Определение напряженно-деформированного состояния цилиндрических деталей при обкатке плоскими плитами

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Напыленный слой имеет твердую прослойку на мягкой основе, что существенно повышает износостойкость.

2. Подача наплавочного порошка в предварительно подогретую зону трубы (=1100°С) обеспечивает высокую прочность сцепления с основой, обусловленную сплавлением, а не адгезией, несущей опасность отслаивания.

3. Все участки протяженной зоны термовлияния имеют равновесные феррито-перлитные структуры с малой величиной зерна и практически одинаковую твердость (130-135 НВ), что обусловливает минимальные изменения исходной структуры.

4. Газопорошковое напыление труб поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС выполняет восстановительную и упрочняющую функции, что гарантирует их надежную работу.

Статья поступила 15.10.2015 г.

Библиографический список

1. Структура и кратковременные механические свойства трубных элементов поверхностей нагрева с ремонтными наплавками. Заключение. М.: Изд-во ОАО «ВТИ», 2002. 26 с.

2. Инструкция по технологии ремонта методом наплавки поврежденных золовым износом труб поверхностей нагрева котлов ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго». М.: Изд-во ОАО «ВТИ», 2002. 11 с.

3. Упрочнение деталей железнодорожного транспорта газопорошковым напылением с оплавлением / С.И. Медведев,

М.В. Гречнева, А.Н. Пурихов, А.Е. Неживляк // Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 108. М.: Изд-во ГОСНИТИ С. 166-170. 4. Гоппе Г.Г., Гречнева М.В. Восстановление труб поверхностей нагрева котлоагрегатов методом газопорошкового напыления // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации): материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (Иркутск, 27-30 апреля, 2015 г.) / под ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. С. 68-76.

УДК 621.787.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБКАТКЕ ПЛОСКИМИ ПЛИТАМИ

© С.А. Зайдес1, Фам Дак Фыонг2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

С помощью программного комплекса ANSYS рассмотрено изменение напряженно-деформированного состояния цилиндра при радиальном обжатии в зависимости от величины обжатия. Определены пластическая и упругая деформации цилиндра после разгрузки. Получено распределение остаточных напряжений по сечению цилиндра в плоскости вертикального нагружения. Оценено напряженное состояние образцов, обкатанных плоскими плитами, по эквивалентным напряжениям и по показателю жесткости схемы напряженного состояния. Определена оптимальная величина обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве метода поверхностного пластического деформирования.

Ключевые слова: упрочнение; поперечная обкатка; напряженно-деформированное состояние; упругопласти-ческая деформация; радиальное сжатие.

DETERMINATION OF CYLINDRICAL PART STRESS-STRAIN STATE UNDER FLAT PLATE ROLLING S.A. Zaydes, Pham Dac Fyong

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

With the help of ANSYS software the change in the stress-strain state of a cylinder is considered under radial drafting depending on the value of reduction. Plastic and elastic deformation of the cylinder after load relief are determined. The distribution of residual stresses in the cross section of the cylinder in the plane of vertical load is obtained. The stress state of the samples subjected to flat plate rolling is estimated by the equivalent stresses and the stress diagram stiffness index. The optimum value of reduction under cross rolling used as a method of surface plastic deformation is determined. Keywords: strengthening; cross rolling; stress-strain state; elastic-plastic deformation; radial compression.

Для деформационного упрочнения деталей типа осей, пальцев, втулок в работе [1] предложен перспективный способ поверхностного пластического деформирования, основанный на обкатке заготовки плоски-

ми плитами, который позволяет обрабатывать цилиндрические детали, не имеющие центровых отверстий. При поперечной обкатке исключается также изгиб заготовки от действия поперечных сил нагружения. Ана-

1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, email: zsa@istu.edu

Zaydes Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: zsa@istu.edu

2Фам Дак Фыонг, аспирант, тел.: 89246069558, e-mail: dacphuong.ru88@gmail.com Pham Dac Fyong, Postgraduate, tel.: 89246069558, e-mail: dacphuong.ru88@gmail.com

логичная схема силового нагружения используется в процессах поперечной прокатки при обработке металлов давлением. При разработке этой технологии в центральной зоне заготовки были обнаружены большие растягивающие напряжения, благодаря которым формировалась зона с наличием трещин и повреждений (позднее несплошности металла в осевой зоне заготовки стали использовать для получения цельнотянутых труб). В этой связи возникает вопрос о наличии напряженного состояния при малых обжатиях, которые предполагается использовать для упрочняющей обработки цилиндрических деталей.

Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндра при поперечной обкатке с учетом сил формоизменения и сил контактного трения представляет значительные трудности. Для определения напряженно-деформированного состояния цилиндра в условиях поперечной прокатки производится расчет с известным приближением на основе теоретического и экспериментального решений задачи о сжатии параллельными плитами цилиндра по диаметру. Сопоставление полей деформаций при поперечной прокатке цилиндра после поворота тела на некоторый малый угол, измеренное при помощи поляризационно-оптического метода [2], показало, что оно несущественно отличается от полей деформации при сжатии цилиндра по диаметру между плоскими параллельными плитами. Поэтому многие исследователи [2-4] считают поля напряжений и деформаций сжатого между плоскими плитами цилиндра близкими к полям напряжений и деформаций в цилиндре при поперечной обкатке.

В данной работе рассматривается напряженно-деформированное состояние цилиндра при поперечной обкатке в зависимости от величины абсолютного обжатия (Дн). Расчет выполнен с помощью прикладной программы ANSYS [5], которая предназначена для математического моделирования различных физических процессов, используя метод конечных элементов. Для проведения расчета в программе ANSYS были построены геометрические модели в виде цилиндра и двух блоков с контактом между ними. Конечно-элементная модель схемы нагружения цилиндра представлена на рис. 1.

Приняты следующие параметры моделирования: цилиндр радиусом 12 мм и длиной 20 мм из стали Ст45 (от=360 МПа); плиты размерами 24x24x12 мм считаются абсолютно жесткими; величины обжатия последовательно равны 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 мм.

В схеме на рис. 1 нижняя плита неподвижна, верхняя плита опускается вниз до значения величины обжатия, после этого верхняя плита поднимается в исходное положение, то есть происходит полная разгрузка заготовки. В результате в цилиндре появляются остаточная деформация в радиальном направлении и остаточные напряжения по всем направлениям.

На рис. 2 видно, что при увеличении величины сжатия пластическая деформация увеличивается, а упругая деформация остается практически неизмененной.

Рис. 1. Конечно-элементная модель цилиндра при радиальном сжатии: 1 - цилиндр; 2 - плоские плиты

ДО, мм

0,70

0.11

П.!

0

о,: äi/

oj/

OIу B.OS>™' ом пае utt

. ш ^ 4

-Ладпичрскеи двфоэямция

-Упруг an

Лй409МШ|йЯ

OJ 0,< Dt ОЛ

Рис. 2. Уменьшение абсолютного диаметра цилиндра

Для оценки напряженно-деформированного состояния в разных точках по глубине модели определяли эквивалентное напряжение о-экс., остаточные нормальные напряжения по осям Oz, Ox, Oy: az - осевое остаточное напряжение, оу - радиальное остаточное напряжение, ох - тангенциальное остаточное напряжение. Рассмотрим остаточные напряжения, которые находятся в плоскости А-А, вертикально проходящей через ось цилиндра (рис. 3).

Зададим в качестве начала координат нижнюю точку в зоне касания цилиндра с плитой (точка О на рис. 3, а). При наблюдении полученных по программе полей напряжений видно, что распределение напряжений одинаково во всех сечениях, перпендикулярных оси цилиндра. Из этого следует, что остаточные напряжения распределены равномерно по длине цилиндра.

а б

Рис. 3. Схема нагружения (а) и распределение напряжения az (б) по сечению А-А

На рис. 4 видно, что при всех значениях величины обжатия распределение осевых остаточных напряжений носит знакопеременный характер. В зоне контакта они сжимающие, максимальные значения достигаются на некоторой глубине от периферии. В данных экспериментах эта глубина в 3-8 раз превышает величину внедрения плиты в цилиндр. Сжимающие напряжения резко уменьшаются в направлении от зоны контакта к оси симметрии цилиндра, и по мере приближения к центру тела меняют свой знак, то есть становятся растягивающими. При малых значениях абсолютного обжатия - Дн =0,1; 0,2 мм - растягивающие напряжения в центре сравнительно малы (53 МПа). При больших значениях обжатия - Дн = 0,5; 0,6 мм - растягивающие напряжения увеличиваются в 4-5 раз и достигают значения 219 МПа, что составляет примерно 80%

Рис. 4. Распределение осевых остаточных напряжений по сечению цилиндра

Распределение радиального и тангенциального напряжений (рис. 5, 6) аналогично распределению осевого напряжения, но в отличие от осевого тангенциальное напряжение является растягивающим на

периферии цилиндра (см. рис. 5).

Рис. 5. Распределение тангенциальных остаточных напряжений по сечению цилиндра

Для оценки влияния объемного поля напряжений на развитие пластических деформаций предлагается использовать эквивалентное напряжение, аэкв, предложенное Мизесом [6]:

1

=

г) +(е

На рис. 6 и в таблице представлены результаты такого расчета. Кривые показывают, что пластическое течение при поперечной обкатке происходит только в тонких поверхностных слоях. В центральной зоне образцов эквивалентные напряжения в 3-7 раз меньше ст.

Из вышеизложенного следует, что для снижения уровня растягивающих остаточных напряжений в центральной части цилиндра при сохранении благоприятных сжимающих напряжений на периферии необходимо выбирать малые значения обжатия - Дн=0,1; 0,2 мм.

от от..

a

о

z

Рис. 6. Распределение эквивалентного остаточного напряжения по сечению цилиндра

Результаты расчета напряжений

Величина обжатия, Дн, мм (Тэт, МПа ( МПа ay, МПа ax, МПа К

макс. мин. макс. мин. макс. мин. макс. мин. макс. мин.

0,1 327 36 53 -344 -66 88 160 -265 3 -1,6

0,2 376 51 84 -377 -81 130 206 -313 4,3 -2

0,3 378 54 126 -406 -97 225 220 -285 4,6 -1,8

0,4 383 44 144 -387 -90 252 214 -335 4,4 -1,8

0,5 355 53 230 -360 -79 271 295 -300 8,2 -1,7

0,6 330 46 219 -340 -70 256 270 -274 9,4 -1,6

0,8 312 46 178 -303 -48 225 220 -229 8,4 -1,4

Для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндра после разгрузки вместо тензора остаточных напряжений, заданного значениями своих главных компонентов - осевыми (ог), радиальными (оу) и тангенциальными (ох) напряжениями в каждой точке сечения образца, можно использовать показатель жесткости схемы напряженного состояния по В.Л. Колмогорову [7]:

К =

02 + 0у + ох

(oz-oy) + (оу-ох) +{ox-ozy

Данный показатель является обобщенным параметром, величина и знак которого отражают общий уровень остаточных напряжений в данной точке образца, а также преобладание растягивающих или сжимающих напряжений в схеме. При положительных значениях коэффициента К в схеме напряжений преобладают напряжения растяжения, при отрицательных - сжатия. Чем алгебраически больше значение коэффициента К, тем выше уровень растягивающих напряжений в схеме напряженного состояния. На рис. 7 представлено распределение показателя жесткости схемы остаточных напряжений по сечению цилиндра при различных значениях обжатия. Для всех значений обжатий на периферии цилиндра распределение по-

казателя жесткости схемы остаточных напряжений почти одинаково. Значение показателя К в центральной части цилиндра мало при малых значениях обжатий - Дн=0,1; 0,2 мм (К=0,7; 1,1) и увеличивается в 8-10 раз (К=8,4; 9,4) при больших значениях обжатий - Дн=0,5; 0,6 мм. Представленные на рис. 7 результаты показывают, что для достижения максимального эффекта упрочнения при данных условиях нагружения, несомненно, надо выбирать значения обжатия Дн=0,1; 0,2 мм.

Рис. 7. Распределение показателя жесткости схемы остаточных напряжений по сечению цилиндра

Итак, с помощью программы ANSYS авторами рассмотрено напряженно-деформированное состояние цилиндра при радиальном сжатии. Полученные результаты позволяют выбирать оптимальное значение обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве методов поверхностного пластического деформирования.

Оценка напряженного состояния образцов, обкатанных плоскими плитами, по эквивалентным напря-

жениям и по показателю жесткости схемы напряженного состояния наглядно показывает, что данный вид поверхностного упрочнения можно использовать для получения качественных деталей машин.

Предложенная величина абсолютных обжатий -0,1-0,2 мм, соответствует параметрам, которые используются в процессах поверхностного пластического деформирования.

Статья поступила 14.09.2015 г.

Библиографический список

1. Фам Дак Фыонг, Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Определение условий поперечной обкатки при поверхностном пластическом деформировании // Вестник ИрГТУ. 2015. № 4 (99). С. 48-52.

2. Лисицин А.И., Остренко В.Я. Моделирование процессов обработки металлов давлением (оптические методы). Киев: Технка, 1976. 208 с.

3. Поперечно-клиновая прокатка / Г.В. Андреев, В.А. Клуш-кин, Е.М. Макушок, В.М. Сегал, В.А. Щукин. Минск: Наука и техника, 1974. 160 с.

4. Кантер Ю.Л. Напряженно-деформированное состояние и прочность цилиндра в условиях циклического радиального сжатия: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06. Киев: КОЛПИ, 1983. 197 с.

5. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

6. Скопинский В.Н., Захаров А.А. Сопротивление материалов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГИУ, 2005. Ч. 2. 165 с.

7. Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1992. 200 с.

УДК 622-1/-9

ОЦЕНКА РЕЖИМОВ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ МАШИН

© Н.К. Кузнецов1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Оптимальные режимы торможения, обеспечивающие минимальные динамические нагрузки, позволяют увеличить безопасность эксплуатации и долговечность подъемных установок. Для выбора режима предохранительного торможения шахтной подъемной машины необходимо выполнить его оценку на основании параметров, обусловленных рядом объективных факторов. Активное развитие современных средств контроля технологических параметров позволяет реализовать задачу обеспечения режима предохранительного торможения исходя из критериев оптимизации. Поэтому разработка способа регулируемого предохранительного торможения, который автоматически выбирал бы критерии исходя из условий аварийной ситуации, становится особенно актуальной. Ключевые слова: динамические нагрузки; шахтная подъемная установка; режимы торможения; предохранительное торможение.

HOIST SAFETY BRAKING MODE ESTIMATION N.K. Kuznetsov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Optimal braking modes providing minimal dynamic loads allow to improve mine hoist operation safety and durability. To select a mode of mine hoist safety braking it is necessary to assess it on the basis of parameters determined by a number of objective factors. Active development of modern means to control process parameters allows to implement the task of ensuring the safety braking mode based on the optimization criteria. Therefore the development of the method of controlled safety braking, which automatically selects the criteria based on the emergency conditions is particularly relevant.

Keywords: dynamic loads; mine hoist; braking modes; safety braking.

Оптимальные режимы торможения, обеспечивающие минимальные динамические нагрузки, позволяют увеличить безопасность эксплуатации и долговечность подъемных установок.

Для выбора режима предохранительного торможения шахтной подъемной машины необходимо выполнить его оценку на основании следующих параметров:

1 Кузнецов Николай Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89025613072, e-mail: I07@istu.edu

Kuznetsov Nikolay, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: 89025613072, e-mail: I07@istu.edu