автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Проектная оценка и повышение долговечности ковочных колонных прессов по критерию износостойкости наиболее нагруженных деталей

На правах рукописи

Новиков Валерий Иванович

ПРОЕКТНАЯ ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОВОЧНЫХ КОЛОННЫХ ПРЕССОВ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАИБОЛЕЕ НАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.13- Машины, агрегаты н процессы (Металлургия). Технические науки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005551434

Магнитогорск 2014

3 1 ИЮЛ 2014

005551434

Работа выполнена в ФГБОУ В! 10 «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук» профессор Кадошников Владимир Иванович

Сурков Александр Иванович, доктор технических наук, старший научный сотрудник ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова»

Карамышев Андрей Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургические и роторные машины» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н, Ельцина»

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», (г. Челябинск)

Зашита состоится «25» сентября 2014 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212. JII.03 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ. малый актовый зал.

E-mail: dsovet2!21 1103@ mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке н на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», hitp://ww^v.magtu.nj./informacziya-o-zashhishhennoj-i-predstavlennoj-k-zashhite-dissertaczii-na-soiskank-uchenoj-siepeni-kandidata-nauk-na-soiskanie-udienoj-stepeni-doktora-nauk-20l4/item/37l 1 .html

Автореферат разослан «

Л

л L {-¿¿?/Lt£ 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркнн IO.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для изготовления ответственных крупногабаритных деталей путем изменения их размеров и структуры в горячем состоянии используются мощные гидравлические ковочные прессы. Наиболее распространенным типом ковочного пресса является конструкция с колонным исполнением станины. В зависимости от расположения рабочих цилиндров при выполнении технологической операции в движение приводится либо подвижная поперечина, либо рама пресса. И в первом и во втором варианте в конструкции присутствует большое количество сопрягаемых деталей. При продолжительной эксплуатации в тяжелых условиях, обусловленных наличием эксцентриситета силы нагруже-ния пресса, высокой температурой обрабатываемой заготовки и наличием абразивных частиц в рабочем пространстве, наблюдается значительный износ направляющих деталей, отвечающих за перемещение подвижных частей ковочного пресса. Износ направляющих деталей и появление сверхнормативных зазоров приводит к снижению точности получаемых поковок, появлению динамических нагрузок в узлах пресса, что способствует возникновению аварийных ситуаций и длительному простою оборудования. Поэтому обеспечение безаварийной работы мощных гидравлических ковочных прессов, сокращение продолжительности их простоев, повышение точности крупногабаритных поковок являются актуальными задачами металлургии.

Цель работы — разработка аналитической методики оценки долговечности ковочных колонных прессов и способов продления их ресурса.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей с учетом их теплового состояния.

2. Разработать методику расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса.

3. Вывести аналитическую зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины ковочного пресса.

4. Разработать мероприятия, которые позволят увеличить срок службы ковочных прессов.

На защиту выносятся.

1. Методика определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей.

2. Методика расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса.

3. Аналитическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей с учетом их теплового состояния.

2. Разработана методика расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса с учетом теплового потока от нагретых заготовок, учитывающая их геометрические, теплофизические параметры.

3. Выведена аналитическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины, учитывающая совместную тепловую деформацию деталей пресса.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны алгоритм и компьютерная программа расчета нестационарного теплового состояния деталей ковочного колонного пресса, применение которых целесообразно при проектировании нового оборудования.

2. Разработана конструкция защитного экрана для колонн (патент на ПМ РФ № 111803), применение которой позволяет снизить тепловую нагрузку на детали пресса, а также исключить попадание абразивных частиц в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам.

3. Разработана конструкция направляющей втулки подвижной поперечины (патент на ПМ РФ № 111804), улучшающая скольжение подвижной поперечины по колоннам.

4. Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова».

Реализация результатов работы. По результатам исследований разработаны конструкции защитных экранов колонн, направляющей втулки, использование которых позволяет снизить интенсивность износа деталей за счет снижения давления между колоннами и направляющими втулками и исключения попадания абразива в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова».

Достоверность работы основана на проведении экспериментов в производственных и лабораторных условиях с использованием высокоточных измерительных средств: ТЬегтаСАМ 865 (тепловизор), ТЬегшаСАМ Р60 (тепловизор), 1МРАС ГЫ15 (пирометр), индикатор часового типа ИЧ 02, виброанализатор СД-21. При математическом моделировании были использованы современные программные комплексы «КОМПАС-ЗП», «Апбуб» и «МаШсас!».

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и форумах: Международной научно-

технической конференции молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2010), Четвертом международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2011), Научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2011), ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» (Магнитогорск, 2008-2013). Результаты работы получили признание на Всероссийском конкурсе «Инженер года - 2013» по версии «Инженерное искусство молодых». Автор был удостоен медали «Лауреат конкурса» в номинации «Машиностроение (Научно-техническое обеспечение)» и внесен в реестр профессиональных инженеров России (Москва, 2014).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе четыре статьи в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, три статьи в сборниках международных научно-технических конференций и промышленных форумов, два патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, двух приложений. Текст диссертации изложен на 142 страницах машинописного текста, включающих 69 иллюстраций, 11 таблиц. Библиографический список включает 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, излагаются цели, задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен литературный обзор, в котором подробно рассмотрены конструкции ковочных колонных прессов как наиболее часто встречаемых на отечественных и зарубежных металлургических и машиностроительных предприятиях.

В первой главе представлен анализ конструкции ковочного колонного пресса, отмечен основной принцип проектирования его направляющих узлов, работающих в условиях высоких тепловых нагрузок, неравномерно распределенных и носящих циклический характер. При создании ковочного колонного пресса в направляющих узлах предусматриваются нормативные зазоры под максимальное тепловое расширение подвижной поперечины, обеспечиваемые неплотным прилеганием одной из половин направляющей разъемной втулки к поверхности колонны. При подобном подходе к проектированию не учитывается, что ковочный ко-

лонный пресс - это оборудование, на котором выполняется большое количество разнообразных технологических операций, в значительном интервале варьируется геометрические параметры обрабатываемых заготовок, их температура, а также положение относительно базовых деталей пресса.

Ковочный колонный пресс эксплуатируется в тяжелых условиях. Свободная ковка нагретой заготовки связана с воздействием таких негативных факторов, как эксцентриситет приложения технологической нагрузки, неравномерная тепловая деформация деталей, присутствие в рабочем пространстве большого количества абразивных частиц, все это способствует повышенному и неравномерному износу ответственных и дорогостоящих деталей направляющих узлов.

Рассмотрены существующие способы повышения износостойкости направляющих деталей ковочного пресса: материаловедческие, технологические, конструкционные. Отдельное внимание уделено работам, в которых исследовалось влияние эксцентриситета силы нагружения ковочного пресса, так как в подобных условиях возможны не только поломки базовых деталей, но и появление значительного износа направляющих деталей. Проанализированы работы, в которых упоминается о тепловом воздействии нагретой заготовки на детали и узлы ковочного пресса. Отмечено, что износ направляющих деталей пресса зависит от теплового воздействия нагретой заготовки, но при этом отсутствуют методики, позволяющие определить и проанализировать данную зависимость и тем самым разработать наиболее эффективные мероприятия по снижению интенсивности износа указанных деталей и повышению ресурса ковочных колонных прессов.

На основе проведенного анализа сформулированы цель диссертационной работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке методики определения ресурса ковочных колонных прессов с учетом теплового воздействия нагретых заготовок. Для этого были дополнительно разработаны методики определения:

- локального теплового потока излучения, падающего от нагретой горизонтально расположенной заготовки;

- температурного поля поверхности колонн, являющихся наиболее нагруженными и ответственными деталями пресса;

- тепловой деформации деталей пресса.

1) При расчете локального теплового излучения, падающего на поверхность вертикально расположенной колонны, были приняты следующие допущения: колонну и заготовку считали цилиндрами конечной длины, окружающую среду - однородной и изотропной, самооблучение цилиндров отсутствует, так как тела выпуклые, интенсивность излучения не зависит от направления.

Локальный тепловой поток излучения, падающий на колонну от нагретой заготовки, описывается уравнением Стефана-Больцмана:

dq = <T0Enp[(tl + 273)4 - (t2 + (1)

где Епр — приведенная степень черноты излучающих поверхностей;

tl5tz - температуры соответственно поверхности заготовки и колонны;

ст0 - постоянная Больцмана;

г — расстояние между центрами dF1 (элементарная площадка на поверхности заготовки) и dF2 (элементарная площадка на поверхности колонны);

Фи*р2- углы между г и нормалями к поверхности соответственно колонны и заготовки.

Приведенная степень черноты для двух тел, произвольно расположенных в пространстве:

Е"Р ' ^((V^-O^C/^-l))*!' (2)

где £i,£2 - степень черноты соответственно излучающей и поглощающей поверхности;

ip2-i ~ среднеугловой коэффициент излучения;

Fv F2— площадь соответственно заготовки и колонны.

При определении локального теплового потока была учтена видимость элементарной площадки на поверхности колонны: элементарная площадка на колонне облучается максимальной поверхностью заготовки, частью поверхности или облучение полностью отсутствует.

Использование предложенной методики позволило определить тепловой поток излучения, падающий на колонну от нагретой заготовки, учитывая их геометрические параметры, взаимное положение, состояние и температуру поверхности. Результат модельного эксперимента для ковочного пресса усилием 22,5 МН при обработке заготовки массой 4,1 т представлен на рисунке 1. Тепловой поток по высоте открытого участка колонны между верхней частью упора и нижним положением подвижной поперечины h изменяется на 30-45%, а при увеличении температуры заготовки в 1,5 раза тепловой поток возрастает в 4 раза.

Моделирование позволило определить диапазон углов на колонне Ф2 min' Фг шах! кУДа будет приходиться излучение от нагретой заготовки (рисунок 2) - зона нагрева. Зона нагрева при смещении заготовки, при выполнении различных технологических операций (протяжка, осадка, рубка и т.д.) будет смещаться по периметру и высоте колонны.

я, Вт/м2

,-20 град

-0 град

Я, Вт/м2

'30 град

,-90град

а г, мм ^ г, м

Рисунок Зависимость теплового потока, падающего на колонну по ее высоте, в зависимости от положения по периметру: а - при температуре заготовки 800°С; б - при температуре заготовки

1200°С

'1

я, Вт/м2

г=0

Я, Вт/м2

т=Ы2

2=311/4

-в® -««

2=311/4

Угол по периметру колонны," а

Угол по периметру колонны,0 б

Рисунок 2 - Распределение теплового потока по периметру колонны в

зависимости от положения по высоте колонны: а - при температуре заготовки 800 °С; б - при температуре заготовки

1200 °С

2) При определении температурного поля были учтены теплофи-зические свойства материала колонны, цикличность подачи нагретой заготовки в рабочее пространство пресса.

Распределение температуры в колонне описывается уравнением

ср

эТ гдг)'

(3)

Для решения уравнения (3) дополнили его краевыми условиями. Начальные условия (при т = 0):

Ф) = С0. (4)

Граничные условия (при т > 0): — на оси колонны (г = 0) имеем условия симметрии

дг

0,

- на боковой поверхности цилиндра (г = г2) считаем заданным тепловой поток

эс

<7г =

(6)

Учитываем, что тепловой поток изменяется во времени, т.е. различается во время присутствия нагретой заготовки в рабочем пространстве пресса тнагр и во время перерыва между подачей заготовок тпаузы:

Чг. =-

(\-т])д, при г<гю

О - Ч)Я~—. при г < г < г г

0-17)?^==,

Решение краевой задачи:

2 Р + ^о

-\1 гг 2

(7)

(8)

где Fo

- - критерий Фурье;

а = — — коэффициент температуропроводности материала колонны;

- результирующий тепловой поток, идущий на нагрев колонны; г2 - радиус колонны; г - время.

Результаты моделирования для ковочного пресса усилием 22,5 МЫ показаны на рисунке 3. В качестве заготовки был выбран слиток массой 4,1 т. Время обработки одной заготовки 30 мин, перерыв 5 мин. На рисунке 4, а, б показана зависимость температуры поверхности колонны на участке между упором и нижним положением подвижной поперечины (г=Ь/2) от времени в течение обработки трех заготовок (слитков массой 4,1 т).

Конечная температура поверхности в данной точке зависит от локального теплового потока, а также от соотношения тнаГр/тиаузы. Увеличение времени паузы позволяет снизить температуру поверхности колонны, за счет прогрева более глубоких слоев металла, конвекции и излучения в окружающее пространство.

Угол по периметру колонны,"

Рисунок 3 — Зависимость температуры поверхности колонны по периметру в зоне верхней части упора (г = 0) и в зоне нижнего положения подвижной поперечины (г = Ь) в разные моменты времени от начала размещения нагретой заготовки в рабочем пространстве пресса: 1 — г=0, т=30 мин; 2 — г = 0, т = 35 мин; 3 — г = 0, г = 70 мин; 4 — г = Ь, т = 30 мин;

5 - ъ = Ь, т = 35 мин; 6 - г = Ь, т = 70 мин

Время, мин Время, мин

а б

Рисунок 4 - Зависимость температуры поверхности середины колонны на участке между упором и нижним положением подвижной поперечины (2Н1/2) от времени при разных угловых координатах по ее периметру: 1 = -20°; 2 -<р2 = 0°; 3 -<р2 = -60°; 4 = 45°; 5 - <р2 = 60°;

а — время паузы тпаузы = 5 мин; б — время паузы тпаузы = 10 мин

При ковке заготовки массой 18 т (допустимо на рассматриваемом прессе усилием 22,5 МН) в течение 70 мин, согласно предложенной выше методике, максимальная температура поверхности колонны составит 230°С.

3) На основе данных, полученных при моделировании теплового поля колонн ковочного пресса, рассчитана тепловая деформация его деталей. Учитывая характер тепловой деформации деталей пресса, проанализировано изменение зазора между колонной и направляющей втулкой подвижной поперечины (рисунок 5), при их неравномерном нагреве.

а б в г

Рисунок 5 - Характер изменения зазора между колонной и направляющей втулкой подвижной поперечины при неравномерном тепловом воздействии: а - зазор до начала ковки; б — в процессе ковки при нижнем положении подвижной поперечины; в - в процессе ковки при верхнем положении подвижной поперечины; г - после равномерного прогрева

деталей пресса

Максимальная выборка зазора наблюдается, когда подвижная поперечина расположена в крайнем нижнем положении и в зоне максимально приближенной к ее нижней плоскости.

При температуре подвижной поперечины и колонн в зоне максимального теплового воздействия, равной 150°С, для пресса усилием 22,5 МН зазор между направляющей втулкой и колонной уменьшится на величину до 3,73 мм. Но тепловой зазор, предусмотренный конструкцией для пресса данного типоразмера, составляет 2 мм. То есть во время работы при температуре деталей пресса 150°С зазор полностью выбирается и создается значительное давление между колоннами и направляющими втулками подвижной поперечины. При нагреве же до 230°С происходит прогиб колонны до 2,4 мм, суммарное изменение зазора с учетом теплового расширения подвижной поперечины и направляющей втулки составит 6 мм, что совершенно недопустимо в рассматриваемом узле.

После соприкосновения колонны с направляющей втулкой со стороны рабочего пространства пресса и при дальнейшем тепловом воздействии появляется давление между деталями пары трения. С целью определения давления между колоннами и направляющими втулками, при тепловом воздействии на детали пресса, была построена трехмерная модель станины пресса с подвижной поперечиной. Тепловая деформация указанной трехмерной модели была проанализирована в конечно-элементном расчетном комплексе ANSYS WORKBENCH. Были получены результаты распределения и величины напряжений при тепловой деформации деталей пресса. Полученные напряжения дают представление о давлении, возникающем между колоннами и направляющими втулками, с учетом выражения:

р ~ ак (9)

где ак - напряжение в зоне контакта колонны и направляющей втулки;

р - давление в паре трения.

Получив результаты изменения давления между деталями пары трения, а также считая, что реализуется упругий насыщенный контакт,

определяем интегральную интенсивность линейного износа:

= + (10)

где I — показатель кривой усталости;

р - удельное давление в паре трения;

НВ — твердость менее твердого тела;

Д — комплексная характеристика шероховатости более твердого тела;

Е — модуль упругости менее твердого тела;

^ - молекулярная составляющая коэффициента трения;

[1 — коэффициент Пуассона;

т0, р - фрикционные параметры, определяемые экспериментально.

Учитывая интегральную интенсивность линейного износа, определяем ресурс ковочного пресса по критерию износостойкости направляющих деталей:

Т = (11)

где Ьд- допустимая величина износа направляющей детали;

1[, — интегральная интенсивность линейного износа направляющей детали;

V —скорость перемещения подвижной поперечины по колоннам.

Учитывая выражения (10)и(11), а также тот факт, что скорость перемещения подвижной поперечины и предельно допустимая величина износа направляющих деталей не изменяются, при изменении теплового воздействия от нагретой заготовки, доказали, что ресурс оборудования при повышении температуры его направляющих деталей значительно снижается. Правильно сконструированный узел «колонна - направляющая втулка» должен работать при упругих деформациях в зонах касания. Но и в условиях упругих деформаций незначительное увеличение давления между контактирующими деталями приводит к снижению долговечности рассматриваемого узла. Учитывая данные, приведенные в работах И.В. Крагельского, Н.М. Михина, данные компьютерного моделирования напряжений, а также выражения (9) — (11), можно утверждать, что при повышении температуры в зоне максимального нагрева колонн с 30°С до 150°С ресурс ковочного пресса по критерию износостойкости направляющих деталей подвижной поперечины (наиболее нагруженных деталей) снижается минимум в 10 раз. Таким образом, показано влияние тепловой нагрузки на износ и долговечность направляющих деталей ковочного колонного пресса. Отмечена необходимость поиска более эффективного

способа борьбы с тепловым воздействием нагретой заготовки на детали ковочного колонного пресса.

Наиболее перспективным способом снижения теплового воздействия на детали пресса является применение защитных кожухов -экранов. Эффективность применения защитного экрана определяли следующим образом:

Чн/Ч, = 1 + п((2 - Ез)/(2 - £))(е/£з), (12)

где q12 — тепловой поток от нагретой заготовки к деталям пресса; q3 — тепловой поток от экрана к деталям пресса; £ — степень черноты источника; п — количество экранов; Еэ— степень черноты экрана.

При использовании одного экрана, изготовленного из материала со степенью черноты поверхности 0,1 (что соответствует алюминиевому листу), возможно снижение теплового потока от источника излучения в 10 раз. Соответственно это приводит к значительному снижению нагрева изолированных деталей ковочного пресса и снижению его тепловой деформации.

Третья глава посвящена исследованию условий работы ковочного пресса и моделированию в лабораторных условиях тепловой нагрузки на детали ковочного пресса с целью исследования их тепловой деформации.

Исследование теплового состояния ковочного пресса в условиях производства осуществлялось посредствам тепловизора ThermaCAM S65 (производитель «Flir Systems», США). Получена термограмма ковочного пресса (рисунок 6) после деформации двух заготовок (слитков) массой 4,1 т на заготовки с сечением в виде квадрата 370 мм, начальная температура 1250°С, конечная — 800°С, после одного часа работы. Температура воздуха в цехе 20°С. Следует отметить неравномерность нагрева колонны по высоте, периметру, а также различие температуры между колоннами в сопоставимых зонах.

Неравномерность нагрева колонн между собой возможна из-за смещения нагретой заготовки относительно центральной оси пресса (эксцентриситет), неравномерности температуры излучающей поверхности заготовки, условий перемещения воздушной массы в цехе. Для определения неравномерности температуры излучающей поверхности заготовки (слитка) было проведено исследование теплового состояния поверхности заготовки из стали 45 массой 12,5 т сечением 0893 мм при температуре в цехе 10°С. Получены термограммы, которые также позволяют оценить изменения температуры поверхности заготовки в процессе

ее обработки на ковочном прессе (перепад температур может составлять более 100°С).

Рисунок 6 — Термограмма ковочного пресса усилием 22,5 МН

В лабораторных условиях была спроектирована уменьшенная в 30 раз модель станины ковочного колонного пресса, на которой производилось исследование ее тепловой деформации при нахождении в рабочем пространстве нагретой заготовки. Исследование тепловой деформации модели станины пресса показало, что при смещении обрабатываемой заготовки относительно центральной оси пресса наблюдается различие в температуре нагрева колонн (рисунок 7), различный их прогиб и удлинение, что приводит не только к деформации деталей в узле «колонна -направляющая втулка», но и к перекосу архитрава.

Отсутствие эксцентриситета

5:: Эксцентриситет 5 мм ш Эксцентриситет 10 мм

12 3 4

Номер колонны

Рисунок 7 — Нагрев колонн при смещении заготовки

Используя лабораторную установку, были получены данные деформации рамы пресса. Согласно полученным результатам при нагреве

250 -

2

3 200 -

о

Щ о Я 150 -

1 100

в. 50

о

1 0

колонн пресса усилием 22,5 МН до температуры 150°С в области, подверженной максимальному тепловому воздействию, прогиб колонны в сторону рабочего пространства пресса равен 1,5 мм смещение архитрава — 35 мм. При этом максимальный перекос архитрава составляет 15 мм. С учетом того, что для ковочного пресса величина тепловых зазоров варьируется от 1 до 3 мм (для пресса 22,5 МН - 2 мм) и предъявляются жесткие требования к параллельности и перпендикулярности большинства поверхностей (ГОСТ 7284-88), вышеуказанные тепловые деформации недопустимы.

В четвертой главе рассмотрены существующие способы защиты колонн и направляющих втулок от воздействия тяжелых условий эксплуатации. Представлены мероприятия, разработанные с учетом проведенных исследований, внедрение которых снижает износ поверхностей в узлах трения пресса и уменьшает динамические нагрузки за счет снижения контактных давлений и исключения попадания абразива в зону скольжения подвижной поперечины.

В лабораторных условиях на спроектированной установке были проведены исследования эффективности защитных экранов, изготовленных из различных материалов. Использование цепной однорядной завесы приводит к снижению температуры поверхности колонны на 60%. Использование в качестве завес кожухов, изготовленных из алюмосиликат-ного волокна со стеклянным ровингом, приводит к снижению тепловой нагрузки на 80-85% (рисунок 8).

Разработан защитный экран в виде кожуха для защиты колонн от теплового потока от нагретой заготовки (рисунок 9), а также абразивных частиц, попадающих в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам. К приливам подвижной поперечины крепили защитные кожухи из сплошного композиционного материала в виде алюмосиликатного волокна и стеклянного ровинга. Для усиления эффекта отражения на внешнюю поверхность кожуха наносили алюминиевое покрытие. Защитные кожухи в нижней части снабдили контргрузом, с целью исключения его попадания в зону скольжения подвижной поперечины по колоннам в процессе работы.

Как видно из термограммы (см. рисунок 6), кроме колонн и рабочего инструмента, тепловому воздействию подвержена подвижная поперечина. Следует отметить, что максимальному тепловому воздействию подвергается ее нижняя часть. С целью снижения температуры подвижной поперечины эффективно применение теплоизоляционного слоя из материала с низким коэффициентом теплопроводности, что позволяет снизить передачу тепла от бойка (рабочего инструмента), нагретого до 300 - 400°С, и тем самым исключить тепловую деформацию подвижной поперечины.

Алюмосиликатное волокно со

стеклянным

ровингом

Цепная завеса (один ряд)

Отсутствие экрана

12 3 4 Номер колонны

Рисунок 8 — Эффективность экранов при различном расположении нагретой заготовки в рабочем пространстве ковочного колонного пресса (заготовка нагрета до температуры 1200°С)

- П1

РЧ II-

Защитный кожух

1

гт 1,1.......11

.......

Рисунок 9 — Ковочный пресс с защитными экранами (кожухами)

С учетом того, что с применением защитных экранов происходит снижение температуры колонн и подвижной поперечины, разработана новая конструкция направляющей втулки с применением современных полимерных антифрикционных материалов, позволяющих компенсировать зазор в цилиндрических направляющих, образующийся в процессе эксплуатации. Предлагаемое решение заключается в следующем: подвижная поперечина контактирует с колоннами через направляющие втулки с самосмазывающимися вставками из полимерного антифрикционного материала (рисунок 10).

Использование фторопластового (ф-4) полимерного антифрикционного материала обеспечило снижение коэффициент трения до 0,04. Для осуществления компенсации износа антифрикционных вставок спроектирован механизм компенсации, состоящий из двух крышек 9, расположенных с торцов втулок, установленных с зазором, закрепленных к подвижной поперечине при помощи винтов 10 и дистанционных шайб

11. При износе антифрикционных вставок демонтируются винты, извлекается по одной дистанционной шайбе, крышка монтируется обратно и подтягивается винтами на высоту демонтируемой дистанционной шайбы. Благодаря форме антифрикционных вставок 7 происходит их скольжение по бронзовым вставкам 8 и вытеснение полимерного антифрикционного материала к колонне, таким образом, происходит выборка зазора.

Рисунок 10 - Направляющий узел подвижной поперечины (направляющая втулка) предлагаемой конструкции

Для улучшения скольжения и снижения износа деталей, отвечающих за перемещение подвижной поперечины, на поверхность колонн и плунжеров, а также хвостовика целесообразно нанесение полимерного покрытия методом фрикционного плакирования гибким инструментом. Совершенствование конструкции ковочного пресса с учетом теплового воздействия на него нагретой заготовки позволяет обеспечить его эффективную и безаварийную работу.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика расчета температурного поля деталей ковочного колонного пресса с учетом теплового потока от нагретых заготовок, учитывающая их геометрические, теплофизические параметры:

- получено распределение теплового потока по поверхности колонн ковочного пресса усилием 22,5 МН. Показана неравномерность распределения теплового потока по высоте и периметру колонн, а также зависимость распределения теплового потока от размещения нагретой заготовки в рабочем пространстве пресса, которая зависит от вида выполняемой технологической операции;

- получено распределение температур на поверхности колонн. Результат расчета поля температур поверхности колонн после ковки двух заготовок в течение 60 мин показал ее повышение со стороны заготовки до 90°С (более чем в 3 раза) при незначительном (на 30-40%) повышении с противоположной стороны. Постепенное выравнивание температуры происходит только после завершения работы пресса. При ковке более массивных заготовок, а также повышении их интенсивности подачи в

рабочее пространство, детали пресса нагреваются со стороны заготовки выше 150°С;

- доказано, что при эксплуатации прессов, как при конструкции с подвижной поперечиной, так и при конструкции с подвижной рамой, воздействие нагретой заготовки приводит к значительной неравномерной тепловой деформации станины пресса.

2. Выведена аналитическая зависимость для расчета интенсивности изнашивания направляющих втулок подвижной поперечины, учитывающая совместную тепловую деформацию деталей пресса. Неравномерный характер тепловой деформации по высоте и периметру деталей в узле «колонна — направляющая втулка — подвижная поперечина», нагрев деталей до температуры выше 100°С, позволяют говорить о том, что нормативный зазор величиной 1-3 мм, в зависимости от типоразмера пресса, неэффективен и имеет место возрастание давления между колонной и направляющей втулкой, что, в свою очередь, приводит к увеличению их интенсивности износа.

3. Разработана методика определения ресурса ковочных колонных прессов по критерию износостойкости направляющих деталей с учетом их теплового состояния. Результаты расчетов по предложенной методике показывают, что при повышении температуры в зоне максимального нагрева колонн от 30°С до 150°С ресурс ковочного пресса по критерию износостойкости направляющих деталей подвижной поперечины (наиболее нагруженных деталей) снижается минимум в 10 раз.

4. Теоретически и экспериментально обосновано применение новых конструкций экранов, позволяющих снизить влияние теплового излучения на базовые детали ковочного пресса, при этом обеспечивается снижение нормативных зазоров, закладываемых при конструировании под тепловую деформацию деталей. Кроме того, защитный экран для колонн позволяет исключить попадание абразивных частиц в зону скольжения подвижной поперечины, что приводит к снижению абразивного износа контактирующих поверхностей, и выгорание масляной пленки на поверхности колонн.

5. Доказано влияние изменения зазоров в направляющем узле подвижной поперечины на точность получаемых поковок и на появление и развитие в нём дополнительных динамических нагрузок. Динамические нагрузки в направляющем узле приводят к механическим повреждениям поверхности колонн и направляющих втулок, что недопустимо при их эксплуатации.

6. Снижение температуры колонн, направляющей втулки и подвижной поперечины позволяет использовать полимерные антифрикционные материалы в направляющих узлах ковочного колонного пресса, с целью уменьшения их износа.

7. Разработана конструкция самосмазывающейся направляющей втулки с возможностью компенсации зазора, образующегося при износе контактирующих поверхностей узла «колонна — направляющая втулка — подвижная поперечина».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Новиков, В.И. Анализ работы и перспектива эксплуатации парогидравлического пресса в условиях ЗАО «МРК» / В.И. Новиков, В.И. Кадошников // Материалы 66-й науч.-техн. конф.: сб. докл. Т.1. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С. 230-232.

2. Новиков, В.И. Исследование работы ковочного пресса / В.И. Новиков, Б.Р. Вильданов, В.И. Кадошников // Х-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых специалистов. — Магнитогорск: ОАО «ММК», 2010. — С. 61-62.

3. Новиков, В.И. Модернизация ковочного колонного пресса / В.И. Новиков, Б.Р. Вильданов, В.И. Кадошников // 15-я Науч.-техн. конф. молодых специалистов ЗАО «МРК». — Магнитогорск: ОАО «ММК», 2011.-С. 80-82.

4. Новиков, В.И. Исследование условий эксплуатации колонных ковочных прессов / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова,—2011. - №4. — С. 62-64. (Издание, рекомендованное ВАК).

5. Новиков, В.И. Исследование влияния температуры нагретой заготовки на ковочный пресс с колонным исполнением станины / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова // Четвёртый международный промышленный форум «Реконструкция промышленных предприятий -прорывные технологии в металлургии и машиностроении» 12-15 апреля 2011 г. в г. Челябинске. — Магнитогорск: Магнитогорск, гос. техн. ун-т им. Г. И. Носова, 2011. - С.134-137.

6. Новиков, В.И. Исследование условий эксплуатации ковочных прессов / В.И. Новиков, В.И. Кадошников // Четвёртый международный промышленный форум «Реконструкция промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении» 12-15 апреля 2011 г. в г. Челябинске. — Магнитогорск: Магнитогорск, гос. техн. ун-т им. Г. И. Носова, 2011.-С. 129-131.

7. Новиков, В.И. Влияние температуры нагретой заготовки на температурную деформацию деталей гидравлического ковочного пресса / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. — 2012 — №1— С. 32-36. (Издание, рекомендованное ВАК).

8. Новиков, В.И. Повышение надежности работы деталей, отвечающих за перемещение подвижной поперечины в гидравлическом ко-

вочном прессе / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. -2012. - №2. - С. 24 -28. (Издание, рекомендованное ВАК).

9. Патент на полезную модель № 111804 Российской Федерации, МПК В 30 В 15/06,В 30 В 1/32. Подвижная поперечина гидравлического пресса / В.И. Кадошников, В.И. Новиков, Е.В. Куликова и др. № 2011128319/02; заявл. 08.07.2011.; опубл. в БИПМ № 36 27.12.11.

10. Патент на полезную модель № 111803 Российской Федерации, МПК В 30 В 15/28, В 30 В 1/3. Гидравлический ковочный пресс / В.И. Кадошников, В.И. Новиков, Е. В. Куликова и др. № 2011128316/02; заявл. 08.07.2011.; опубл. в БИПМ № 36 27.12.11.

П.Новиков, В.И., Исследование работы ковочного пресса с колонным исполнением станины / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й Межрегион, науч.-техн. конф. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2012. - Т. 1. — С. 254-256.

12. Новиков, В.И. Теплозащита элементов ковочного пресса с колонным исполнением станины / В.И. Новиков, В.И. Кадошников, Е.В. Куликова, И.М. Ячиков // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2013. — №2. - С. 62-66. (Издание, рекомендованное ВАК).

13.Новиков, В.И. Моделирование тепловой деформации колонн ковочного пресса / В.И. Новиков, В.И. Кадошников // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й Межрегион. науч.-техн. конф. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2013. - С. 354-356.

Подписано в печать 09.07.2014 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1. Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 430.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»