Исследование условий эксплуатации и разработка системы управления прочностными и технологическими параметрами гидравлических прессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Коркин, Николай Павлович

• Коркин, Николай Павлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коркин, Николай Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Сведения об отказах базовых деталей гидравлических прессов.

1.2. Методы и результаты расчета напряженно-деформированного состояния базовых деталей.

1.2.1. Главные цилиндры.

1.2.2. Литые поперечины.

1.2.3. Колонны.

1.3. Результаты экспериментального исследования влияния эксцентриситета силы пресса на напряженное состояние базовых деталей.

1.4. Методика и аппаратура контроля и ограничения эксцентриситета.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРЕССОВ СО СТАНИНОЙ КОЛОННОГО ТИПА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ.

2.1. Объект исследования.

2.2. Выбор метода и программы исследования базовых деталей с обеспечением геометрического и силового подобия расчетной модели и натурной конструкции.

2.3. Оценка точности математического моделирования задач о контактном взаимодействии и концентрации напряжений по результатам точных аналитических решений.

2.4. Оценка точности математического моделирования многоэлементных соединений по результатам эксперимента методом фотоупругости.

2.5. Математические модели прессов силой 60 МН и 300 МН и локальные модели отдельных узлов и деталей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И КРИТЕРИЙ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА СИЛЫ ПРЕССА.

3.1. Общие положения.

3.2. Подвижная поперечина пресса силой 60 МН.

3.3. Колонны пресса силой 60 МН.

3.4. Колонны пресса силой 300 МН.

3.5. Критерий эксцентриситета силы пресса.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОГРАНИЧЕНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА СИЛЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА СИЛОЙ 300 МН.

4.1. Общие положения.

4.2. Алгоритм определения величины и направления максимального напряжения в колонне пресса.

4.3. Определение места расположения измерительных датчиков системы диагностики.

4.4. Тензометрические датчики, место их расположения и меры защиты от механических повреждений и агрессивной среды.

4.5. Аппаратная часть Системы.

4.6. Программное обеспечение системы управления.

4.7. Порядок работы программы.

4.8. Отображение информации о напряженном состоянии колонн на экране монитора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ОТРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПУСКОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЕССА.

5.1. Оценка времени возможной задержки сигнала.

5.2. Установление и устранение причины эксцентричного нагружения пресса

5.3. Предупреждение аварийных ситуаций, связанных с условиями эксплуатации пресса.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий эксплуатации и разработка системы управления прочностными и технологическими параметрами гидравлических прессов»

Мощные гидравлические прессы входят в состав машин,, составляющих основу промышленного и оборонного потенциала России. Продукция, выпускаемая на этих прессах, используется во всех отраслях промышленности. i

Весьма значительные силы, необходимые для; осуществления технологических: процессов обработки давлением, создаются и воспринимаются деталями станины (базовыми деталями) гидравлического пресса. Большинство мощных гидравлических прессов, силой до 300 МН имеют станину, колонного типа, в состав которой; входят, главные цилиндры,, поперечины, колонны. По технологическим возможностям крупнейших машиностроительных. заводов габариты и масса базовых деталей- мощных, гидравлических прессов являются? предельными, поэтому повышение их запасов прочности не может быть получено за счет увеличения- металлоемкости.

Процесс обработки? давлением; происходит, как правило, при эксцентричной силе пресса, когда, равнодействующая; сил,, приложенных к деформируемому телу, не совпадает с осью пресса. При- эксцентричной силе пресса возникают более высокие (по сравнению? с центральной силой); напряжения; в базовых деталях. Уровень этих напряжений может превысить допустимые величины^ что приведет к-разрушению деталей, масса и габариты.которых достигают сотеттонн и десятков метров. Только технологический цикл изготовления» таких деталей составляет от 1,5 до 2 лет, поэтому разрушения? базовых деталей; приводят к длительным простоям прессов, а, во многих случаях, к простоям 1 ■ . высокоцикличных технологических линий. Эксцентриситет силы, пресса влияет и на качество; штамповок,, вызывая перекос, подвижной поперечины и клиновидность штампуемого изделия.

Необходимость оснащения мощных гидравлических: прессов*! системами контроля;и ограничения;эксцентриситета силы пресса неоднократно отмечалась в. литературе по гидропрессостроению. При создании таких систем были разработаны специальные датчики и программно-аппаратное обеспечение.

Однако, сложность и громоздкость механической аппаратуры восприятия, передачи и преобразования деформаций деталей пресса в электрические сигналы не позволили запустить эти системы в промышленную эксплуатацию. К 2003 г. ни один из гидравлических прессов в России не был оснащен постоянно действующей системой контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса.

Срок службы большинства мощных гидравлических прессов составляет 30 — 40 и более лет. Обеспечение надежности этих прессов на дальнейший длительный период эксплуатации и повышение качества изделий ответственного назначения определяют актуальность работы, направленной на создание системы контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса.

Цель настоящей работы заключается в создании системы контроля и ограничения эксцентриситета силы гидравлического пресса со станиной колонного типа. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать и обосновать методику исследования напряженно-деформированного состояния базовых деталей при центральной и эксцентричной силах мощного гидравлического пресса.

2. Выполнить исследование напряженно-деформированного состояния базовых деталей при центральной и эксцентричной силах пресса.

3. По результатам исследования разработать критерии и основные технические решения системы управления прочностными и технологическими параметрами пресса.

4. Разработать программно-аппаратное обеспечение системы управления прочностными и технологическими параметрами пресса.

По результатам анализа результатов работ по п.п. 2—4 сформулированы следующие положения научно-технической новизны:

- установлены зависимости, связывающие прочность и долговечность базовых деталей с эксцентриситетом нагружения пресса;

- теоретически обоснована, разработана, изготовлена и запущена в эксплуатацию постоянно действующая система управления прочностными и технологическими параметрами пресса усилием 300 МН. Система контролирует эксцентриситет при каждой штамповке и ограничивает силу пресса, если напряжения в колоннах превышают заданный уровень.

Система управления прочностными и технологическими параметрами мощного гидравлического пресса со станиной колонного установлена в 2003г. на ОАО «ВСМПО-АВИСМА» на прессе силой 300 МН. Использование системы позволяет:

- предотвратить перегрузки колонн, вызываемые эксцентриситетами приложения технологической нагрузки;

- выполнить корректировку положения штамповой оснастки и свести к минимуму эксцентриситет технологической нагрузки.

- установить зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Коркин, Николай Павлович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния базовых деталей прессов со станиной колонного типа силой 60 и 300 МН при центральном и эксцентричном нагружениях методом математического моделирования. На основании результатов исследований:

- показано, что наличие эксцентриситета приложения силы пресса в существенной степени сказывается на прочности колонн, поэтому индикатором величины и направления эксцентриситета силы пресса является напряженное состояние колонн пресса;

- установлено, что наиболее напряженными зонами колонн, где должны быть расположены измерительные элементы, являются сечения вблизи верхних внутренних гаек колонн; найдены зависимости, связывающие показания чувствительных элементов с величинами и угловыми положениями максимальных напряжений в колоннах, которые характеризуют эксцентриситет силы пресса.

2. Разработана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Применение Системы позволяет:

- предотвращать критические ситуации на прессе при возникновении недопустимых величин напряжений вследствие эксцентриситета нагружения путем ограничения силы пресса;

- устанавливать зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора;

- контролировать эффективность внедрения технических решений по устранению недопустимых величин эксцентриситета силы пресса;

- выполнять корректировку параметров технологического процесса и оценивать качество монтажа колонн.

3. Впервые в практике мирового преееостроения создана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Система внедрена на ОАО «ВСМПО-АВИСМА» на прессе силой 300 МН конструкции УЗТМ и находится в эксплуатации с 2004 г. Претензий к работе системы нет.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коркин, Николай Павлович, 2009 год

1. Г. Сторожев М.В'. Гидравлические прессы кузнечно-штамповочного производства. Энциклопедический справочник "Машиностроение", т. 8, - М.: Машгиз, 1949, С. 456-461.

2. Сторожев М.В. Изгиб колонн гидравлических прессов. В сб. Исследования в области штамповочного производства.- М.: Машгиз, 1960, С. 95-125.

3. Винокурский Х.А. Расчет колонн гидравлических прессов.- М.: Машгиз, 1950; 75 с.

4. Михеев В.А. Гидравлические прессовые установки.- М.: Машгиз, 1959, 373 С.

5. Розанов Б.В: Гидравлические прессы. М., Машгиз, 1959, 425 С.

6. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Щербаков Р1Д. и. др. К расчетам колонн гидравлических прессов, Труды/ЦНИИТМАШ, 1959; №3, С. 49-77. "

7. Мюллер Э. Гидравлические прессы- и их приводы. М.: Машиностроение, 1965, 315 С.

8. Койрес В. И. К расчету ковочного пресса в. условиях эксцентричного нагружения//Кузнечно-штамповое производство. 1984. №6. С. 20-23.

9. Будман М. И:, Кагановский Ф. И. К расчету колонн, гидравлических прессов. Кузнечно-штамповое производство, 1988, №3. С.21-23.10i Васильев'В.В. Гидравлические прессы. М.: Машиностроение, 1966, 450 С.

10. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. Ml: Машиностроение, 1971, 214 С.

11. Карасев М.А. Баранов И.В., Блик Ф. С., Сошников B.C. Кузнечно-прессовое оборудование Уралмашзавода. «Марат», г. Екатеринбург, 2004г., 479

12. Сурков А.И. Разработка теории прогнозирования и конструктивное обеспечение надежности базовых деталей уникальных гидравлических штамповочных прессов.- Дис. . докт. техн. наук.- Москва, 1985, 420 С.

13. Пылайкин П.А. Анализ разрушений базовых деталей мощных гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. №3. С. 21-27.

14. Кибардин Л.П. Анализ разрушений гидравлических цилиндров.- В кн.: Гидравлические прессы.- М.: Машиностроение, 1966, С. 414 — 421.

15. Сурков И.А. Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов: Дис. . канд. техн. наук. - Москва, 2007, 125 С.

16. Сурков И.А. Установление- причин и предупреждение разрушений колонн мощных гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. 2004. №3. С. 42-45.

17. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Максимов Л.Ю. Исследование и расчет напряжений в гидравлических цилиндрах. Труды/ЦНИИТМАШ, 1959, №3, С. 28-48.

18. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. — М.: Физматгиз 1966, 635 С.

19. Китаин Р.С. Исследование напряженного состояния и разработка инженерных методов расчета цилиндрических элементов базовых деталей гидравлических прессов. Дис. . канд. техн. наук. Москва, 1968, 135 С.

20. Китаин Р.С. Взаимодействие между фланцем рабочего цилиндра и траверсой пресса// Кузнечно-штамповочное производство, 1968 г. №7, С. 26-30.

21. Китаин Р.С., Викулин А.Т., Сурков А.И. Исследование и расчет напряжений в гидравлическом цилиндре при неравномерной опоре фланца.

22. Банкетов A.M. Ланской Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование. — М.: Машиностроение. 1982, 525 С.

23. Лиснянский P.M. Устройство для определения механических напряжений в частях машин. Авторские свидетельства № 129374 и № 129375.

24. Линц В.П., Медвинский М.Д., Рипп Е.Х. и др. Аппаратура для контроля напряжений и учета количества нагружений// Кузнечно-штамповочное производство. 1961. №7. С. 29-32.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: «Мир», 1975, 541С.

26. Крылов О. В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах. -М.: «Радио и связь», 2002, 104 С.

27. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: «Мир», 1977, 349 С.

28. Деклу Ж. Метод конечных элементов. — М.: «Мир», 1976, 94 с.

29. Теплый М. И. Контактные задачи для областей с круговыми границами. -Львов: «Вищашкола», 1983, 176 С.

30. Александров В. М., Пожарский Д. А. Неклассические пространственные задачи механики контактных взаимодействий упругих тел. — М.: «Факториал», 1998, 288 С.

31. Сакало В. И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. — М.: «Машиностроение», 2004, 496 С.

32. Francavilla A., Zienkiewicz О. С. A note on numerical computation of elastic contact problems // Journal for Num. Math. In Engineering. 1975. Vol. 9. P. 913-924.

33. Bai X., Zhoo X. Analysis of large deformation elastoplastic contact through finite gap elements // Computers & Structures. 1988. Vol. 30.

34. Mazurkiewicz M., Ostachowicz W. Theory Of Finite Element Method For Elastic Contact Problems Of Solid Bodies. Computers&Structures, Vol.17, 1983.

35. Simo J.C., Wriggers P., Taylor R.L. A perturbed Lagrangian formulation for the finite element solution of contact problems // Computer methods in applied mechanics and engineering. 1985, vol. 50, pp. 163-180.

36. Bahram Nour-Omid, Peter Wriggers A Two-Level Iteration Method For Solution Of Contact Problems. Computer Methods In Applied Mechanics And Engineering, 1986.

37. Cheng W. Q., Zhu F., Luo J. W. Computational finite element analysis and optimal design for multibody contact system // Computer methods in applied mechanics and engineering. 1988. Vol. 71. P. 31 — 39.

38. Аттетков А. В., Галкин С. В., Зарубин В. С. Методы оптимизации. -М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001, 440 с.

39. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферова М. A. ANSYS в руках инженера. М.: «УРСС», 2003, 269 С.

40. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах. — М.: «КомпьютерПресс», 2002, 224 С.

41. Хан X. Теория упругости. М.: «Мир», 1988, 344 С.

42. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: «Наука», 1975, 575 С.

43. Артюхов В. П. Изыскание оптимального профиля резьбы тяжелонагруженных соединений для конструкций мощных гидравлических прессов и других металлургических машин. — Дис. . канд. техн. наук. — Москва, 1963, 150 С.

44. Розанов Б.В. Исследования и методы расчета гидравлических прессов. Дис. . докт. техн. наук.- Москва, 1963, 263 С.

45. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. — М.: Машгиз, 1963, 282 С.

46. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета нагружения гидравлического пресса на напряженное состояние подвижной поперечины// Кузнечно-штамповочное производство — Обработка материалов \ давлением. М., 2008, №4.

47. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета нагружения на напряженное состояние колонн мощного гидравлического пресса// Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. М., 2008, №5. С.

48. Сурков А.И., Шпыгарь С.А. Контроль усилия затяжки колонн гидравлических прессов// Кузнечно-штамповое производство. 1986. №3. С. 2829.

49. Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А. Анализ отказов, предупреждение разрушений, и восстановление базовых деталей мощных гидравлических прессов// Технология легких сплавов. 2006. № 1 — 2. С.181 189.

50. Коркин Н.П. Система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлического пресса со станиной колонного типа// Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. 2008. №6. С. 21-26.j

51. Патент РФ № 2364511. Устройство системы диагностики гидравлического штамповочного пресса колонной конструкции / Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Марков Д.В. и др.// Опубл. 20.08.2009. БИ. 2009 №23. ^