Разработка, исследование и обоснование технических решений для увеличения силы гидравлического пресса с 200 до 350 МН. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Марков, Дмитрий Геннадьевич

• Марков, Дмитрий Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Марков, Дмитрий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. Состояние и перспективы обеспечения топливно-энергетического комплекса России нефтегазовыми трубами нового сортамента

1.2. Основные направления производства труб нового сортамента

1.3. Объект исследования

1.4. Конструкции прессов силой 300 МН и выше

1.5. Методы расчета и экспериментального исследования базовых деталей прессов

1.6. Метод конечных элементов в исследовании гидравлических прессов

1.7.Механические и усталостные характеристики материала базовых деталей

1.8. Основные направления и задачи модернизации пресса окончательной формовки

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Математическая модель пресса П

2.1. Оценка точности математического моделирования по результатам эксперимента методом фотоупругости

2.2. Математические модели узлов и деталей пресса

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Исследование технических решений для увеличения силы пресса путем увеличение силы существующих рабочих цилиндров

3.1. Прочность цилиндров при увеличении силы за счет повышения давления рабочей жидкости и за счет увеличения внутреннего диаметра

3.2. Напряженное состояние и прочность поперечин при увеличении силы пресса до 350 МН

3.3. Прочность и долговечность колонн при увеличенных нагрузках и различных режимах работы

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка технического решения по увеличению силы пресс П0753 с использованием дополнительных прессов

4.1. Поиск принципиального конструктивного решения

4.2. Комплексное конструктивно-технологическое решение по увеличению силы пресса П0753 с 200 МН до 350 МН

4.3. Выбор разъемного соединения колонны и плунжера дополнительных прессов

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Исследование и обоснование предложенной схемы модернизации по критерию обеспечения прочностной надежности базовых деталей

5.1. Существующие базовые детали пресса

5.1.1. Рабочие цилиндры

5.1.2. Поперечины

5.1.3. Колонны

5.1.4. Балка и штамп

5.2. Детали дополнительных прессов

5.2.1. Узел цилиндр-колонны-накладка

5.2.2. Узел плунжер-разъемная гайка-колонна

5.2.3. Верхняя и нижняя дополнительные поперечины 114 Выводы по главе

ГЛАВА 6. Практические результаты работы

6.1. Выполнение проекта модернизации на ОАО «ЧТПЗ». Формовка на прессе П0753М заготовок труб нового сортамента

6.2. Экспериментальное исследование модернизированного пресса

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка, исследование и обоснование технических решений для увеличения силы гидравлического пресса с 200 до 350 МН.»

Актуальность

Магистральный трубопроводный транспорт является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Реконструкция существующих и строительство'новых магистральных трубопроводов требует как увеличения объемов производства трубной продукции, так и повышения ее качества. Для получения труб диаметром* 1220'мм с увеличенными пределом текучести материала и толщиной стенки необходимо осуществлять окончательную формовку заготовок с силой 350 МН. На существующей линии по производству труб большого диаметра на ЗАО «ЧТПЗ» окончательная формовка заготовок осуществляется на прессе П0753 с максимальной силой 200' МН. То есть, для получения труб заданного сортамента, требуется строительство новой линии. Общий объем инвестиций в строительство нового цеха и-линии производства труб составит около 350 млн. евро, на реализацию проекта потребуется не менее 5 лет.

Более выгодной экономически является модернизация существующей линии производства труб. Общий объем инвестиций в реконструкцию трубо-электросварочного цеха составляет около 35 млн. евро, срок реализации 1 -1,5 года, время остановки линии для проведения строительно-монтажных работ составляет 30 суток. Значительно больший экономический эффект будет получен за счет сокращения сроков ввода в эксплуатацию линии производства труб нового сортамента.

Обеспечение возможности получения нефтегазовых труб нового сортамента в кратчайшие сроки и с минимальными затратами определяет актуальность работы по модернизации линии производства труб диаметром 1220 мм с увеличением силы пресса окончательной формовки П0753 в 1,75 раза с 200 МН до 350 МН.

Цель и задачи работы

Целью работы является получение технических решений направленных на увеличение силы пресса окончательной формовки заготовок нефтегазовых труб диаметром 1220 мм в 1,75 раза с 200 до 350 МН. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1) Построить математическую модель пресса позволяющую исследовать условия взаимодействия базовых деталей, и определять величины реальных напряжений в зонах концентрации.

2) Исследовать базовые детали существующего пресса с целью определения возможности повышения его силы и выбора направлений модернизации.

3) Разработать конструктивно-техническое решение для увеличения силы пресса с 200 до 350 МН;

4) Выполнить теоретическое исследование и оптимизацию новых конструктивных решений по критерию прочностной надежности с целью обеспечения длительной безотказной работы базовых деталей модернизированного пресса;

5) Выполнить экспериментальное исследование базовых деталей модернизированного пресса для подтверждения достоверности результатов работы.

Научная новизна

Диссертация содержит следующие элементы новизны.

1. Разработаны оптимальные параметры профиля гребенчатого соединения колонн пресса, за счет исследования влияния величины радиуса галтели впадин на величину максимальных напряжений, что позволило на 74% повысить его нагрузочную способность при сохранении габаритных и посадочных размеров.

2. Разработаны оптимальные параметры галтели фланца главного цилиндра, благодаря чему удалось обеспечить неограниченную долговечность детали при повышении нагрузки в 1,15 раза.

3. Разработана конструкция дополнительных прессов с использованием цилиндров двойного действия, совмещающих в себе функции рабочего и возвратного цилиндров. Предложена конструктивная схема колонного пресса с встроенным в него дополнительным, позволяющая повысить его силу без увеличения нагрузки на базовые детали и изменения габаритов.

Достоверность

Для подтверждения достоверности разработанных в работе теоретических положений и выбранных на их основе конструктивных параметров деталей и узлов модернизированного пресса проведено его экспериментальное исследование в промышленных условиях методом электротензометрии.

Модернизированный пресс успешно эксплуатируется с 2005 г. Практическая ценность

Увеличение силы пресса дало возможность увеличить толщину стенки трубной заготовки с 15 мм до 22 мм и повысить предел текучести материала с 460 МПа до 620МПа, что позволяет более чем в два раза расширить сортамент выпускаемых труб.

Внедрение

Проект модернизации реализован на Челябинском Трубопрокатном Заводе. Модернизированный пресс П0753 М силой 350 МН запущен в эксплуатацию в маё 2005 года. Линия производства труб с прессом- окончательной формовки П0753 выпускает трубы диаметром 1220 мм с толщиной стенки 22 мм из материала категории прочности Х70, предназначенные для строительства трубопроводов всех категорий во всех климатических зонах.

Публикации

По теме диссертации в журналах опубликовано 3 статьи, получены 3 патента Р.Ф. на изобретения.

Структура и объем

Диссертация состоит из шести глав. Основное содержание и выводы изложены на 129 страницах. В работе 66 рисунков, 4 таблицы, список литературы содержит 35 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Марков, Дмитрий Геннадьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана конструкция дополнительных прессов с использованием цилиндров двойного действия, совмещающих в себе функции рабочего и-возвратного цилиндров. Предложена конструктивная схема колонного пресса с встроенным-в него дополнительным прессом, позволяющая повысить его силу без увеличения нагрузки на базовые детали и изменения габаритов.

2. На основании анализа математической модели выбраны оптимальные параметры галтели фланца главного цилиндра, благодаря чему удалось обеспечить неограниченную долговечность детали при увеличении давления рабочей жидкости в 1,15 раза с 32 до 37 МПа.

3. На основании анализа математической модели выбраны оптимальные параметры профиля гребенчатого соединения колонн пресса. Благодаря этим исследованиям удалось повысить несущую способность соединения, при сохранении габаритных и посадочных размеров. Разработанная конструкция узла позволяет гарантировать неограниченную долговечность его деталей.

4. Проведенные исследования и предложенные конструктивно-технологические решения позволили разработать и осуществить проект модернизации пресса П0753М с увеличением его силы с 200 до 350 МН. при сохранении существующих базовых деталей Увеличение силы пресса осуществлено встраиванием в его конструкцию пяти дополнительных прессов и общим увеличением давления рабочей жидкости с 32 до 37 МПа. Модернизированный пресс П0753 запущен в эксплуатацию на ЧТПЗ в июле 2005 г., что * позволило расширить сортамент выпускаемых труб более чем в два раза.'

5. Для подтверждения достоверности разработанных в работе теоретических положений и выбранных на их основе конструктивных параметров деталей и узлов модернизированного пресса проведено его экспериментальное исследование в промышленных условиях методом электротензометрии. Неравномерность нагружения колонн пресса и отклонение фактического усилия от расчетного находится в допустимых пределах, что свидетельствует о правильности выбора конструктивных параметров рабочих цилиндров и соединений.

6. Модернизация мощного гидравлического пресса с увеличением его силы в 1,75 раза с 200 до 350 МН, при сохранении существующих базовых деталей и общей компоновки пресса осуществлена впервые в мировой практике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Марков, Дмитрий Геннадьевич, 2009 год

1. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов. М.: ОГИЗ, 1946 г. - 608 с.

2. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. -М.: Издательство Мир, 1974 г.-303 с.

3. Артюхов В.П. Изыскание оптимального профиля резьбы тяжелонанружен ных соединений для конструкций мощных гидравлических прессов и других металлургических машин. Дис. канд. техн. наук. М.: 1963 г. - 135 с.

4. Сурков А. И. Напряженное состояние цилиндров с фланцевым опиранием // Кузнечно-штамповочное производство. 1979 г. №11 - С. 23 - 24.

5. 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.

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

7. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: «Мир», 1975 г. -283 с.

8. Ю.Крылов О. В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах. М.: «Радио и связь», 2002 г - 184 с.

9. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: «Мир», 1977-252 с.

10. Деклу Ж. Метод конечных элементов. — М.: «Мир», 1976 310 с.

11. Теплый М. И. Контактные задачи для областей с круговыми границами. — Львов: «Высшая школа», 1983 —210 с.

12. Александров В. М., Пожарский Д. А. Неклассические пространственные задачи механики контактных взаимодействий упругих тел. М.: «Факториал», 1998-326 с.

13. Сакало В. И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. М.: «Машиностроение», 2004 - 295 с.

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

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

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

17. Simo J.C., Wriggers P., Taylor R.L. A perturbed Lagrangian formulation for-the finite element solution of contact problems // Computer methods in1,applied mechanics and engineering. 1985, vol. 50.

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

19. 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

20. Аттетков А. В., Галкин С. В., Зарубин В. С. Методы оптимизации. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001 — 146 с.

21. Биргер. И. А., Шор Б. Ф. Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин, 1979 г. 702 с.

22. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Перевод с английского М. Мир. 1984 г.-428 с.

23. С. В. Серенсен, В. П. Когаев, Р. М. Шнайдерович. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. — М.: «Машиностроение» , 1975 г. -723 с.

24. В. П. Когаев. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. М .: «Машиностроение», 1977г. - 520 с.

25. Сурков И. А. Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов. Дис. канд. техн. наук. - М: 2007г. - 120 с.

26. Решетов Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М.:

27. Высшая школа», 1974г. 206 с.

28. И. А. Сурков, А. П. Моисеев, Д. А. Кулагин Отчет ООО «Надежность Плюс» по договору №82 от 20. 09. 2005.

29. В. М. Браславский Технология обкатки крупных деталей роликами. — М «Машиностроение» 1975 г. 160 с.

30. Доклад. Президента ОМК A.M.* Седых на XIII Международной научно-практической конференции «Трубы-2005». Челябинск 2005 г. - 65 с.

31. Модернизация гидравлических прессов с увеличением силы рабочих цилиндров. Кулагин Д.А., Марков Д.Г., Сурков И.А. и др. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. №1. 2008 г. С. 40-43.

32. Модернизация пресса окончательной формовки заготовок нефтегазовых труб с увеличением силы с 200 МН до 350 МН. Марков Д.В., Марков Д. Г., Сурков И.А., и др. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. №12. 2007 г. С 30-33

33. Выбор оптимального профиля впадин гребенчатого соединения колонн мощных гидравлических прессов. Кулагин Д.А., Марков Д.Г., Сурков И.А. и др. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. №11. 2007 г. С 29-32.

34. Получено положительное решение о выдаче патент РФ на изобретение.: Корпус рабочего цилиндра мощного гидравлического пресса / Марков Д.Г., Моисеев А.П., Сурков И.А. и др.// Заявка № 2007128882. Опубл. 10.02.2009> Бюл. №4.