Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Сурков, Иван Александрович

• Сурков, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сурков, Иван Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Объект исследования, обзор литературы и постановка задачи

1.1. Объект исследования

1.2. Сведения об отказах колонн

1.3. Напряженное состояние колонн в зависимости от конструкции пресса и режима нагружения

1.4. Обеспечение жесткости станины пресса

1.5. Концентрация напряжений в витках резьбы 20 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Состояние колонн действующих прессов и программный комплекс для исследования условий эксплуатации колонн

2.1. Данные об отказах колонн действующих прессов

2.2. Усталостная прочность сталей для изготовления колонн

2.3. Выбор метода и программы исследования условий эксплуатации колонн

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

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

2.6. Построение математической модели узла колонна-гайки-поперечина и методика их исследования

2.7. Математические модели станин действующих прессов 54 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Исследование условий работы узла колонна-гайки-поперечина и установление причин разрушений колонн

3.1. Влияние ребер и стенок поперечины на распределение давлений в зоне контакта с гайкой колонны

3.2. Исследование прочности резьбы колонн при различных режимах работы и установление причины разрушения колонн

3.3. Исследование работы стыков между гайками колонн и поперечинами методом математического моделирования

3.4. Уточненный расчет термического удлинения при затяжке колонн 85 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Технология создания усилия затяжки, обеспечивающая безотказную работу колонн мощных гидравлических прессов

4.1. Вероятностная составляющая термического удлинения

4.2. Технология затяжки колонн в поперечинах на основе детерминированной оценки вероятностных потерь термического удлинения

4.3. Результаты экспериментального исследования усилия затяжки узла колонна-гайки-поперечина в цеховых условиях

4.4. Внедрение результатов работы 103 Выводы по главе 4 ИЗ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 114 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов»

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

Усилие гидравлического пресса, необходимое для обработки материалов давлением, воспринимается станиной. Гидравлические прессы развивают самые большие среди технологических машин усилия, поэтому детали станины имеют весьма высокие уровни удельных нагрузок, а их надежность определяет надежную работу мощного гидравлического пресса.

Станина гидравлического пресса, содержащая архитрав, колонны и основание, является самым распространенным типом станин мощных гидравлических прессов силой до 300 МН. Архитрав и основание, в зависимости от назначения и мощности пресса, имеют различные конструкции, но конструкция колонн остается практически неизменной, поэтому вопросы обеспечения безотказной работы колонн являются общими для различных типов гидравлических прессов.

Разрушения колонн, длина которых может превышать двадцать метров, а масса достигать 100 тонн, в большинстве случаев являются внезапными. Только технологический цикл изготовления колонны мощного гидравлического пресса составляет от 1,5 до 2 лет, поэтому разрушения колонн приводят к длительным простоям прессов, а во многих случаях, к простоям высокоцикличных технологических линий.

Расчеты колонн, являющихся элементом станины гидравлического пресса, подробно освещены в работах по гидропрессостроению. Однако, ни в одной из работ не указаны какие-либо принципиальные моменты расчетного, конструктивного или технологического характера, снижающие прочность колонн и ограничивающие их долговечность. Подтверждают возможность обеспечения неограниченной долговечности колонн и заводы изготовители. Ни один из них не ограничивает долговечность колонн каким-либо временем эксплуатации и не комплектует пресс запасными колоннами. Практика эксплуатации показывает, однако, что разрушения колонн составляют одну из самых многочисленных групп отказов базовых деталей. Сложившаяся ситуация означает, что от внимания разработчиков ускользнули факторы, оказывающие существенное влияние на прочность колонн.

К настоящему времени срок службы большинства мощных гидравлических прессов составляет 30 и более лет. С увеличением времени эксплуатации увеличивается число разрушений колонн. Значительное число разрушений колонн, вызываемые этими разрушениями длительные простои мощных гидравлических прессов, и отсутствие методов установления причин и предупреждения разрушений определяют актуальность работы, направленной на обеспечение надежного функционирования колонн при длительной эксплуатации прессов.

Целью настоящей работы является обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать и обосновать методику исследования напряженно-деформированного состояния колонн мощных гидравлических прессов при различных конструктивных вариантах и схемах нагружения узла колонна-гайки-поперечина.

2. Исследовать условия совместной работы различных конструктивных вариантов деталей узла колонна-гайки-поперечина при различных режимах эксплуатации.

3. Определить причину отказов колонн с установлением количественных зависимостей, связывающих режимы работы колонн гидравлического пресса с их напряженным состоянием и прочностью материала.

4. Разработать и внедрить технические решения, обеспечивающие безотказную работу колонн мощных гидравлических прессов.

На основании анализа результатов решения задач по пунктам 2-4 сформулированы следующие положения научной новизны настоящей работы:

- установлены зависимости, связывающие конструктивные параметры мощного гидравлического пресса с напряженным состоянием и прочностью колонн;

- установлены причины отказов колонн на основании анализа результатов исследования математических моделей мощных гидравлических прессов;

- разработана и теоретически обоснована технология затяжки колонн, обеспечивающая их длительную безотказную эксплуатацию.

В период с 2000 г. по 2004 г. по предложенной методике осуществлена затяжка колонн 15 прессов силой от 20 МН до 200 МН. После периода эксплуатации, составившего для различных прессов от 2 до 6 лет, раскрытия стыков не выявлено; все узлы колонна-гайки-поперечина работают в проектном режиме.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Сурков, Иван Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разрушения колонн составляют одну из самых многочисленных групп отказов базовых деталей мощных гидравлических прессов. В связи со сложностью конструкции и условий работы узлов колонна-гайки-поперечина для разрушенных колонн не определялись количественные зависимости, связывающие прочность материала колонн с конструкцией базовых деталей и условиями эксплуатации. Анализ причин разрушений ограничивался констатацией усталостного характера разрушения.

2. На основании результатов выполненных исследований установлено, что причиной разрушения колонн является уменьшение или полное отсутствие предварительной затяжки колонн в поперечинах. В принятых методиках расчета термического удлинения не учтены потери усилия затяжки, обусловленные конструктивными особенностями различных типов поперечин и вероятностными потерями за счет обмятая поверхностей и разброса размеров крупногабаритных деталей в пределах допусков.

3. Разработана технология термозатяжки колонн мощных гидравлических прессов, в которой

- термические удлинения, обусловленные конструктивными особенностями различных типов поперечин, учитываются теоретически методом математического моделирования;

- термические удлинения, обусловленные статистическим разбросом обмятий поверхностей и размеров деталей в пределах допусков, переведены из категории вероятностных в категорию детерминированных.

Для каждого узла колонна-гайки-поперечина дается вполне определенная величина термического удлинения, связанная с деформациями деталей и контактирующих поверхностей именно этого узла.

4. В период с 2000 г. по 2004 г. по предложенной методике осуществлена затяжка колонн 17 прессов силой от 10 МН до 200 МН. После периода эксплуатации, составившего для различных прессов от 3 до 6 лет, раскрытия стыков не выявлено; все узлы колонна-гайки-поперечина работают в проектном режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сурков, Иван Александрович, 2007 год

1. Артюхов В. П. Изыскание оптимального профиля резьбы тяжелонагруженных соединений для конструкций мощных гидравлических прессов и других металлургических машин. Дис. канд. техн. наук. - Москва, 1963,135 с.

2. Пылайкин П.А. Анализ разрушений базовых деталей мощных гидравлических прессов. Кузнечно-штамповочное производство, 1966 г, №3, с. 21-27.

3. Сторожев М.В. Гидравлические прессы кузнечно-штамповочного производства. Энциклопедический справочник "Машиностроение", т. 8, - М.: Машгиз, 1949, с.456 -461.

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

5. Винокурский Х.А. Расчет колонн гидравлических прессов, М.: Машгиз,1950,75 с.

6. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Щеглов В.Ф., Понгильский Н.Ф. Элементырасчета и инструкции по эксплуатации тяжелых гидравлических прессов. Отчет ВНИИМЕТМАШ, Москва, 1954.

7. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Щербаков Р.Д. и др. К расчетам колоннгидравлических прессов, Труды/ЦНИИТМАШ, 1959, №3, с. 49-77.

8. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М., Машгиз, 1959.

9. Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы. М.: Машиностроение,1965,315 с.

10. Койрес В. И. К расчету ковочного пресса в условиях эксцентричного нагружения. Кузнечно-штамповое производство, 1984, №6.

11. Будман М. И., Кагановский Ф. И. К расчету колонн гидравлических прессов. Кузнечно-штамповое производство, 1988, №3.

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

13. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность ирасчет деталей машин на прочность. М.: «Машиностроение», 1975, 488с.

14. Биргер И.А. М., Расчет резьбовых соединений. Оборонгиз, 1959, 253 с.

15. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчет на прочность деталеймашин. М., «Машиностроение», 1966, 616с.

16. Данилов В.К. Определение коэффициента нагрузки и распределения напряжений в стыке, Инженерно физический журнал АН БССР, №8, 1958.

17. Куклин Б.В. Уточнение расчетов резьбовых соединений. «Вестник машиностроения», 1957, № 3.

18. Хирджиев С.Г., Гриншпун Л.Я., Руководящий материал РМ 94 68 «Расчет термической затяжки колонн гидравлических прессов», НИИТЯЖМАШ УЗТМ, Свердловск, 1968

19. Гоберман П.Н. Стабильность резьбовых соединений, «Вестник машиностроения», 1949, №4.

20. Мамаджанов И.Г. К вопросу о стабильности болтовых соединений в условиях переменных нагрузок, Труды Новочеркасского Политехнического института, т. 76/90,1958.

21. Кухтенков В.М., Влияние микрогеометрии поверхности стыка на стабильность затяжки болтового соединения, Труды ХПИ, т.2, вып. 5, 1954.

22. Овсиенко Г.И. Причины самоотвинчивания гаек болтовых соединений при вибрации, Труды АН УССР, 1960, №5.

23. Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А. Анализ отказов, предупреждение разрушений и восстановление базовых деталеймощных гидравлических прессов //Технология легких сплавов,№1-2, 2006 г., с. 181-189.

24. Сурков А.И., Курович А.Н., Сурков И.А. Обеспечение прочностной надежности базовых деталей мощных гидравлических прессов на стадиях проектирования и эксплуатации //Тяжелое машиностроение. 2003. №5. с. 35 -37.

25. Сурков И.А. Установление причин и предупреждение разрушений колонн мощных гидравлических прессов. Кузнечно-штамповочное производство, 2004 г. №3, с. 42-45.

26. Гохберг М.М., Пылайкин П.А., Юшкевич В Н. Усталостная прочность сталей для прессов. В кн. Производство крупных машин. Выпуск XXI. Гидравлические прессы, М.: Машиностроение, 1971, с. 10-34.

27. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: «Мир», 1975, 541с.

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

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

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

31. Теплый М. И. Контактные задачи для областей с круговыми границами.

32. Львов: «Вища школа», 1983,176с.

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

34. Сакало В. И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. М.: «Машиностроение», 2004,496с.

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

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

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

38. 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.

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

40. 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.

41. Аттетков А. В., Галкин С. В., Зарубин В. С. Методы оптимизации. М.:

42. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001,440с.

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

44. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах. М.: «КомпьютерПресс», 2002, 224с.

45. Хан X. Теория упругости. М.: «Мир», 1988, 344с.

46. Кац A.M. Теория упругости. Санкт-Петербург: «Лань», 2002, 207с.

47. Кулагин Д.А., Моисеев А.П. Сурков И.А. Математические модели мощных гидравлических прессов и результаты условий взаимодействия их базовых деталей. 2-я конференция молодых специалистов «Металлургия XXI век». Москва, ВНИИМЕИМАШ, 2006 г.

48. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность ирасчет деталей машин на прочность. М.: «Машиностроение», 1975, 488с.

49. Когаев В. П., Дроздов Ю. Н. Прочность и износостойкость деталей машин. -М.: «Высшая школа», 1991, 319с.

50. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. -М.: Машиностроение, 1993, 630с.

51. Киммельман Д.Н. Расчет деталей машин на прочность при переменных напряжениях. Машгиз.М-Jl. 1950. 150 с.

52. Сурков И.А. Состояние и перспективы обеспечения прочностной надежности базовых деталей мощных гидравлических прессов //Заготовительные производства в машиностроении. 2004.№3. с. 24 29.

53. Сурков И.А., Шумилов А.В. Гарантийный срок и прочностная надежность базовых деталей мощных гидравлических прессов. Кузнечно-штамповочное производство, 2006 г., №11, с. 30-38.

54. Патент на изобретение №2253571, РФ, 2005 г. Сурков И.А., Моисеев А.П., Кулагин Д.А. Устройство для затяжки гаек колонн гидравлических прессов.

55. Патент на изобретение № 2252874, РФ, 2005 г. Сурков И.А., Моисеев А.П., Кулагин Д.А. Способ затяжки гаек колонн гидравлического пресса.

56. Антонов А.А., Бобрик А.И.и др. Определение остаточных напряжений при помощи создания отверстий и голографической интерферометрии. Механика твердого тела, 1980, № 2, с.182 -189.

57. Фирсов В.Т., Гречушкин.Г.М. Исследование остаточных напряжений в валках прокатных станов. Отчет ВНИИМЕТМАШ, Москва, 1989.

58. Сурков А. И., Шпыгарь С. А. Контроль усилия затяжки колонн гидравлических прессов. Кузнечно прессовое машиностроение, 1986, №3, с.28-29.

59. Проведение ремонтно-восстановительных работ вертикального штамповочного пресса усилием 30 ООО тс фирмы «Шлеман», установленного на КУМЗ, Отчет НИИИТЖМАШ УЗТМ, 1973.

60. Монахов Г.П., Сурков А.И. Исследование напряженно -деформированного состояния, прогноз надежности и оценка долговечности базовых деталей пресса усилием 30 ООО тс фирмы «Шлеман». Отчет ВНИИМЕТМАШ, 1987.

61. Монахов Г.П., Сурков А.И. Контроль усилия затяжки колонн пресса усилием 100 МН фирмы «Места». Отчет ВНИИМЕТМАШ, Москва, 1989.

62. Сурков А.И., Гольман Л.Д., Шпыгарь С.А., Лобанов М.А. Исследование и совершенствование конструкции пресса усилием 20000 тс для формовки труб 0 1220 мм. Отчет ВНИИМЕТМАШ, Москва, 1980.