Введение к работе
Актуальность проблемы. Металлургическая промышленность и ее составная часть - прокатное производство,нуждается в ускоренном техническом перевоорукении,повышении уровня и качества металлургических машин и агрегатов,оснащений их необходимыми,средствами ' и приборами,эа счет чего возможно значительно поднять экономичность и производительность.надежность и долговечность. Необходимость повышения надежности прокатных станов связана с уаесточе— ниеы режимов их работы и интенсификацией процессов прокатки,которые способствуя возникновению аварийных отказов,приводят к длительным простоям оборудования. Так,за последние 5 лет в прокатном производстве произошло свыше 1700 аварий.простои составили около 30 тыс.часюв.а убытки - 27 млн.руб.
' Перспективным направлением решения этой проблемы является оснащение прокатных станов средствами технической диагностики, которые,оперативно контролируя техническое состояние оборудования,позволяют получать информацию о нормальном его функционировании и тем самым способствуют повышению надежности на стадии эксплуатации. Большие возможности имеют средства технической прогностики,являющиеся неотъемлемой частью диагностических систем. На основе контроля,учета и систематизации нагрузок.возникающих в узлах и деталях прокатных станов,реальным становится прогнозирование отказов ( по наработанному ресурсу ) элементов машин,что позволит более эффективно организовать ремонт и обслуживание оборудования в прокатных цехах. С целью сокращения аварийных простоев необходимо также решить проблему надекной зашиты прокатных станов от недопустимых силовых перегрузок- '
Для реализации проблем прогнозирования ресурса,повышения надежности и долговечности ответстзенкых машин прокатного производства, многие элементы которых работают в окстремалъных услоюь ях,необходимо совершенствование теоретической основы расчета ресурса деталей прокатных станоз по критериям сопротивления уста-. лости.
Многоплановость рассматривеэмей проблемы,связанная с су-, щественным различием влияющих факторов.требует обобщения и развития теоретических положений по решению ваянейшлх. вопросов .'прогнозирования и повышения надежности и долговечности прокатных станов.
Решению этих; проблем посвящена настоящая работа, т.*шюлненная
*4 в соответствии с заданиями Республиканской целевой научно-технической программы "Материалоемкость" РНЦ.003.
. Цель работы - на основе изучения и анализа условий нагружения, экспериментального исследования процессов и упругопластиче-ского циклического деформирования конструкционных сталей и сплавов, направленных на решение важной народнохозяйственной проблемы - предупрездение отказов прокатного оборудования:
- развитие методов прогнозирования ресурса приводных механизмов
рабочих клетей по критериям сопротивления усталости деталей;
-"создание автоматизированных систем контроля силовых параметров прокатки ( АСКСІШ ),осуществляющих учет и классификацию нагрузок, а также прогнозирование ресурса деталей ;
- разработка высокоэффективных предохранительных устройств и но
вых технических решений,повышающих надежность и долговечность
_ узлов и деталей.
. В соответствии с втой целью в работе поставлены и выполнены:
- расчетно-экспер'иментальная оценка режимов нагружения и экс
плуатационной надежности механических систем тяжелонагружек-
ных прокатных станов,позволившая определить наиболее нагруженные и часто выходящие из строя детали,элементы и узлы,а также установить спектр нагрузок исследованных прокатных станов ;
экспериментальное исследование металлических материалов,подвергающихся циклическому упругому и упругопластическому деформированию,обеспечившее установление общих закономерностей хода кривых усталости,и на этой основе - создание единого метода расчета долговечности деталей.работающих в областях малоцикловой ( МЩ ) и шогоцикловой { ШД ) усталости;
экспериментальное исследование ЫЛД кручения образцов из конструкционных сталей,позволившее разработать методику расчета сроков слукбы валов и деталей типа тел вращения,входящих в состав главных линий прокатных станов и других механических систем, передающих крутящий момент; . .
совместная оценка долговечности предохранительных и предохраняемых деталей,позволяющая определять оптимальные геометрические размеры разрушающихся элементов,подбирать для них необходимые марки сталей.оценивать ресурс деталей с учетом режимов нагружения;
разработка метода определения нагрузок ( напряжений ) и оценки
ресурса деталей в вероятностном аспекте с учетом влияния при
работе прокатных станов динамики нагружения,снижающегося в
процессе эксплуатации предела выносливости.действия концент
рации напряжений и других факторов,позволяющий использовать
созданную АСКСПП для обработки необходимых данных и выдачи ре
комендаций ; '
- разработка новых технических решений,конструкций и устройств,
позволяющих контролировать нагрукенность и техническое состоя
ние узлов,прогнозировать в автоматизированном режиме ресурс
деталей,повышать надежность и долговечность оборудования про
катных станов.
При выполнении настоящей работы автор базировался на трудах советских ученых в области прогнозирования ресурса и сопротивле-. ния усталости: Виргера И.А. .Болотина В.В.-,Ивановой B.C.,Ногаева' В.П..Ыахутова Н.А. .Олейника Н.В..Проникова А.С..Серенсена СВ., Отряжало В.А..Трощенко В.Т.,в области надежности и долговечности металлургического оборудования: Гребеника В.М..Иванченко Ф.К., Кожевникова С.Н. .Коновалова Л.В.,Морозова Б.А. .Праздникова А.В.., Целикова А.А.,а также зарубежных исследователей: Аргона,Коффина, Ыакклинтока.Шнсона,Надай,СимокавыДамагути.Хеккеля и др. Диссертация представляет собой обобщение результатов.научных и экспериментальных исследований,полученных автором при выполнении научно-исследовательских работ в Днепропетровском металлургическом институте. Они изложены в справочнике,статьях,изобретениях и научных докладах,а такие внедрены в виде новых технических решений на прокатных станах и в проектах.
Научная новизна. В диссертационной работе теоретически обоснован и предложен способ прогнозирования в вероятностном аспек-' те ресурса деталей прокатных станов. Способ позволяет учитывать работу деталей в упругопластическои области,влияние нестационарности режимов нагругсения,изменение, предела выносливости деталей при эксплуатации,использовать АСКСІШ для обработки и выдачи необходимых данных.
На основе обобщения полученного экспериментальным и аналитическим путем большого массива данных определены научно-обоснованные значения показателей надежности - наработка на отказ и ресурс до капитального ремонта - для механизмов рабочих клетей слябинга,блюминга и пильгерстана. Научно обоснован,как более эф-
фективный по сравнению со способами планово-предупредительных и аврийшх ремонтов,подход к определению периодичности и состава ремонта прокатного стана на основании наработки до определенного остаточного ресурса деталей и узлов.
Экспериментально подтверждена возможность использования для оценки долговечности деталей кривых усталости в ШЦ и Шц областях,которая реализована в виде построенной совмещенной кривой усталости при помощи метода последовательных приближений в интервале динамического предела текучести. Это позволило создать единый ыетод расчета ресурса ( срока службы ) деталей прокатных станов. Полученные закономерности совмещения кривых усталости к обобщенные данные позволяет во взаимосвязи устанавливать необходимые для расчета ресурса деталей параметры и их зависимости от статических- механических характеристик для широкого класса металлических конструкционных материалов.
Получены новые данные по ыалоцикловому кручению в жестком и мягком реиимах для широко используемых в металлургическом машиностроении конструкционных сталей 50 и ЗОХГСА б состоянии поставки и в термообработа'ннок виде путем проведение экспериментальных исследований на установках,позволяющих проводить испытания с имитацией различных режимов нагрукения характерных для деталей главных линий прокатных станов. Дано объяснение механизму разрушения при малоцикловом кручении образцов в мягком и жестком режимах'нагрукения. Статистическая апробация гипотезы линейного суммирования псврекдений ( ГЛСП ) показала правомерность ее применения в расчетах при" улругопластическом кручении. На основании выполненных теоретических разработок и полученных результатов решена крупная научно-техническая проблема повышения надежности тяжелонагрукенных прокатных станов,имеющая важное народнохозяйственное значение.
Практическая ценность. Использование результатов диссертации позв'яило:
- обосновать и разработать метод расчета деталей,работающих одновременно при циклических упругих к упругопластических деформациях, который позволяет оценивать их ограниченную долговечность для этого сложного случая нагрукения. Все необходимые параметры для выполнения расчета могут быть определены по известным статическим или усталостным характеристикам катериа-ла путем использования результатов обработки экспериментальных
"7 ' - - -, ... - ...
даннис.для которых получена надежная связь между разнообразаи-
ми параметрами в виде уравнений регрессии с вероятностной оцея-
кой; ...''. ';.'.-
обосновать и разработать раечетно-экспериментаяьный метод опре-, деления величин и частоты приложения нагрузок,действующих в деталях приводных механизмов прокатных станов, сто? метод дае» ' возможность обоснованно назначать диапазон допустимых усилий я моментов прокатки,проводить необходимую оценку зксплуатяцион-.;. ной надежности с учетом специфики режимов нагрукения лрокатщгх станов,включая кеетационарность процессов в механических сие- . темах во всех диапазонах нагружения; *f
разработато методику совместной оценки долговечности предохранительных и предохраняемых деталей прокатных станов,которая no-f зволяез на проектной стадия определять оптимальные размера разрушающихся элементов,уровни действующих напряжений,обоснованно .,' выбирать материалы и рассчитывать cpc:t службы деталей;
создать и внедрить АСКСІШ,позволяющую прогнозировать ресурс деталей,вести учет количества нагружений и классифицировать их по диапазонам,оценивать фактическую надежность и долговечность деталей стана,выдавать нуккую для производственного персонала оперативную информацию в процессе работы стана;
обосновать и разработать новые конструкции предохранительных устройств различного типа.датчиков усилий прокатки,нажимного механизма прокатного стана,устройств для контроля износа,температуры подшипников скольжения и др..которые позволяют повысить надежность и долговечность прокатного оборудования,сводя к ци-
- нимуму аварийные остановки иа-за отказов деталей и узлов.
Получонше экспериментальные и обобщенные данше.р'азработая-. ные методики оценки долговечности деталей,работающих в упругой ш упругопластической областях,отражены в публикациях и могуть бьгеь использованы в различных областях народного хозяйства. Реализация г. промышленности.
1. 11а слябинге 1150 металлургического комбината "Запорсж- сталь",блюминге 1300 комбината "Криворожсталь" и пильгерстанз 5-12" Нижнеднепровскогэ трубопрокатного завода им. К.Либкнехта внедрены ЛСКСШ1,в составе которых использованы защищенные авторским свидетельством на изобретение магнитоупругие датчики для но- прерывного контроля нагрукекности главных линий станов,а їакже
8 -методика и алгоритмы расчета остаточного ресурса деталей при нестационарном нагрукении.
.На блшинге 1300 и ножницах с усилием резания I25C т комбината "КриБорожсталь" внедрены системы контроля температуры подшипников скольжения главных линий и станинных роликов,датчики и устройства для контроля термонагруженности узлов трения.
На слябинге 1150 комбината "Запорожсталь" в составе автоматизированной системы внедрены датчики непрерывного контроля за .техническим состоянием нажимного устройства и алгоритм расчета ка заданнуи долговечность винтовой пары и прогнозирования ее остаточного ресурса.
АШЯЫ демонстрировалась' на международной выставке в г.Лейпциге ( ГДР ),
2. В Штязшаше ПО "ШШЗ" и НИПКТИ ПО "Азовчаш" при созда
нии новых и реконструкции действующих обжимных прокатных станов
и другого металлургического оборудования внедрены в практику конструирования способ-расчета нажимных устройств,методика оценки долговечности деталей металлургического оборудования при действии экстремальных нагрузок и .'появлении упругопластических деформаций, технические предлокения по новым конструкциям нажимных механизмов и устройству для контроля величины износа резьбы.
3. В КБ "Южное"'результаты исследований усталостной прочно
сти металлических материалов внедрены в прочностные расчеты при
реализации расчетно-зкепериментального метода отработки транспор
тировочного ресурса изделий.
Экономический эффект от реализации указанных разработок составляет 750 тыс.рублей.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: Международном симпозиуме по динамике тяжелых машин горной и металлургической промышленности ( Донецк,IS74 ) ; П Всесоюзном съезде по ТШ ( Одесса, 1982 ) ; 5-ти Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях ( 1983,1985,1987,1988 г,г. ). В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на Всесоюзном семинаре-совещании заведующих кафедрами механического оборудования металлургических заводов ( Днепропетровск,1988 ) ; научно-техническом совете НИПКТИ Ш "Азовмаш" ( Мариуполь,1988 ) ; научно-техническом совете НИИтяжмаш ПО "Новокраматорский машиностроительный завод" ( Краматорск,1988 ) ; научных семинарах "Усталость,тер-
моусталость и механика разрушения" Института проблем прочности АН УССР { Киев,1988 ) и кафедры металлургических и роторных машин Уральского политехнического института ( Свердловск, 1988 ); расширенных научных семинарах кафедры машин и агрегатов металлургического производства ДМэтИ { Днепропетровск,1989,1990 ).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в спра
вочнике,46 статьях и докладах,защищено II авторскими свидетельст
вами. - .
Объе.ч работы. Диссертация состоит из введения,? глав.изло-женных на 420 страницах,включая 245 страниц машинописного текста, 39 таблиц, 118 рисунков,основных выводов,списка литера-'. туры из 312 наименований и приложения.
