Калибрующее обжатие канатов двойной свивки в роликовой волоке

130. Применение адаптационных механизмов для повышения качества продукции с глубокой степенью переработки / Э.М. Голубчик, А.Г. Корчунов, К.Г. Пивоварова, A.B. Лы-сенин//Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. 2011. № 5. С. 131-134.

131. Голубчик Э.М. Адаптивные подходы к управлению качеством продукции в многовариантных технологических системах //Методы менеджмента качества. 2013. № 7. С. 36-41.

132 Рубин Г.Ш., Полякова М.А. Развитие научных основ стандартизации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 97-102.

133. Полякова М.А., Рубин Г.Ш. Современное направление стандартизации как науки // Черные металлы. 2014. № 6. С. 32-37.

134. Зюлин В.Д., Харитонов В.А. Устойчивость высокой полосы при прокатке в гладких валках. Сообщение 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 1981. № 6. С. 60-63.

135. Зюлин В.Д. Харитонов В.А. Устойчивость высокой полосы при прокатке в гладких валках. Сообщение 2 //Известия вузов. Черная металлургия. 1982. № 2. С. 32-35.

136. Харитонов В.А. Развитие теории и технологии прокатки в четырехвалковых калибрах проволоки различного назначения // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион, сб. науч. тр. Магнитогорск. 2002. С. 273-277.

137. Харитонов В.А., Корчунов А.Г., Зайцева М.В. Повышение эффективности технологического процесса изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки // Производство проката. 2005. № 8. С. 21-25.

138. Способ изготовления биметаллической проволоки: пат. 2008109 Рос. Федерация / B.JI. Стеблянко, Г.В. Бухиник, И.В. Ситников, В.В. Веремеенко, B.JI. Трахтенгерц, В.И. Людьчак.

УДК 621.778.5: 677.721

КАЛИБРУЮЩЕЕ ОБЖАТИЕ КАНАТОВ ДВОЙНОЙ СВИВКИ В РОЛИКОВОЙ ВОЛОКЕ*

Харитонов В.А., Лунев В.Е., Полякова М.А., Ефимова Ю.Ю.

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия

Стальные канаты различных конструкций находят в настоящее время широкое применение практически во всех отраслях экономики, в связи с чем, повышение их конкурентоспособности на отечественных и зарубежных рынках является актуальной задачей для метизной отрасли черной металлургии Российской Федерации. Особенно это важно для подвижных канатов двойной свивки, которые являются массовым видом металлопродукции с глубокой степенью переработки и высокой добавленной стоимостью.

Особенностью этих канатов является также и то, что они эксплуатируются в условиях сложного напряженного состояния, постоянно подвергаясь одновременному действию растяжения, изгиба и кручения. Это требует от канатов прежде всего высокой изгибной жесткости. В целом же работоспособность канатов зависит от свойств проволоки, конструктивных и технологических режимов свивки прядей и канатов, способов и режимов силовой обработки: преформации, рихтовки, вытяжки (обтяжки), механикотермической обработки, пластического обжатия.

Наиболее широко применяемым в зарубежной и отечественной практике технологическим приемом является пластическое обжатие прядей и последующая их свивка в канаты. Такие канаты имеют обозначение ПК и представляют следующую ступень в эволюции развития стальных канатов по сравнению с канатами типа ТК и ЛК.

"3R-

Работа подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания Магнитогорскому государственному техническому университету им. Г.И. Носова № 11.1525.2014К от 18.07.2014 г.

В зависимости от степени обжатия пряди процесс можно условно разделить на две фазы. Первая фаза - фаза заполнения пустот в пряди.

Деформация проволок при этом имеет характер плющения без существенной вытяжки. На второй фазе происходит деформация составной заготовки с существенной вытяжкой проволок. В связи с этим выделяются следующие варианты обжатия прядей: глубокие (коэффициент линейного обжатия Пл > 8%), средние (Пл = 3-4 %), калибровка (Пл =0-3 %).

Основные исследования по разработке теории обжатия прядей, проведенные как у нас в стране, так и за рубежом, посвящены глубокому обжатию. Соответственно, эти режимы нашли свое применение и в практике канатного производства [2]. Проведенный аналитический обзор публикаций позволяет выделить преимущества канатов из обжатых прядей перед стандартными круглопроволочными канатами [1,2].

Это, прежде всего, увеличение заполнения сечения металлом на 5 - 10 % по сравнению с канатами ЛК; увеличение работоспособности в среднем в 1,3 - 1,6 раза; увеличение износостойкости в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с недеформированными канатами той же конструкции за счет уменьшения контактных напряжений между элементами каната и образования поверхностного контакта (ПК) и коррозионной стойкости за счет препятствования попаданию влаги и абразивов, а также удержания канатной смазки внутри пластически деформированной пряди, что объясняется уменьшением технологических зазоров и образованием кольца клиновидных проволок. Увеличение разрывной прочности на 20 - 30 % по сравнению с круглопроволочными аналогами того же диаметра и материала за счет увеличения прочности проволок и улучшения их совместной работы, что обеспечивает увеличение долговечности, либо позволяет увеличивать нагрузки при сохранении прежнего запаса прочности, при этом повышается продольная жесткость обжатых прядей. Увеличение сопротивляемости поперечным деформациям (раздавливанию) с увеличением степени обжатия прядей за счет формирования прочного кольца в слоях из проволок клиновидной формы обеспечивает более равномерное распределение напряжений между элементами пластически обжатых прядей и канатов из них. Устранение эффекта «закусывания» проволок верхнего повива между проволоками смежной пряди приводит к снижению нагрузки на проволоки верхнего повива и риск их преждевременного выхода из строя. Возможность изготовления прядепроволок, отличающихся гибкостью и усталостной прочностью, а также снижение потерь от релаксации напряжений арматурного каната позволяет в значительной степени расширить возможности конструирования прядей и канатов в связи с вариантом обжатия некруглых прядей-заготовок из проволок меньшего числа типоразмеров, что в свою очередь ведет к упрощению производства и увеличению производительности прядевьющего оборудования за счет увеличения коэффициента свивки до 10-12. Минимальное действие сил упругой отдачи на концы оборванных проволок прядей вследствие уменьшения свивочных напряжений в процессе обжатия приводит к тому, что оборванные концы, не отслаиваясь от пряди, занимают место в промежутках между элементами каната, не мешая его работе. Кроме того, канаты из обжатых прядей широко используются на грузоподъемных устройствах в условиях Крайнего Севера.

Несмотря на весомые положительные результаты применения пластических обжатий, уровень промышленного производства канатов типа ПК, остается невысок. В связи с тем, что обжатию подвергается сложно дискретный объект (прядь), состоящий из значительного числа элементов (проволок), которые в процессе деформации изменяют свою первоначальную круглую форму, длину и свойства, возникает ряд технологических сложностей: требуется усиление привода прядевьющей машины и увеличение жесткости основных узлов оборудования; уменьшение площади металлического сечения и наклеп снижают работоспособность каната; появление «подрезов» на поверхности изделия, являющихся концентраторами напряжений и обусловливающих избыточную массу каната из-за наличия необжатых участков.

Появление «подрезов» объясняется попаданием деформируемого металла в технологические разъемы между роликами.

Выбор степени и инструмента для обжатия должен обуславливаться условиями эксплуатации каната. Опыт изготовления и применения пластически обжатых канатов одинарной свивки и канатов двойной свивки из пластически обжатых прядей показал, что глубокое пластическое обжатие рационально в случаях, когда от каната требуется высокие прочность, износостойкость при абразивном износе, продольная и поперечная жесткости, малые упругие и остаточные удлинения. Это прежде всего грозозащитные тросы, ваерные и арматурные канаты, прядепроволока [1,2].

Целью данной работы является описание опыта применения калибрующего обжатия (до полного заполнения пустот в пряди) прядей, оценка возможности агрегатного калибрующего обжатия канатов двойной свивки и определение направлений дальнейших исследований по освоению промышленного производства таких канатов.

Калибрующее обжатие позволяет сохранить возможность перемещения проволок относительно друг друга, что, в первую очередь, необходимо для подвижных канатов. Кроме того, проведенные исследования показали [2], что интенсивность изменения контактных напряжений между проволоками в пряди при увеличении ширины площадки контакта в диапазоне от 0,3 до 1,2 мм составляют 9 ГПа/мм, при увеличении же площадки контакта от 1,2 до 3,3 мм - порядка 1,4 ГПа/мм, т.е. уменьшается практически в 6 раз. Таким образом, применение глубоких обжатий для снижения контактных напряжений в проволоках нецелесообразно и приводит к дополнительным нагрузкам на оборудование, инструмент и ведет к дополнительным затратам.

Результаты исследований по применению калибрующего обжатия прядей для изготовления канатов двойной свивки впервые описаны Малиновским В.А. [1]. Опыты проводились с канатами конструкции 6х19(1+9+9)+о.с. диаметром 16 мм и 6х19(1+9+9)+м.с. диаметром 18 мм. Результаты испытаний на пробежной машине до потери 10 % несущей площади сечения показали, что для первого каната оптимальной степенью обжатия, обеспечивающей повышение долговечности каната в 1,9 раза, является значение пл = 4 %. Для второго каната

оптимальное значение У1л = 3,5%. Долговечность каната при этом была повышена в 2,5 раза. Увеличение степени обжатия пряди до У1л = 9,5% по сравнению с исходным состоянием каната повысило его долговечность только в 1,8 раза, а по сравнению с оптимальным значением обжатия долговечность каната понизилась в 1,4 раза.

Калибровка прядей каната конструкции 6х19(1+6+6/6)о.с. диаметром 16,5 мм со степенью обжатия Пл = 3% обеспечило увеличение долговечности каната при работе на блоках в

1,2 раза. На основании анализа проведенных исследований был сделан следующий вывод: калибровка прядей сама по себе решает задачу существенного увеличения долговечности каната. При калибровке пряди происходят только небольшие упругопластические деформации проволок на поверхности и в местах взаимного контакта, но их уже достаточно, чтобы на порядок уменьшить контактные напряжения при работе каната.

Однако развития эти работы не получили, и к ним вернулись только в настоящее время. Так, на отечественных метизных предприятиях (ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод «ММК-МЕТИЗ», ОАО «Северсталь-метиз», ОАО «Белорецкий металлургический комбинат») проводятся работы по освоению производства канатов двойной свивки из «калиброванных» прядей. Пряди изготавливают путем пластического обжатия в роликовых волоках на прядевьющих машинах.

В Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова разработаны теоретические основы калибрующего обжатия многослойных прядей [3-8].

Калибровка прядей представляет собой сложный и эффективный прием, обеспечивающий существенное улучшение качества канатов массового изготовления за счет формирования полосового контакта проволок, обеспечения благоприятного напряженного состояния и высокой точности геометрических размеров прядей, а, следовательно, и каната. При этом в обжатой пряди сохраняется межпроволочный зазор, обеспечивающий свободное проскальзывание проволоки при изгибе пряди. Поэтому калибрующее обжатие пряди следует рассматривать как реальный технологический резерв канатного производства, реализация которого не требует больших капитальных затрат. В качестве деформирующего инструмента могут применяться как монолитные, так и роликовые волоки, устанавливаемые на прядевью-щей машине непосредственно за обжимными плашками [9]. Причем предпочтение следует отдавать роликовым волокам, т.к. их применение значительно снижает напряжения волочения и нагрузки на инструмент.

Кроме того, калибрующее роликовое волочение можно осуществлять по схеме «круг -круг», а не «круг - промежуточное фасонное сечение - круг», как это делается при глубоком обжатии. Это позволяет упростить конструкцию роликовой волоки и в два раза уменьшить количество деформирующих роликов, подшипников и т.д.

Еще больший эффект может быть получен при калибрующем обжатии каната в целом, а не прядей по отдельности. Это повысит производительность, уменьшит количество деформирующих клетей (пропорционально числу прядей в канате), что значительно снизит затраты.

Данных о производстве агрегатно обжатых канатов на отечественных и зарубежных метизных заводах в имеющейся открытой технической литературе нами не обнаружено. Поэтому в условиях завода ОАО «ММК-МЕТИЗ» были проведены экспериментальные исследования по определению технической возможности реализации этого решения, предварительной оценке полученных результатов и определению перспектив развития этого направления. Проводили исследования агрегатного обжатия каната диаметром 32,0 мм по ТУ 1251089-00187240-2011, тип 2 конструкции 6х31(1+6+6/6+12)+7+7(1+6)АО на канатовьющей машине MK-VS 1-8x250 с применением сдвоенной трехроликовой волоки 3x240. Были изготовлены 2 каната (по 1500 м каждый): с коэффициентом линейного обжатия 3,5 и 6,7 %, соответственно.

На предварительной стадии исследования были рассчитаны калибровки роликов волок, по известным методикам определены усилия волочения и давления металла на ролики. Процесс свивки, совмещенный с обжатием, на применяемых режимах проходил устойчиво. Оборудование работало нормально. Канаты по своим характеристикам соответствовали требованиям нормативно-технической документации. Однако при деформации каната с коэффициентом линейного обжатия 6,7 % нагрузки на оборудование возросли, но не подошли к предельным, а прочность каната была на 23 % выше.

От полученных канатов были отобраны образцы, и в условиях НИИ наносталей Магнитогорским государственным техническим университетом им. Г.И. Носова было проведено исследование поперечных сечений канатов, прядей и сердечников. Для исследования поверхности поперечного сечения каната использовали стереомикроскоп Meiji Techno с применением программного продукта Thixomet Pro. Для проведения исследований изготавливали шлифы по стандартной методике. Изображение поверхности получали с использованием панорамной съемки при увеличениях 7,5 и 50 крат. Вид поверхности и полученные изображения анализировали визуально и количественно с применением специализированной опции программы Thixomet Pro «Линейный размер».

На рис. 1-3 представлены фотографии поперечных сечений повивочных прядей и сердечников агрегатно обжатых канатов.

В результате анализа фотографий установлено, что деформацию получили все проволоки каната, включая центральную прядь сердечника уже при коэффициенте линейного об-

жатия 3,5 %. При обжатии 6,7 % площадки контакта больше, но при этом наблюдаются нарушения в конструкции каната. Правда, эти нарушения наблюдались еще на стадии свивки как прядей, так и каната. Канат с обжатием 3,5 % явно выраженных конструктивных нарушений не имеет. Этот канат имеет более уравновешенное напряженное состояние.

х 50

Рис. 1. Поперечное сечение центра и пряди сердечника агрегатно обжатого каната конструкции 6х31

х 50

Рис. 2. Поперечное сечение повпвочной пряди сердечника агрегатно обжатого каната конструкции 6х31

а б

х 50

Рис. 3. Поперечное сечение пряди агрегатно обжатого каната конструкции 6х31

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Агрегатное калибрующее обжатие канатов двойной свивки на имеющемся оборудовании технически возможно и обеспечивает пластическую деформацию всех проволок каната уже при коэффициенте линейного обжатия 3,5 %.

2. По аналогии с калибрующим обжатием прядей агрегатное калибрующее обжатие канатов позволяет повысить их качество, благодаря повышенной точности геометрических размеров, обеспечению полосового контакта проволок и созданию благоприятного напряженного состояния. При этом значительно уменьшаются затраты на реализацию процесса. Все это обеспечит повышение конкурентоспособности агрегатно обжатых калиброванных канатов на отечественных и зарубежных рынках.

3. Для организации промышленного производства таких канатов необходимо провести аналитические исследования по выбору рациональных режимов обжатия для различных конструкций канатов, адаптировав имеющуюся модель расчета режимов калибрующего обжатия прядей для случая обжатия канатов.

4. Провести необходимые экспериментальные исследования и разработать соответствующую нормативную документацию.

Список литературы

1. Малиновский В.А. Стальные канаты. Часть 1: Некоторые вопросы технологии, расчета и проектирования. Одесса: Астропринт, 2001. 188 с.

2. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Развитие теории и технологии пластического обжатия витых изделий. - Деп. в ВИНИТИ 14.02.2013. - № 6-В2013. 47 с.

3. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Влияние малых степеней обжатия на формирование напряженного состояния каната // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. Вып. 36. С. 172-174.

4. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Моделирование процесса малого обжатия прядей // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. Вып. 37. С. 176-179.

5. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Разработка методики управления процессом малого пластического обжатия прядей // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-воМГТУ им. Г.И. Носова. 2011. Вып. 37. С. 35-39.

6. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Расчет распределения деформаций по сечению пряди при круговом обжатии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 4. С. 47-51

7. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Методика определения ширины межпроволочного контакта при малом обжатии прядей // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. №4. С. 66-67

8. Харитонов В.А., Лаптева Т.А. Выбор режимов деформации при обжатии многослойных канатов в трехроликовых волоках // Производство проката. 2013. № 8. С. 18-25.

9. Лаптева Т.А. Повышение работоспособности подвижных канатов на основе применения калибрующего обжатия прядей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2014. 18 с.

УДК 623.445: 531.58

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТИВОПУЛЬНОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ БРОНИ ПО КРИТЕРИЮ ПРЕДЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПРОБИТИЯ

Загорянский В.Г.

Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Украина

При разработке брони основной целью является создание самой легкой и простой ее структуры, надежно защищающей от пробивания [1]. Для средств индивидуального бронирования эта цель может быть достигнута оптимизацией свойств материала брони.

Противопульную стойкость защитной структуры бронеодежды для 1...6а классов защитной структуры бронеодежды (ГОСТ Р 50744-95 Бронеодежда. Классификация и общие технические требования) оценивают по кондиционному поражению, представляющему собой отсутствие проникания пули и продуктов взаимодействия пули с защитным элементом за тыльную сторону защитной структуры бронеодежды. Здесь термину "проникание" придается несколько избыточная смысловая нагрузка, так как традиционно под прониканием понимают вход тела (в данном случае пули) в мишень без образования в ней сквозного отверстия (в отличие от пробивания, при котором тело или его осколки проходят мишень насквозь) [2].

Известно [3], что для пластин бронежилетов, предназначенных для защиты от поражающих элементов (автоматные и винтовочные пули) со скоростью 500 м/с и выше (класс защитной структуры бронеодежды - 3 и выше по классификации стандарта ГОСТ Р 5074495), применение текстильной и органопластиковой брони уже неприемлемо и защитные структуры должны быть чисто металлическими или комбинированными (из металлических, керамических или композиционных элементов).

Броневая сталь обеспечивает защиту до 5-го класса включительно по классификации ГОСТ Р50744-95 при толщине пластины до 6,5 мм (толщины больше 6,5 мм неприменимы из-за ограничения по массе [3]).

Металлическая броня по структуре по поперечному сечению, "слоистости" подразделяется на гомогенную, примерно однородную по твердости и вязкости по сечению, и гетерогенную, имеющую наружный (воспринимающий удар средства поражения) слой высокой прочности и тыльный (или тыльные) вязкий, пластичный слой, который не создает осколков или так называемого тыльного скола, поражающих запреградное пространство, то есть, если речь идет о средствах индивидуального бронирования, тело человека.