давлений металла на валки и крутящих моментов 52
3.2. Разработка модели расчета энергосиловых параметров производства ПДО «Е» 56
Выводы по третьей главе. 61
4. Оценка конструктивной прочности ПДО 62
4.1. Анализ существующих методик оценки прочности 62
4.2. Разработка методики определения упрочнения металла при производстве гнутых профилей 65
4.3. Разработка методики оценки конструктивной прочности гнутых профилей 70
Выводы по четвертой главе 74
5. Оптимизация формы и размеров ПДО «Е» 76
5.1. Определение запаса пластичности при производстве ПДО 76
5.2. Определение геометрических характеристик профиля 77
5.3. Выбор метода решения задачи оптимизации 78
5.4. Оптимизация формы и размеров ПДО «Е» 81
Выводы по пятой главе 92
6. Оценка возможности получения и применения нового вида ПДО 93
6.1. Оценка уровня качества ПДО по химическому составу, механическим свойствам стали марки стЗкп и геометрическим размерам профиля «Е»..94
6.2. Возможность получения оптимизированных видов ПДО 97
6.3. Расчет удерживающей способности дорожных ограждений 103
6.4. Анализ результатов полигонных испытаний ПДО 107
Выводы по шестой главе 111
Заключение 113
Список использованной литературы
- Производство профилей дорожных ограждений (ПДО) методом валковой формовки
- Определение механических свойств подката из сталей марок: СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп
- Разработка методики определения упрочнения металла при производстве гнутых профилей
- Выбор метода решения задачи оптимизации
Производство профилей дорожных ограждений (ПДО) методом валковой формовки
Значительным резервом повышения несущей способности и жесткости гнутых профилей является увеличение их прочностных характеристик. При формовке гнутых профилей на профилегибочных станах в результате деформации пластического изгиба в холодном состоянии происходит значительное упрочнение деформированного металла [21-25, 60]. Прочностные свойства гнутых профилей при этом увеличиваются. Дополнительно повысить прочностные свойства гнутых профилей можно легированием стали, термической обработкой или дополнительным деформационным упрочнением в холодном состоянии [26].
С целью изучения процесса деформационного упрочнения в УКРНИИМе-те были проведены исследования по дополнительному повышению механических свойств гнутых профилей и их равномерному распределению по сечению профиля [27]. Гнутые профили из упрочненной рифлениями заготовки предполагается использовать в металлоконструкциях, где они большей частью работают на изгиб, поэтому важно количественно оценить сопротивляемость рифленых профилей изгибу [28]. Из приведенных данных следует, что наличие рифлений на полках повышает на 26-27% как сопротивление начальным пла 16 стическим деформациям, так и максимальное сопротивление при изгибе. Причем, при одинаковых нагрузках величина упругого прогиба швеллера с рифлеными полками оказывается на 25% меньше.
В УКРНИИМете провели исследования, задача которых состояла в определении энергосиловых параметров процесса профилирования, а также степени упрочнения гнутых профилей [29]. Для сравнительной оценки увеличения механических свойств заготовки исследовали упрочненные и неупрочненные ко-рытные профили 80x60x32x2,5 мм. Из результатов испытаний видно что, предел текучести возрос после деформационного упрочнения профиля на 22,3%, временное сопротивление разрыву - на 7,2%. Относительное удлинение ( %), хотя и ухудшилось на 14,5%, но осталось достаточно высоким и составило 20,1%. Установлено, что характер изменения прочностных и пластических свойств одинаков для всех исследованных марок стали различной толщины полос [27]; предел текучести ( jj) и временное сопротивление разрыву ( jg) с повышением высоты рифлений монотонно возрастают и при высоте рифлений 1,4-1,6 мм рост их прекращается. Максимальное повышение оу для исследованных сталей и различной толщины полос колеблется в пределах 60-80%, a Og - 20-40%. Увеличение высоты рифлений сопровождается значительным уменьшением пластичности. Так, для исходной заготовки 85 = (33-35)%, на готовых профилях составляет всего 8,5-9,5%. Однако, несмотря на это, испытания на изгиб показали их высокую технологичность. Полосы с рифлениями даже максимальной высоты (до 1,6 мм) выдержали изгиб на 180. На основе исследований установлено, что процесс формовки рифлений не влияет на собственно процесс профилирования, поэтому режимы профилирования следует выбирать, руководствуясь известными рекомендациями при расчете калибровок валков.
УКРНИИМетом совместно с заводом "Амурсталь" разработана и освоена технология производства С-образного профиля 300x80x25x4,0 мм с гофром на стенке, применяемого в колоннах металлоконструкций овощехранилищ [30]. С целью расширения технологических возможностей гнутых профилей за счет повышения жесткости поперечного сечения в ОАО «ММК» освоена технология производства швеллеров с периодически повторяющимися или сплошными гофрами по стенке профилей [31, 32]. На стенке гнутого швеллерного профиля выполнен симметричный гофр с глубиной h=(l,4-2,4)So, направленный наружу (So - толщина заготовки).
Научными сотрудниками МГТУ и ОАО «ММК» разработаны и успешно прошли промышленные испытания гнутые швеллеры 160x80x4,0 мм с двумя продольными гофрами жесткости по стенке, изогнутыми вовнутрь, формируемыми в последних клетях профилегибочного агрегата (ПГА) одновременно с подгибкой полок [33]. Такие швеллеры применяют в виде сваренной коробки на Южно-Уральском машиностроительном заводе с нагрузкой, приложенной к полкам швеллера. Испытания опытной партии показали, что конструкция, изготовленная из швеллеров с гофрами жесткости, выдерживает нагрузку на 30-40% выше, чем стандартная (без гофров).
При проектировании стальных конструкций из холодногнутых профилей необходимо учитывать фактические прочностные характеристики, полученные за счет деформационного упрочнения. Для этого УКРНИИМетом введено понятие приведенной характеристики механических свойств готового профиля [24]. Приведенные значения механических свойств характеризуют величину упрочнения гнутых профилей в сравнении с исходной заготовкой.
Известен способ определения упрочнения, предложенный в Руководстве по проектированию стальных конструкций из замкнутых гнутосварных профилей на основе формулы Карена К. и Винтера Дж. с понижающим коэффициентом 0,9 [34]: к к = 3,69-(ав/ат)-0,819-(ав/стт)2 -1,79; (1.2) m = 0,192 (aB I 7T) - 0,068, (1.3) где ая - коэффициент упрочнения металла; Тв и 7т временное сопротивление разрыву и предел текучести исходной заготовки; RenSo - внутренний радиус гиба и толщина заготовки. И.С. Немкова внесла коррективы в расчетное определение коэффициентов кит, аппроксимированных в формулах [35]: к = 0,14 (ав I JT)2 +(aB/(jT)-0,027; (1.4) m = 2,7869 (ов I ат)4 - 0,06804 (ав I aTf - 27,8257 х х (ов I ат)2 + 50,8882- (ав I ат) - 25,356. (1.5) Однако эти зависимости могут быть некорректными для различных марок стали и различных партий одной марки стали, так как будут иметь место разные законы упрочнения [36].
Для повышения прочности профиля можно использовать сталь с более высокими прочностными характеристиками. Доказано, что низкоуглеродистая кипящая сталь после гибки склонна к старению, чему способствует повышенное содержание азота, а спокойная сталь, практически не подвержена старению и является предпочтительной для изготовления гнутых профилей [37].
Для многих конструкций и машин, работающих в северных районах большое значение приобретает температура перехода стали в хрупкое состояние. Порог хладноломкости для случая полностью хрупкого излома наиболее распространенной мартеновской стали СтЗ (листовая сталь) находится для кипящей стали при 0С, а спокойной - при -40С [38].
Кроме того, с целью повышения прочности гнутых профилей можно подобрать оптимальную конфигурацию профиля с максимально возможными геометрическими характеристиками: моментом инерции J и моментом сопротивления W. По определяют прочность профиля, а по J - его жесткость, то есть сопротивление упругой деформации [39]. При оценке эффективности той или иной формы сечения профиля W обычно относят к площади поперечного сечения F. Принято считать, что чем больше отношение W/F, тем более рациональной является форма профиля.
Определение механических свойств подката из сталей марок: СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп
Деформированное состояние металла мест изгиба профилей характеризуется большими пластическими деформациями в поперечном направлении вплоть до появления трещин. Поэтому необходимо знать максимальную величину степени деформации в месте гиба на наружных слоях металла, в частности величину утонения. Исследованию утонения при профилировании посвящены работы [28, 49, 50, 96, 97]. Установлено, что утонение зависит от формы профиля, системы калибровки, толщины заготовки So, внутреннего радиуса изгиба
RB, ширины подгибаемых элементов Ь, диаметра валков, угла подгибки а, зазора между валками, механических свойств материала профиля и др. Степень влияния этих факторов различна: влияние некоторых из них носит вероятностный характер и, как показано в работе [99], позволяет считать утонение случайной величиной. Расчет утонения в соответствии с общей теорией пластичности весьма затруднителен [68].
Для изучения распределения деформации по ширине места изгиба применяют метод координатных сеток [68, 99]. Наносят на поверхность заготовки делительную сетку с помощью инструментального микроскопа БМИ со специально изготовленным керном, закрепленным в тубусе микроскопа. Шаг сетки обычно принимается от 0,5 до 2,0 мм. Результаты деформации металла оценивают по общему виду и изменениям деформированной сетки. Измерения проводят на темплетах шириной 20,0 мм, вырезанных в различных местах участка плавного перехода профилируемых полос и из готовых профилей. Данный метод очень трудоемок и не позволяет оперативно определить величину утонения.
В нашем случае измеряли толщину по всему сечению профиля «Е» с помощью резьбового микрометра (точность 0,01 мм) через 5 мм, в местах изгиба через каждые 5. Всего было измерено 37 профилей, отобранных в ЛПЦ-7 . 14,8% 13,3%
Наибольшие значения относительного утонения (Ss) наблюдаются в местах изгиба, находящихся в центральной части профиля. Известно, что на величину деформаций оказывает влияние положение места изгиба и гофра на профиле [68]. По мере их удаления к краю профиля величины деформаций снижаются за счет уменьшения поперечного растяжения полосы. Кроме того, величины Ss отличаются в соответствующих местах изгиба двух симметричных частей профиля, что объясняется различным влиянием ряда факторов: разно-толщинность по ширине заготовки, неравномерный износ калибров и т.д. Для определения максимальной величины утонения в местах изгиба существует множество формул, что объясняется большим количеством факторов, влияющих на величину утонения: где RB - внутренний радиус места изгиба; b - ширина подгибаемого элемента; а - угол подгибки. Для сравнения с экспериментальными значениями произведен расчет утонения в местах изгиба профиля «Е» (рис. 2.2) по формулам (2.2-2.7). Результаты расчета представлены в табл. 2.1, за исключением абсолютных величин утонения, рассчитанных по формуле (2.5), которые одинаковы для всех мест изгиба профиля. Недостаток этой формулы в том, что не учтены все факторы, влияющие на утонение. Установлено, что наиболее близкие к фактическим значениям, получены при расчете утонения по формуле (2.3) для крайних мест изгиба профиля «Е». Она используется для определения максимально 4 R12 I 20 58 5 70 5 58 20 58 4
Исследование деформированного состояния металла при производстве гофрированных профилей показало, что утонение в местах изгиба неодинаково и зависит от положения гофра на профиле [49]. Максимальное утонение наблюдается в местах изгиба центральных гофров, а минимальное - в местах изгиба крайних гофров. На величину утонения оказывает влияние ширина крайних горизонтальных участков, а также ширина исходной заготовки: чем она больше, тем больше относительное утонение в местах изгиба, особенно для центральных гофров.
Учитывая ранее проведенные исследования УКРНИИМета по распределению величины утонения по сечению профиля и исследования, выполненные в рамках данной работы, предлагается новый вариант формулы (2.3) для определения величины абсолютного утонения профилей, имеющих большое число мест изгиба: AS = 0,0081 -k„-S0- рД (2.8) V RB где кп - коэффициент, учитывающий расположение места изгиба на профиле. Величину коэффициента кп выбирают из условия удаления места изгиба от края профиля (табл. 2.2). Значения коэффициентов были получены при условии, что известны все величины, входящие в формулу (2.8).
Используя распределение Стьюдента, определили значимость коэффициента корреляции (г=0,83). Оценку адекватности данной зависимости проводили с использованием критерия Фишера. Таким образом, полученная формула позволяет с достаточной точностью определять величину коэффициента, учитывающего расположение места изгиба для данного типа профиля. Применение этой формулы ограничено величиной ширины заготовки для профилирования (В 600 мм), используемой на ПГА 2-8x100-600.
Зависимость (2.8) была усовершенствована на основе формулы (2.3), полученной для определения максимальной величины абсолютного утонения при производстве сортовых гнутых профилей простой формы. Формулу (2.8) можно применять для профилей сложной формы открытого сечения из марок стали обыкновенного качества.
Метод определения величин напряжений и деформаций основан на изменении твердости металла вследствие его пластической деформации. Известно, что распределение твердости однозначно определяет распределение напряжений и деформаций независимо от схемы напряженного состояния [77]. Путем испытания образцов из исследуемого материала на растяжение и параллельных замеров твердости, величину которой определяют стандартными методами, строят тарировочный график, связывающий интенсивность напряжений, твердость и интенсивность деформаций. Измеряя затем твердость в различных точках деформированного тела, определяют по тарировочному графику распределение интенсивностей напряжений и деформаций в металле, например, при профилировании.
Образцы для механических испытаний отбирали в ЛПЦ-7 ЗАО «КГП» согласно ГОСТ 7564-97 [100] от подката для профилирования. Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 [101] в test system UTS -100 кН на десятикратных образцах толщиной 4,0 мм, из сталей марок СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп. Следует отметить, что процентное содержание химических элементов стали марки СтЗкп отличается от значений, приведенных в ГОСТ 380-94, в частности по содержанию алюминия и данная сталь близка по механическим свойствам к стали марки СтЗпс.
Кроме испытаний на растяжение осуществляли замеры твердости по Рок-веллу согласно ГОСТ 9013-59 [102] на стационарных приборах. Метод Роквел-ла использовали, так как в нашем случае на стабильность результатов практически не влияет упрочнение металла, вызванное вдавливанием индентора (площадь, на которой измеряли твердость, не ограничена).
Разработка методики определения упрочнения металла при производстве гнутых профилей
Сочетание параметров, определяющих распределение давления в калибрах валков (SQ, Ъ, RB, JT И а), может быть любое, поэтому получить универсальную формулу, пригодную для определения энергосиловых параметров процесса формовки любых профилей, не представляется возможным.
Одним из определяющих факторов при расчете величины давлений служит значение сопротивления пластической деформации профилируемого металла [31]. Известно, что его величина может меняться в широких пределах вследствие упрочнения металла, которое необходимо учитывать в расчетах. В методике УКРНИИМета его учитывают с помощью модуля упрочнения 77, который входит в формулу изгибающего момента (3.5). Однако значения 77 распределяют пропорционально от клети к клети, начиная с меньшего. Такой подход не позволяет учитывать истинную величину наклепа в каждой клети. Поэтому на кафедре ОМД МГТУ группой исследователей под руководством Шемшуровой НТ. предложено определять деформационное упрочнение в зависимости от степени деформации [33]. Так как при производстве гнутых профилей при относительных радиусах изгиба (р 5) имеет место объемное напряженное состояние [68], то при оценке упрочнения необходимо пользоваться величиной интенсивности напряжений (сгг). Ее можно определить, используя регрессионные зависимости интенсивности напряжений от степени деформации, полученные при обработке результатов испытаний образцов деформируемых сталей на растяжение (см. гл. 2).
Для расчета интенсивности деформации использовали формулу, учитывающую внутренний радиус изгиба (Дд) и толщину исходной заготовки (SQ) через коэффициент смещения нейтрального слоя (к): . е =Жы (л \-2-кЛ S0 1 + —— к (3.9) J(Rn +S(\) RJ — RD к = У± — -, (3.10) где S - толщина металла в месте изгиба с учетом утонения, мм. В формуле (3.9) учитывается утонение металла в местах изгиба, для определения которого получена формула (см. гл. 2): ISo-b AS = 0,0081-VVJ —. (ЗЛІ) где кп - коэффициент, учитывающий расположение места изгиба на профиле. Коэффициент упрочнения рассчитываем по формуле [33]: Cj (3.12) Т где і - номер профилирующей клети. Однако замена модуля упрочнения на- коэффициент может внести в расчет суммарных усилий погрешность. Интенсивность напряжений и деформаций связаны между собой линейной зависимостью: ai=aT+n-eh (3.13) где б і - интенсивность деформации, доли единицы. Поэтому предлагаем определять модуль упрочнения по формуле: /7 = l_LZi Ц (3.14) где (єі )і - интенсивность деформации в z -ой клети, доли единицы; ( Ti)i - интенсивность напряжений в /-ой клети, кг/мм2.
При профилировании в валках с конусными профильными элементами на поверхности их контакта с подгибаемым прямолинейным элементом одновременно имеет место трение качения с проскальзыванием и трение скольжения [90]. Давление металла на конусный элемент со стороны подгибаемого элемента можно разложить на две составляющие - вертикальную Ркв и горизонтальную Ркг. Крутящие моменты зависят от сил трения, величина которых определяется силами Ркв, Ркг и коэффициентами трения скольжения и качения с проскальзыванием.
Для ПДО «Е» суммарные давления металла на валки будут определяться в зависимости от калибровки валков в каждой клети. Зная распределение давления в калибрах валков, можно определить суммарные давления металла на валки и крутящие моменты на шпинделях [94].
Для ПДО «Е» с учетом калибровки валков были получены расчетные формулы для определения суммарных усилий профилирования и крутящих моментов (рис. 3.1). Для 1-4 клетей суммарное усилие профилирования и крутящие моменты соответственно будут: Р = 2-Рк +2-Рк1 -cosr + 2-PK2 -со&у cosq? + Ph; (3.15)
Выбор метода решения задачи оптимизации
На сегодняшний день существует проблема несоответствия между качественными характеристиками выпускаемой продукции и требованиями на эту продукцию потребителя. Полигонные испытания показали, что при взаимодействии с конструкцией ограждения, в которую входит ПДО «Е», транспортное средство получает более значительные повреждения, чем при контакте с ограждением с ПДО другого типа и отбрасывается на полосу движения [136].
Под качеством продукции понимается совокупность свойств, обусловливающих ее способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением [126]. Качество продукции является важнейшим фактором экономического роста, непременным условием интенсификации производства.
Применительно к ПДО можно выделить следующие показатели качества: надежность, долговечность, безопасность и экономичность (энергоемкость и металлоемкость). Необходимо, чтобы значения этих показателей удовлетворяли интересам потребителя и производителя ПДО. С позиции производителя требуется оценить возможность производства ПДО в условиях ЛИЦ-7 ЗАО «КГП» ОАО «ММК» на профилегибочном агрегате 2-8x100-600. С потребительских позиций необходимо улучшить показатели качества ПДО при снижении затрат на его производство. Поэтому целесообразно определить удерживающую способность дорожных ограждений, оценить химический состав и механические свойства стали для производства ПДО и геометрические размеры ПДО, выполнить сравнительный расчет себестоимости исходного и усовершенствованного видов ПДО. 6.1. Оценка уровня качества ПДО по химическому составу, механическим свойствам стали марки СтЗкп и геометрическим размерам профиля «Е»
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных примесей: марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, водород, азот и другие, которые влияют на ее свойства [38]. Известно, что с увеличением углерода возрастают твердость, временное сопротивление разрыву и предел текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное поперечное сужение и ударная вязкость. Кремний повышает предел текучести, а марганец заметно повышает прочность. Одна и та же марка стали может иметь разные интервалы значений химических элементов и механических свойств, определенных стандартами. Поэтому для оценки качества ПДО, которое частично определяется прочностными (Of, (JB) И пластическими характеристиками металла (3$), необходимо установить зависимости механических свойств от химического состава.
Нами проведены исследования влияния химического состава на механические свойства стали марки СтЗкп, из которой производят ПДО [127]. Для статистического анализа в ЗАО «КГП» ОАО «ММК» был собран массив данных из шестидесяти наблюдений. В качестве откликов взяты характеристики механических свойств: 7т, Ув и j. Химические элементы являлись факторами. Обработка данных проведена с помощью программы MREG для ЭВМ, разработанной на кафедре ОМД Магнитогорского государственного технического университета доцентами М.И. Румянцевым и Б.Я. Омельченко и предназначенной для выполнения множественного регрессионного анализа [128]. С ее помощью получены уравнения множественной регрессии связи механических свойств стали марки СтЗкп с элементами химического состава: бг=236,9927+219,1470-М,; (6.1) 7я=355,2372+296,6526-С+112,1971 -Ми-65 7,2283-Р-251,7893-О; (6.2) S5=41,5488+90,7794-O. (6.3)
Наименьшее значение коэффициента парной корреляции (rmjn), которое можно считать значимым для шестидесяти наблюдений при доверительной вероятности 95%, составляет 0,254. Так как коэффициент корреляции (7?=0,262) между о? и содержанием марганца больше гш,-„ =0,254, то между ними имеется значимая связь. Это подтверждает регрессионный анализ, где в рамках линейной зависимости значим только коэффициент регрессии марганца. Аналогичным образом были проанализированы остальные зависимости. Из уравнений регрессии видно, что на о существенное влияние оказывает марганец, на т# -углерод, марганец, фосфор и хром, на д$ - хром. Поэтому особенно важно контролировать содержание этих элементов в стали марки СтЗкп.
В условиях ЗАО «КПТ» ОАО «ММК» контроль химического состава и механических свойств металла осуществляется выборочно на отдельных образцах. Проведено сравнение массива данных со значениями элементов химического состава и механических свойств металла, прошедших контроль качества с требованиями ГОСТ 380-94 [129] и ГОСТ 16523-97 [130]. Результаты приведены в табл. 6.1.
По результатам сравнения делаем вывод, что доверительный интервал значений процентного содержания химических элементов и механических свойств соответствует ГОСТ 380-94 [129] и ГОСТ 16523-97 [130], за исключением содержания углерода. С учетом допустимых ГОСТ 380-94 [129] отклонений интервал значений составляет 0,11-0,25%, однако, доверительный интервал фактических значений составляет 0,08-0,18% углерода в стали, хотя значения входящие в выборку не превышают интервала, предусмотренного ГОСТ 380-94 [129]. Поэтому при оценке фактических значений всей партии продукции рекомендуется пользоваться статистическими методами обработки результатов.
