Исследование условий эксплуатации станины пресса силой 750 МН и разработка мероприятий, обеспечивающих безотказную работу пресса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Кулагин, Дмитрий Александрович

• Кулагин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кулагин, Дмитрий Александрович

Введение.

Глава 1. Объект исследования, обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Устройство, принцип работы и технические характеристики пресса силой 750 МН.

1.2.-Свойства материалов базовых деталей пресса силой 750 МН.

1.3. Анализ исследовательских работ, проведенных на прессе силой 750 МН, и их результатов.

Выводы по главе 1, постановка задачи.

Глава 2. Математическое моделирование условий работы станины пресса силой 750 МН и определение напряженно - деформированного состояния её элементов.

2.1. Теоретические основы МКЭ.

2.2. Оценка точности результатов расчетов МКЭ.

2.3. Расчет напряженно — деформированного состояния станины пресса силой 750 МН.

2.4. Уточненный расчет НДС углового соединения станины.

2.5. Оценка степени наклепа поверхности силового контакта пластин ригелей после 50 лет эксплуатации.

2.6. Выбор методики определения коэффициента запаса по усталости.

2.7. Анализ результатов расчета и оценка усталостной прочности станины пресса силой 750 МН.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальное исследование напряженно - деформированного состояния станины пресса силой 750МН.

3.1. Методика проведения измерений.

3.2. Экспериментальное исследование НДС пластин вертикальных стоек.

3.3. Экспериментальное исследование НДС пластин верхних ригелей.

3.4. Анализ полученных результатов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Создание постоянно действующей Системы диагностики базовых деталей станины и параметров технологического процесса пресса силой 750 МН.

4.1. Задачи, решаемые Системой диагностики пресса силой 750 МН.

4.2. Выбор мест установки датчиков, их типа и количества.

4.3. Структура аппаратной части Системы диагностики.

4.4. Математическая обработка измеряемых сигналов.

4.6. Пути расширения технологических возможностей пресса.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий эксплуатации станины пресса силой 750 МН и разработка мероприятий, обеспечивающих безотказную работу пресса»

Мощные гидравлические прессы, осуществляющие процессы обработки давлением, развивают самые большие среди технологических машин усилия. Эти усилия создаются и воспринимаются базовыми деталями (гидравлическими цилиндрами, поперечинами, колоннами, элементами рамных станин). Поэтому базовые детали мощных гидравлических прессов воспринимают весьма высокие уровни удельных нагрузок. Это является причиной того, что наибольшее число отказов мощных гидравлических прессов с наиболее тяжелыми последствиями связано с отказами базовых деталей.

Уникальный гидравлический штамповочный пресс силой 750 МН находится в эксплуатации 50 лет, и, оставаясь самым мощным в мире, становится все более технологически востребованным. Для обеспечения заданных технологических параметров базовые детали пресса силой 750 МН имеют габариты и массы, предельные по условиям изготовления, транспортировки и монтажа. Общая масса базовых деталей такого пресса составляет порядка 25000 тонн, при этом 8600 тонн приходятся на станину, 4800 тонн на узел подвижной траверсы, 2200 тонн на блоки рабочих цилиндров, 1740 тонн на стол с выталкивателем.

Практика эксплуатации показывает, что наибольшее число отказов мощных гидравлических прессов связано с усталостным разрушением базовых деталей, причем проектные запасы усталостной прочности этих деталей составляли 77 = 1,5 - 2,0. В таблице 1 приведены отказы базовых деталей мощных гидравлических прессов, зафиксированные в 2002 - 2010 гг. В связи с весьма длительным процессом накопления и развития усталостных повреждений разрушения базовых деталей (обычно внезапные) происходят через много лет после начала эксплуатации. В качестве характерного примера отметим произошедшее в сентябре 2008 г. внезапное разрушение основания штамповочного пресса силой 500 МН фирмы «Места». Пресс введен в

Таблица 1.

Отказы базовых деталей мощных гидравлических прессов, зафиксированные в 2002-2010 гг.

Пресс Срок эксплуатации, лет Узел Дефект

500 МН (Mesta) 55 основание разрушение

500 МН (КЗТС) 18 станина трещина длиной 100 мм

350 МН (КЗТС) 37 колонны периодические разрушения

300 МН (УЗТМ) 50 колонна трещина, 20% сечения цилиндр трещина в днище 200x50 мм

200 МН (УЗТМ) 50 колонна трещина, 50% сечения стяжки трещина, 50% сечения траверса трещины длиной до 180 мм

200 МН (КЗТС) 37 колонны периодические разрушения

150 МН (УЗТМ) 30 архитрав трещины длиной до 80 мм основание трещины длиной до 330 мм

100 МН (УЗТМ) 35 основание трещины длиной до 200 мм стяжки трещины до 180x75 мм

90 МН (SMS-EUMUCO) 5 архитрав трещины длиной до 50 мм

60 МН (Skoda) 25 цилиндр трещина в днище 560x60 мм

60 МН (УЗТМ) (4 пресса) 25-50 колонна трещина 180x150 мм траверса трещины длиной до 360 мм архитрав трещины длиной до 200 мм основание трещины длиной до 370 мм действие в 1955 г. на заводе фирмы «ALCOA» в г. Кливленд, США. На восстановление работоспособности пресса потребуется более двух лет.

Наиболее нагруженной многоэлементной конструкцией, определяющей прочностную надежность пресса силой 750 МН, является его станина. Габариты станины 11700x15090x30195 мм, масса станины 8600 тонн. В связи с невозможностью дальнейшего увеличения габаритов и массы, пресс был запущен в эксплуатацию при минимальном запасе прочности элементов станины П = 1,08. Минимальные запасы прочности, весьма длительный срок службы и уникальные технологические возможности пресса силой 750 МН определяют актуальность работы по исследованию условий эксплуатации и обеспечению безотказной работы станины пресса.

Целью данной работы является обеспечение безотказной работы станины пресса силой 750 МН. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать теоретическими методами напряженно — деформированное состояние деталей станины и определить запасы усталостной прочности с учетом реальной геометрии и условий совместной работы базовых деталей.

2. Определить величину упрочнения материала за счет наклепа в наиболее напряженной зоне ригеля действующего пресса и ввести корректировку в величину запаса усталостной прочности.

3. Провести экспериментальное исследование напряженного состояния элементов рамы пресса для оценки совместности работы пластин ригелей и стоек.

4. Разработать технические решения, направленные на контроль напряженного состояния станины и обеспечение ее безотказной работы.

По результатам анализа результатов работы сформулированы следующие положения научной новизны:

1. Впервые выявлены наиболее нагруженные элементы пресса, определяющие его долговечность. По результатам исследования напряженно - деформированного состояния станины, проведенного на математических моделях, установлено, что максимальные напряжения во внутренних пластинах верхних ригелей в 1,57 раза больше экспериментально измеренных максимальных напряжений во внешних пластинах. С учетом этой неравномерности запас усталостной прочности станины составляет п = 0,76, что при дальнейшей эксплуатации приведет к возникновению усталостных трещин и разрушению ригелей. Результаты теоретических исследований подтверждаются экспериментальными данными.

2. Впервые выявлено влияние условий сборки и текущего технического состояния базовых деталей пресса на его долговечность.

В результате теоретического анализа напряженно-деформированного состояния станины установлено, что затяжка клиновых сухарей распорного валика, проведенная при сборке пресса, уменьшает амплитудные значения максимальных напряжений пластин ригеля на 14%, что увеличивает коэффициент запаса по усталости станины до п = 0,83.

В результате экспериментальных исследований степени наклепа, проведенного при изготовлении пластины в наиболее нагруженной выкружке, установлено, что существующий наклеп обеспечивает увеличение предела усталости материала в 1,47 раза. С учетом наклепа запас усталостной прочности станины составляет п = 1,22, что обеспечивает неограниченную долговечность ригелей.

3. Разработана Система диагностики базовых деталей станины и параметров технологического процесса пресса силой 750 МН. Система диагностики позволяет в режиме реального времени контролировать состояние элементов станины, своевременно разрабатывать и внедрять технические решения, направленные на предупреждение отказов базовых деталей и расширение технологических возможностей пресса.

ОАО «Корпорация ВСМПО - АВИСМА» приняла решение установить разработанную Систему диагностики на штамповочном прессе силой 750 МН.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Кулагин, Дмитрий Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Пресс силой 750 МН запущен в эксплуатацию в 1961 г. при запасе усталостной прочности п = 1,08, полученном по результатам экспериментальных измерений деформаций в крайних пластинах ригелей без учета неравномерности распределения нагрузки по пластинам. Минимальные запасы прочности, весьма длительный срок службы и уникальные технологические возможности пресса силой 750 МН определяют актуальность работы по исследованию условий эксплуатации и обеспечению безотказной работы станины пресса.

2. Впервые выявлены наиболее нагруженные элементы пресса, определяющие его долговечность. По результатам исследования напряженно - деформированного состояния станины, проведенного на математических моделях, установлено, что максимальные напряжения во внутренних пластинах верхних ригелей в 1,57 раза больше экспериментально измеренных максимальных напряжений во внешних пластинах. С учетом этой неравномерности запас усталостной прочности станины составляет п = 0,76, что при дальнейшей эксплуатации приведет к возникновению усталостных трещин и разрушению ригелей.

3. Впервые выявлено влияние условий сборки базовых деталей пресса на его долговечность. В результате теоретического анализа напряженно - деформированного состояния станины установлено, что затяжка клиновых сухарей распорного валика, проведенная при сборке пресса, уменьшает амплитудные значения максимальных напряжений пластин ригеля на 14%, что увеличивает коэффициент запаса по усталости станины до п = 0,83.

4. Впервые выявлено влияние текущего технического состояния базовых деталей пресса на его долговечность. В результате экспериментальных исследований степени наклепа, проведенного при изготовлении пластины в наиболее нагруженной выкружке, установлено, что существующий наклеп обеспечивает увеличение предела усталости материала в 1,47 раза. С учетом

131 наклепа запас усталостной прочности станины составляет п = 1,22, что обеспечивает неограниченную долговечность ригелей.

5. Проведено экспериментальное исследование распределения нагрузки по пластинам ригелей и стоек станины путем измерения деформаций пластин при штатных технологических операциях. Установлено, что максимальная неравномерность распределения нагрузки по пластинам ригелей превышает расчетную на 11,5%, по пластинам стоек на 4,8%. Показано, что для оценки изменения условий взаимодействия пластин в пакетах ригелей и стоек необходим постоянный контроль их напряженного состояния.

6. Разработана Система диагностики базовых деталей станины и параметров технологического процесса пресса силой 750 МН. Система диагностики позволяет в режиме реального времени контролировать состояние элементов станины, своевременно разрабатывать и внедрять технические решения, направленные на предупреждение отказов базовых деталей и расширение технологических возможностей пресса. ОАО «Корпорация ВСМПО -АВИСМА» приняла решение установить разработанную Систему диагностики на штамповочном прессе силой 750 МН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кулагин, Дмитрий Александрович, 2010 год

1. Некоторые вопросы технологии тяжелого гидропрессостроения. Под редакцией Е.П. Унксова и Б.В. Розанова. «Труды ЦНИИТМАШ» №8. Москва, 1960 г.

2. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1976.

3. С.В. Пинегин, И.Н. Зорев и др. Результаты испытаний углового соединения рам пресса «170» на усталостную прочность. Москва, 1956 г.

4. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. М.: Машгиз, 1963, 282 с.

5. Морозов Б.А., Гальперин М.Я. Изучение усталостной прочности узлов и деталей металлургического оборудования на моделях. «Испытания деталей машин на прочность». Сб. статей под ред. С.В. Серенсена. Машгиз, 1960 г.

6. Усталостные испытания модели углового соединения рамы пресса 170 и поверочные расчеты долговечности действующих мощных прессов. ВНИИМЕТМАШ. Дог. № 161, 1961 г.

7. Исследование модели пресса 170. ВНИИМЕТМАШ. Отчет по теме №17-7317 (дог. №3, 1956 г.).

8. Исследование мощного штамповочного пресса 170, изготовленного НКМЗ. ВНИИМЕТМАШ. Отчет по теме № У-1-06-1, 1960 г.

9. Исследование напряженно деформированного состояния базовых деталей пресса 170 и разработка рекомендаций, повышающих надежность их работы. ВНИИМЕТМАШ. Отчет о научно - исследовательской работе №70693 н/3 70-1404, 1989 г.

10. Исследование напряженно деформированного состояния базовых деталей пресса «170» и разработка рекомендаций по повышению их надежности. ВНИИМЕТМАШ. Отчет о научно - исследовательской работе №70634 н/3 70-2229, 1991 г.

11. Теплый М.И. Контактные задачи для областей с круговыми границами.—Львов: «Вища школа», 1983, 176с.

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

13. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. —Л.: Судостроение, 1977. 280 с.

14. Бреббия К., Телес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов в технике. -М.: Мир, 1987. 524 с.

15. Вольмир А.С., Куранов Б.А., Турбаиевский А.Т. Статика и динамика сложных структур. М.: Машиностроение, 1989. - 248 с.

16. Бате Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М: Стройиздат, 1982. - 448 с.

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

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

19. Рычков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows. М.: NT Press, 2004, 552 с.

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

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

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

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

24. 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.

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

26. 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.

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

28. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005, 640 с.

29. 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.

30. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. М.: «Наука», 1976, 607с.

31. Кулагин Д.А., Сурков И.А., Дубов А.А. Оценка степени наклепа поверхности силового контакта ригелей пресса силой 750 МН после 50 лет эксплуатации // КШП- ОМД. 2009. №10. С. 42-43.

32. Матюнин В.М. Оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 214 с.

33. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: «Наука», 1967, 368 с.

34. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2003, 592 с.

35. Гусев А. С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. -М.: «Машиностроение», 1989, 246 с.

36. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1986, 240 с.

37. Писаренко Г.С., Стрижало В.А. Экспериментальные методы в механике деформируемого твердого тела. Киев: Наукова Думка, 1986. 264 с.

38. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: «Машиностроение», 1987 г.

39. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. Р.А. Макарова. М.: «Машиностроение», 1975. 288 с.

40. Экспериментальная механика / Под ред. Р.К. Вафина, О.С. Нарайки-на. М.: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2004. 136 с.

41. 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.

42. Коркин Н.П. Система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлического пресса со станиной колонного типа // КШП-ОМД. 2008. №6. С. 21-26.

43. Кулагин Д.А., Сурков И.А., Дубов А.А. Оценка степени наклепа поверхности силового контакта ригелей пресса силой 750 МН после 50 лет эксплуатации // КШП- ОМД. 2009. №10. С. 42-43.

44. Матюнин В.М. Оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов. М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 214 с.

45. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: «Наука», 1967, 368 с.

46. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2003, 592 с.

47. Гусев А. С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. М.: «Машиностроение», 1989, 246 с.

48. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1986, 240 с.

49. Писаренко Г.С., Стрижало В.А. Экспериментальные методы в механике деформируемого твердого тела. Киев: Наукова Думка, 1986. 264 с.

50. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: «Машиностроение», 1987 г.

51. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. Р.А. Макарова. М.: «Машиностроение», 1975. 288 с.

52. Экспериментальная механика / Под ред. Р.К. Вафина, О.С. Нарайки-на. М.: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2004. 136 с.

53. 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.

54. Коркин Н.П. Система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлического пресса со станиной колонного типа // КШП-ОМД. 2008. №6. С. 21-26.

55. Патент РФ №2364511. Система диагностики колонн гидравлического штамповочного пресса колонной конструкции / Коркин Н.П., Кулагин Д.А. и др. // Опубл. 20.08.2009. БИ. 2009 №23

56. Измерительный усилитель MGC plus. Руководство по эксплуатации. ЗАО «Месстехник НВМ».

57. Марков Д.Г., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А. Выбор оптимального профиля впадин гребенчатого соединения колонн мощных гидравлических прессов // КШП ОМД. 2007. №11. С. 29-32.

58. Патент РФ №2358873. Корпус рабочего цилиндра мощного гидравлического пресса / Беспалов В.В., Блик Ф.С., Королев С.А., Кулагин Д.А. и др. // Опубл. 20.06.2009. БИ. 2009 №17.

59. Кулагин Д.А., Марков Д.Г., Моисеев А.П., Сурков И.А. Модернизация гидравлических прессов с увеличением сил рабочих цилиндров. // КШП ОМД. 2008. №1. С. 40-43.