Введение к работе
Актуальность темы
В современном машиностроительном производстве широко используются различные способы упрочнения поверхностного слоя, в частности такие прогрессивные, как ультразвуковое упрочнение свободными шариками и термопластическое упрочнение. Эти способы позволяют значительно увеличить надежность и долговечность работы различных деталей, в том числе и таких ответственных, как лопатки газотурбинного комплекса (ГТК) газоперекачивающих станций, воспринимающие воздействие циклических и статических нагрузок, высоких температур.
Противостоять циклическим нагрузкам позволяют остаточные напряжения сжатия, сформированные упрочняющей обработкой, обеспечивая, тем самым, высокий ресурс работы детали. Однако в процессе наработки происходит уменьшение исходного уровня остаточных напряжений, то есть наблюдается явление релаксации (ослабления), что неизбежно влечет за собой и снижение исход] того уровня долговечности. Уменьшить негативное влияние релаксации можно следующим образом:
подобрать такой способ и режим упрочнения, который сформирует устойчивое к процессу релаксации напряженно-деформированное состояние;
заранее прогнозировать срок снижения остаточных напряжений до критического уровня, после которого необходимо производить повторное упрочнение.
Следовательно, формирование устойчивого напряженно-деформированного состояния и прогнозирование процесса его релаксации является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение долговечности рабочих лопаток ГТК путем использования рационального способа и режима упрочнения поверхностного слоя на основе обеспечения релаксационной стойкости остаточных напряжений.
1. Создать математическую модель и компьютерігую программу расчета параметров процесса релаксации остаточных напряжений на основе ползучести с учетом пластических деформаций, сформированных упрочняющей обработкой.
2.Разработать алгоритм выбора рационального способа и режима упрочнения поверхностного слоя, исходя из критерия релаксационной стойкости остаточных напряжений, формируемых упрочняющей обработкой.
3.Провести сравнительные экспериментальные исследования параметров процесса релаксации остаточных напряжений, сформированных ультразвуковым упрочнением свободными шариками и термопластическим упрочнением в рабочих лопатках первой ступени агрегата ГТК-10.
4.Осуществить сравнительные экспериментальные исследования усталостной прочности рабочих лопаток первой ступени агрегата ГТК-10, обработанных ультразвуковым упрочнением свободными шариками и термопластическим упрочнением.
5.Разработать технологию ремонта рабочих лопаток первой ступени агрегата ГТК-10 с учетом технологической наследственности и релаксационной стойкости остаточных напряжений в процессе эксплуатации; реализовать результаты исследования в промышленности.
Впервые создана математическая модель и компьютерная программа, позволяющие рассчитать параметры процесса релаксации остаточных напряжений на основе ползучести с учетом пластических деформаций, сформированных упрочняющей обработкой. На базе математической модели разработан алгоритм выбора рационального способа и режима поверхностного упрочнения.
Разработанные математическая модель и алгоритм позволяют осуществить выбор рационального способа и режима упрочнения поверхности исходя из критерия релаксационной стойкости остаточных напряжений, формируемых упрочняющей обработкой; кроме этого, дают возможность прогнозировать срок снижения остаточных напряжений до критического уровня, что позволяет установить время по-
вторного упрочнения. Это повысит долговечность работы упрочняемых деталей. На основе данного подхода при разработке технологии ремонта рабочих лопаток первой ступени агрегата ГТК-10 был использован способ термопластического упрочнения, который обеспечил повышение долговечности по сравнению с базовым технологическим процессом более чем на 30%. В результате достигнут годовой экономический эффект, составляющий 64126 руб. с одного упрочненного комплекта лопаток. В ремонтное производство газоперекачивающей отрасли внедрены технология и установка термопластического упрочнения рабочих лопаток ГТК, компьютерная программа расчета параметров процесса релаксации остаточных напряжений, формируемых поверхностным упрочнением.
Реализация поставленной цели осуществлялась системно, теоретическими и экспериментальными методами. В теоретических исследованиях использовался метод феноменологического определения напряженно-деформированного состояния и аналитический метод расчета параметров процесса релаксации остаточных напряжений на основе ползучести. При экспериментальном определении остаточных напряжений применялся метод Н.Н. Давиденкова. Усталостные испытания проводились в соответствии с едиными техническими условиями на усталостные испытания лопаток газотурбинных установок. Обработка информации и расчет численных значений осуществлялись с использованием ПЭВМ. Достоверность исследований и эффективность практических рекомендаций подтверждены количественным и качественным совпадением расчетов по предложенной модели с экспериментальными данными, актом внедрения, экономическим расчетом.
