автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Исследование физико-механических свойств полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с целью повышения их ресурса

/ ^ і ■

1вах рукописи

КОРОЛЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ПРЕССОВЫХ ВАЛОВ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РЕСУРСА

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

1 2 СЕН 20и

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург -2013

005532947

Работа выполнена на кафедре машин и оборудования ЦБП ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Научный руководитель: Санников Александр Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бурындин Виктор Гаврилович

доктор технических наук, профессор кафедры технологии переработки пластических масс ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Никитин Юрий Рафаилович кандидат технических наук, доцент кафедры мехатронных систем ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. Калашникова»

Ведущая организация: Пермский национальный исследовательский

политехнический университет

Защита состоится « 25 » сентября 2013 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.281.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» по адресу: 620100, Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, д. 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан « 21 » августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Куцубина Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность - отрасль народного хозяйства, специализирующаяся на выпуске бумаги и картона. Технологический процесс бумажного производства осуществляется на уникальном оборудовании, где бумаго- и картоноделательные машины (БМ) являются наиболее сложными системами, работающие в автоматическом режиме без резервирования.

Повышение производительности современных БМ осуществляется за счет увеличения скорости и единичной мощности, что ведет к изменению многих параметров технологического режима, в частности, увеличению линейного давления между валами. Одновременно повышаются требования к надежности и эффективности работы основных частей и узлов и элементов БМ. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия валов. Такие покрытия используются на сетко-, сукно-, бумаговедущих валах, прессовых валах, включая валы клеильных прессов, валах мягких каландров и выполняют антикоррозионную и технологическую функции.

Работа при повышенных линейных давлениях, скоростях, температуре приводит к преждевременному выходу из строя покрытий, вследствие изменения их напряженно-деформированного состояния (НДС). Это приводит к разрушению адгезионного соединения между покрытием и рубашкой вала (отслоению). В месте отслоения происходит снижение жесткости, что приводит к увеличению общего уровня вибрации валов, снижению качества выпускаемой продукции. Поэтому для обеспечения продолжительной работы покрытий необходимы исследования, направленные на повышение ресурса покрытий.

Степень разработанности проблемы. Вопросам изучения НДС поверхностных вязкоупругих слоев в рамках теории контактного взаимодействия посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Среди отечественных исследователей, наибольших успехов достигли ученые института проблем механики РАН, в частности, И.Г. Горячева и ее коллеги. Их исследования позволили получить соотношения между напряжениями и деформациями при скольжении цилиндра по вязкоупругому основанию; установить влияние несовершенной упругости реальных материалов и проскальзывания тел в зоне площадки контакта на распределение напряжений в этой области. Эти работы не могут быть в чистом виде применены для определения НДС в зоне контакта валов с покрытиями, так как не учитывают распределение напряжений, деформаций на границе «рубашка вала-покрытие», где и происходит появление дефектов, приводящих к останову БМ.

Большой вклад в исследовании процессов деформирования облицовочного слоя применительно к оборудованию ЦБП внесли Ефимов и Новиков.

И.Н. Ефимов предложил систему дифференциальных уравнений термовяз-коупругости с начальными и граничными условиями для описания деформирования эластичного слоя (покрытия) прессовых валов. Данный подход позволяет проанализировать несколько параметров, влияющих на работоспособность: линейное давление, толщина облицовки, неравномерность температурного поля

и т.д. и получить картины распределения нормальной и касательной составляющих внешней нагрузки и др. К недостаткам данной модели можно отнести то, что процесс деформирования рассматривается в плоскости. Это не позволяет рассматривать распределение деформаций по длине вала, не учитывается влияние краевых эффектов на процессы деформирования в покрытии.

Н.Е. Новиков провел множество экспериментальных исследований по изучению влияния диаметра валов, линейного давления, скорости машины, твердости и толщины резинового слоя, температуры и других показателей на величину площадки контакта; влияние времени работы на температуру резиновой облицовки которые отражены в монографии. Однако в монографии не рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния покрытий. Скорость машин, линейное давление и материалы, используемые в качестве покрытий прессовых валов, изменились, требуются новые исследования.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами НДС контакта слоистых упругих и вязкоупругих тел, можно выделить работы Калкера и Брата. В этих работах теоретически и экспериментально изучался контакт качения двух цилиндров с покрытиями из вязкоупругих материалов, в частности резины. Для исследований использовались различные численные и вариационные методы определения напряжений в зоне контакта для слоистых упругих и вязкоупругих покрытий. Однако в трудах этих ученых не учитывается величина адгезии между валом и покрытием, не рассматривается влияние напряжений и деформаций на температуру покрытий, не учитывается влияние краевого эффекта на напряженно-деформированное состояние покрытий.

Срок службы покрытия во многом определяется виброактивностью валов прессовой части. На виброактивность валов прессовой части влияет техническое состояние покрытий. Больших результатов в исследовании виброактивности прессовых частей добились ученые кафедры МиО ЦБП Уральского государственного лесотехнического университета. Основная часть исследований проводилась в сфере изучения вибрации.

Исследованиями колебаний двухвальных прессов занимались С.А. Мишин и С.А. Зарубин. В работе неоднородность упругих свойств облицовки вала рассматривалась как один из источников колебаний валов. Были получены дифференциальные уравнения, описывающие поступательные и поворотные колебания валов.

Динамикой многовальных прессов БМ занимался C.B. Тойбич. В диссертации получены передаточные функции и фазочастотные характеристики элементов прессовых частей с учетом поступательных, поворотных и изгибных колебаний.

A.A. Санников и Н.В. Куцубина занимались разработкой вибрационных расчетов, оценкой и прогнозированием вибрационного состояния бумагоделательных машин, в том числе прессовых частей, было установлено, что большинство источников вибрации проявляется на оборотных частотах, в том числе и дефекты покрытия.

Однако в трудах этих ученых не рассматриваются вопросы изменения параметров колебаний валов с покрытиями на различных силовых и скоростных режимах работы.

Наиболее перспективными являются исследования НДС покрытий различных геометрических размеров с учетом режима работы, динамических характеристик валов с покрытиями и исследование изменения физико-механических характеристик покрытий при изменении температуры. Данные исследования позволят отработать методику определения НДС, получить картины распределения напряжений, деформаций, перемещений в зоне контакта и установить причину их возникновения. Кроме того, определить пятно и жесткость контакта, установить изменение твердости покрытий измеренной по ГОСТ и твердости в эксплуатационных условиях и другие параметры.

Применение полученных данных и экспериментально проверенных методик расчета на практике позволят обоснованно вносить изменения геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при изготовлении. Эти данные могут быть также использованы технологическими службами предприятий ИБП при эксплуатации валов с покрытиями для повышения эффективности их работы.

Целью работы является повышение ресурса полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин путем решения следующих задач:

определения параметров напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с учетом физико-механических свойств покрытий;

моделирования параметров напряженно-деформированного состояния на краях валов с учетом геометрии скоса;

экспериментального определения физико-механических свойств полиуретановых покрытий с изменением температуры;

комплексных исследований полиуретановых покрытий валов на стенде. Методологической основой диссертационного исследования является комплексный подход, базирующийся на эмпирическо-теоретическом методе познания. Для изучения влияния температуры на физико-механические свойства покрытий, динамических характеристик валов с покрытиями, размеров и формы площадки контакта, жесткости контакта валов использовался общенаучный метод познания - эксперимент. Для исследований напряженно-деформированного состояния, жесткости контакта использовался метод познания - моделирование.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений динамики машин, теории колебаний, методов конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на стенде ООО Hi ill «Уником-Сервис», спроектированном специально для исследований полиуретановых покрытий валов. При экспериментальных исследованиях использован анализатор вибрации СД-12М фирмы «ВACT», пирометр Center 350, твердомер типа А и D, лицензионное программное обеспечение и другое. Геометрические построения выполнены в системе трехмерного параметрического моделирования Pro|Engineer, численные расчеты проведены в

системе конечно-элементного анализа ANSYS (в рамках обучающих лицензий и студенческих версий программ).

Научная новизна работы. Реализовано численное моделирование процессов напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий в зоне контакта валов. Установлено изменение твердости полиуретановых покрытий при увеличении температуры. Установлено влияние геометрии скоса на распределение параметров напряженно-деформированного состояния на краях покрытий. Определены коэффициенты жесткости в зоне контакта в зависимости линейного давления. Определено изменение температуры в зоне контакта в зависимости от скоростных режимов и линейного давления. Выявлено изменение динамических характеристик валов на различных режимах работы.

Достоверность результатов исследований и рекомендаций обуславливается использованием при моделировании напряженно-деформированного состояния покрытий прогрессивного метода конечных элементов, реализованного в известных программных средствах, при исследовании вибрационных процессов — развитой теории колебаний. Достоверность численных расчетов подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Величина жесткости контакта модели экспериментально подтверждена на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», при этом погрешность жесткости контакта составила не более 15%. Адекватность описания деформаций сжатия полиуретана моделью подтверждена на испытательной машине INSTRON 5582 лаборатории предприятия — погрешность составила 29%. Достоверность экспериментальных данных по измерению температуры и твердости полиуретановых покрытий обусловлена использованием поверенных средств измерений.

Практическая значимость. Экспериментальные данные и теоретические методики расчета рекомендуется использовать при проектировании новых прессовых валов бумагоделательных машин, а также при выборе геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при нанесении новых покрытий на валы. Экспериментальные данные могут быть использованы технологическими службами предприятий ЦБП для повышения эффективности работы покрытий прессовых валов. Методика моделирования напряженно-деформированного состояния покрытий пригодна для прессовых валов, валов мягких каландров БМ.

Результаты работы следует использовать в учебном процессе в курсах «Теория и конструкция машин и оборудования отрасли» и «Диагностика машин и оборудования». Использование предложенных методик расчета напряженно-деформированного состояния покрытий и экспериментальных данных подтверждено актом внедрения результатов работы на ООО НПП «Уником-Сервис».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции студентов направления «Технологические машины и оборудование» 2009; международной научно-технической интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» 15.10-11.2012 г. (БГИТА, Брянск); научно-техническом семинаре «Организация

и методы безопасной и эффективной эксплуатации технологических машин и оборудования с исчерпанным нормативным ресурсом» 2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы по единому наряд - заказу Минобразования РФ.

Научные положения, выносимые на защиту:

результаты моделирования напряженно-деформированного состояния валов с полиуретановыми покрытиями с учетом их физико-механических свойств, геометрии и нагружения;

результаты экспериментальных исследований изменения твердости полиуретанов, применяемых для покрытий прессовых валов БМ, при повышенных температурах;

результаты экспериментальных исследований на стенде: определение жесткости контакта;

определение коэффициента трения качения валов с покрытиями; определение температуры покрытий по длине; динамические характеристики контакта валов с покрытиями. Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Она включает 134 страницы машинописного текста, 58 ил., 23 табл., 111 наименования использованных источников, в том числе 24 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены ее цель и задачи; степень разработанности; методологическая основа и методы исследований; положения, выносимые на защиту; показаны научная новизна и практическая значимость работы.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи В разделе приведены общие сведения о назначении, основных функциях полиуретановых покрытий прессовых валов БМ, обозначены требования, предъявляемые к покрытиям современных БМ. Проведен обзорный анализ полимерных материалов, применяемых для покрытий валов и способов нанесения покрытий на валы. Рассмотрены основные физико-механические характеристики полиуретановых покрытий.

Выполнен анализ структурных параметров технического состояния покрытий на основе информации, накопленной службами и отделами предприятий ИБП, а также предприятия, занимающегося изготовлением и ремонтом покрытий - ООО НПП «Уником-Сервис». Было выявлено, что основная причина выхода из строя покрытий — отслоение от рубашки вала. Основная доля отслоений происходит на краях покрытий. Это вызвано повышенными напряжениями и деформациями в этих областях (краевым эффектом). В месте отслоения происходит снижение жесткости, что приводит к увеличению общего уровня вибрации валов, снижению качества выпускаемой продукции.

Проведен аналитический обзор работ российских и зарубежных ученых по исследованию напряженно-деформированного состояния поверхностных вяз-коупругих слоев в рамках теории контактного взаимодействия, виброактивности валов прессовых частей, что позволило выявить актуальные проблемы, решение которых направлено на снижение числа аварийных отказов валов вследствие дефектов покрытий и повышение эффективности их работы.

2. Обоснование параметров стенда для определения характеристик покрытий валов В разделе обосновывается необходимость стендовых испытаний для изучения разного рода процессов, протекающих в зоне контакта прессовых валов БМ. Описывается конструкция стенда, изготовленного специально для комплексных исследований полиуретановых покрытий валов (рис.1). На рис.1, обозначено:

1 - приводной вал; 2 - прижимной вал; 3 —подшипниковые опоры; 4 - электродвигатель; 5 - ременная передача; 6 — рычажная система; 7 — гидроцилиндр; 8 - насос НРГ - 7004.

Проведен силовой анализ конструкции стенда в результате которого, было получено уравнение для расчета коэффициента трения качения валов с покрытием. Рис. 1 -Экспериментальный стенд

Коэффициент трения качения в зоне контакта определяется по формуле:

к=-

РпрЬ

Рога-

РЛ

Ю1Г;

Ь-зт(а)-РпЬ-соз(а)

-Ь-БтСа) Рп(1--^-)

(1)

где Р = 1-и - достигнутая мощность привода, Вт; I - сила тока, А; и - напряжение сети, В; Рпр - усилие на штоке гидроцилиндра, Н; Ш] — круговая частота вращения приводного вала, рад/с; Г1 - радиус приводного вала, м; а, Ь, 1 - геометрические размеры, м; г) - КПД ременной передачи.

Стенд имеет конструкцию, в которой требуемое линейное давление между валами создается прижимом ведомого вала, опоры которого опираются на рычаг системы прижима к приводному валу, жестко закрепленному на раме. При этом жесткость опорных конструкций ведомого вала на порядок меньше жесткости опор приводного вала, поэтому при исследованиях параметры колебаний целесообразно измерять на ведомом валу. Передача усилия на рычаг осуществляется гидроцилиндром. Валы стенда в процессе работы совершают поворотные и поступательно-поворотные колебания. Для исключения резонансов при исследованиях необходимо знать собственные частоты колебаний ведомого ва-

Рис.2. - Расчетная модель стенда мы стенда к основной раме; 7 -

0,028 0,024 0,02 0,016 0,012: 0,008 0,004 0 ■

I ІІІІІІ

ви д ш

ла на рычаге и амплитудно-частотные характеристики поворотных и поступательно-поворотных колебаний.

Частоты собственных колебаний ведомого вала на рычаге были определены экспериментально ударом и подтверждены численным расчетом. Модель для расчета собственных частот ведомого вала на рычаге показана на рис.2.

На рис. обозначено: 1 - рама стенда; 2 - масса приводного вала, сосредоточенная в точке 7 центра масс; 3 - масса прижимного вала, сосредоточенная в точке центра масс; 4 - места крепления валов к раме; 5 - рычаг прижима; 6 - закрепления по отверстиям крепления ра-гидроцилиндр.

Спектр, полученный экспериментально представлен на рис.3. Значение собственной частоты полученной экспериментально 26 Гц. Собственная частота колебаний ведомого вала на рычаге, полученная численным расче-Рис.З. Спектр колебаний вала на рычаге том равняется 27 Гц. Погрешность собственной частоты вала на рычаге, полученная расчетным и экспериментальным методом составляет 1,5%.

Для определения амплитудно-частотных характеристик были получены дифференциальные уравнения, описывающие поворотные колебания стенда, при силовом, кинематическом и параметрическом возбуждении, маятниковые колебания подшипников качения и поступательно-поворотные колебания, вызываемые неравномерно распределенной жесткостью контакта.

Были определены резонансные частоты поворотных колебаний при силовом, кинематическом и параметрическом возбуждении при линейных давлениях от 20 до 80 кН/м. Расчет показал, что они изменяются в диапазоне от 127 до 138 Гц. Определена частота маятникового резонанса, которая равна 166 Гц. Определены резонансные частоты поступательно-поворотных колебаний от распределенной жесткости контакта при линейных давлениях от 20 до 80 кН/м, частоты находятся в диапазоне 22 - 25 Гц.

Исследования будут проводиться до частоты вращения 16 Гц, поэтому не проявятся при испытаниях.

100 Гд

120 140 160 180 200

3. Моделирование процессов напряженно-деформированного состояния в покрытии В разделе приведено моделирование напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с покрытиями для определения качественных и количественных показателей нормальных и касательных напряжений, деформаций и перемещений в

зоне контакта валов. Модель создана с учетом режимов нагружения, физико-механических свойств полиуретановых покрытий и величины адгезионной прочности между покрытием и металлической рубашкой вала. Приведена методика расчета параметров объемного напряженно-деформированного состояния на краях покрытий с учетом геометрии скоса

Для задания свойств полиуретановых покрытий валов использовались диаграммы «напряжение - деформация», полученные на испытательной машине ООО НПП «Уником-Сервис». В качестве модели, описывающей поведение материала, была принята модель гиперупругого материала Муни-Ривлина с тремя параметрами. Данная модель наиболее точно аппроксимирует экспериментальную кривую.

Для проверки поведения материала моделью Муни-Ривлина с тремя параметрами при сжатии, проведена ее верификация. Для полиуретана с твердостью 70 ШорБ погрешность составила от 8% до 29% при разных усилиях прижима, причем большая погрешность наблюдается на малых усилиях прижима. Для материала с твердостью 95 Шор А ошибка не превышает 28%. Заданные модели Муни-Ривлина с тремя параметрами приемлемо описывают поведение материалов, и могут быть использованы для дальнейших расчетов.

Для определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с покрытиями воспользуемся методом конечных элементов. Для расчета напряжений и деформаций используем основные соотношения теории упругости в матричном виде.

Связь перемещения {д} в узлах конечно-элементной модели с деформацией определяется выражением:

{£} = [В]{Я>, (2)

где {е} - деформации узлов конечных элементов; [В] — матрица перехода от перемещений узлов к деформациям в произвольной точке.

Напряжения определяются по формуле:

{°} = [0]{е}, (3)

где {с} - напряжения узлов конечных элементов; [Б] - матрица модуля упругости материала.

Построение математической модели контакта валов с покрытиями сводиться к представлению принципиальной схемы контакта валов в виде конечно-элементной модели (рис. 4). При этом выбраны типы конечных элементов (КЭ), для моделирования упругих свойств рубашек валов и гиперупругих свойств полиуретановых покрытий.

Результаты численных расчетов для валов с толщиной покрытий 8 мм сведены в таблицу 1, полученные картины НДС в зоне контакта показаны на рис.5, а графики изменения нормальных и касательных напряжений от усилия прижима показаны на рис.6.

Рис.4. Конечно-элементная модель

Таблица 1

Результаты численных расчетов при толщине покрытий 8 мм

Усилие прижима Б, кН АГрасч, М арасч, МПа Трасч, МПа

10 0,4-10"3 2,4 0,5

15 0,64-10"3 3,7 0,84

20 0,86-10"3 4,71 1,2

25 1Д-10"3 7,31 1,64

30 1,42-10"3 10,4 2,32

а б в

Рис.5. Характерные картины распределения напряжений и перемещений в покрытии при деформации: а - касательные напряжения, б - нормальные напряжения, в - перемещения

2.5

С

§ «

§0.5

1 ■

—о-20 мм . —•—8 мм _______^

10

15 20 25 Усилие прижима, кН

30

15 20 25 30

Усилие прижима, кН

а б

Рис.6. Графики изменения напряжений: а - нормальные напряжения, б - касательные напряжения По результатам моделирования контакта валов с покрытиями получены картины распределения нормальных и касательных напряжений, деформаций, перемещений в покрытиях при различных силовых режимах нагружения. Установлено, что при некоторых значениях толщины покрытия и усилия прижима величина нормальных и касательных напряжений превышает прочность адгезионного соединения «вал-покрытие» 12 МПа и может произойти отслоение.

Опыт эксплуатации показывает, что наиболее вероятное место разрушения - край покрытия (рис.7). Это происходит вследствие повышенных напряжений и больших деформаций в материале на краях покрытия. Причиной любого отслоения является недостаточная адгезия покрытия с рубашкой вала.

Рис.7. - Отслоение покрытия прессового вала Геометрия скосов, используемых геометрические размеры в таблице 2.

/

Отсутствие уточненных методов расчета краевого эффекта не позволяет многим отечественным производителям принимать обоснованную геометрию скоса покрытия.

Применив разработанную методику, получены количественные и качественные показатели напряжений и деформаций на краях покрытий с учетом геометрии скосов.

в исследовании, приведена на рис. 8, а

а ^

Рис. 8. Геометрии скоса покрытия: а - скос №1, б - скос №2

Таблица 2

Размер Скос №1 Скос №2

Толщина покрытия к, мм 20 20

Угол наклона а, град 5 20

Длина скоса I, мм 20 20

Радиус К, мм - 10

Расстояние до центра 20

окружности А/, мм

Полученные в ходе расчета значения максимальных нормальных и касательных напряжений, деформаций на краях покрытий сведены с таблицу 3.

Таблица 3

Результаты определения максимальных напряжений и деформаций _на краях покрытий___

Параметры Твердость покрытия Скос №1 Скос №2 Без скоса

Линейное давление 100 кН/м

Нормальные напряжения, МПа 70 ШорБ 4,6 2,4 4,9

Касательные напряжения, МПа 0,57 0,27 0,63

Деформации в покрытии 0,027 0,022 0,029

Нормальные напряжения, МПа 95 ШорА 4,7 2,02 5,03

Касательные напряжения, МПа 0,57 0,43 0,62

Деформации в покрытии 0,132 0,103 0,138

Расчет показал, что максимальные напряжения и де< юрмации характер-

ные для случая без скоса. В случае со скосом №2 величина напряжений на кра-

ях снижается более чем в 2 раза в сравнении со случаем без скоса. Таким образом, геометрия скоса существенным образом влияет на величину напряжений и деформации на краях покрытий.

4. Экспериментальные исследования параметров облицовки В разделе приведена методика проведения исследований на стенде, созданном на базе научно-производственного предприятия «Уником-Сервис», специально для исследований полиуретановых покрытий валов. Испытания проведены для подтверждения результатов численного расчета и для получения новых, ранее не известных данных.

Параметры покрытия, выявляемые на стенде:

размеры и форма площадки контакта при статическом нагружении;

коэффициенты жесткости зоны контакта в зависимости от линейного давления;

коэффициенты трения качения валов с облицовкой;

температура покрытия в зависимости от режимов нагружения.

амплитудно-частотные характеристики валов.

Определение площадки контакта

Размер площадки контакта во многом определяет эффективность прессования бумажного полотна. Для покрытий твердостью более 95 ШорА площадка контакта не изменяется при любой скорости машины и ее размеры равны размерам площадки контакта, измеренной в статических условиях. Твердость покрытий валов стенда 70 ШорБ, поэтому площадку контакта измеряем в статических условиях. Размер и форму площадки контакта валов определяем по отпечатку на специальной бумаге (рис.9). Измерение ширины площадки контакта

производим в двух местах: в центральной части и на краях, с помощью штангенциркуля.

Рис.9. Отпечаток контакта валов

Определение коэффициентов жесткости контакта

Важной величиной, характеризующей динамические, вибрационные свойства, напряженно-деформированное состояние является коэффициент жесткости контакта валов. Жесткость контакта определяем по формуле:

. (4)

где Рп - усилие прижатия валов, Аг - сближение валов после приложения силы.

Измерение межосевого расстояния производят в статических условиях с помощью штангенциркуля на всем диапазоне линейных давлений. Коэффициенты жесткости контакта были получены по результатам численного расчета так и по экспериментальным данным и имеют хорошее соответствие.

Погрешность жесткости полученной экспериментально и жесткости определенной численным расчетом составляет не более 15%.

Определение коэффициента трения качения валов с покрытием

Коэффициент трения качения характеризует смещение площадки контакта в сторону направления движения.

Коэффициент трения качения рассчитывается по формуле (1). Для определения достигнутой мощности привода необходимо знать силу тока I. Изменение режима работы стенда - скорости, линейного давления приводит к изменению силы тока в питающей цепи.

Силу тока определяем токоизмерительными клещами на одной фазе электродвигателя. В ходе экспериментов получены значения силы тока и рассчитаны коэффициенты трения качения для всех режимов работы стенда.

Анализ данных показал, что величина коэффициента трения качения валов с покрытиями мала и в расчетах им можно пренебречь.

Определение температуры покрытия

При работе прессовых валов происходит разогрев покрытий из-за внутреннего трения в материале. Для оценки влияния разогрева покрытий на его физико-механические характеристики, в частности на изменение твердости, проведены экспериментальные исследования по определению температуры по длине покрытия на различных режимах работы. Измерение температуры производится инфракрасным пирометром Center 350 с лазерным указателем.

Определение динамических характеристик контакта валов

Выявление динамических характеристик в контакте в зависимости от твердости полиуретана, линейного давления, скорости производится методом спектрального анализа вибрации при различных скоростных и силовых режимах работы валов.

Анализ амплитудно-частотных характеристик показал, что увеличение скорости ведет к линейному росту среднеквадратического значения виброскорости на всем значениях линейных давлений.

Помимо испытаний на стенде, исследованы физико-механические свойства полиуретанов, в частности твердость, при температурах: 60-120 °С.

В ходе экспериментов получены графики изменения твердости полиуретанов, используемых в качестве покрытий валов БМ, при повышении температуры материала.

Выводы

1. Изменение режимов работы прессовых валов из-за модернизации, приводит к разогреву покрытий, изменению твердости и напряженно-деформированного состояния и как следствие к сокращению срока службы покрытий из-за появления в нем дефектов, в частности отслоения.

2. Предложена численная модель контакта валов с покрытиями с учетом их физико-механических характеристик и ее решение методом конечных элементов. Численный расчет показал хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями.

3. Установлено, что изменение толщины покрытия приводит к изменению напряжений в зоне контакта. При уменьшении толщины покрытия с 20 до 8 мм напряжения в зоне контакта увеличиваются на 60%, что существенно снижает ресурс покрытия.

4. Предложенная методика расчета напряженно-деформированного состояния была применена для определения напряжений и деформаций в покры-

тиях на краях с учетом геометрии скосов. Расчетом установлено, что геометрия скоса во многом определяет действующие напряжения и деформации на краях. Использование рациональной геометрии скосов позволяет снизить напряжения и деформации на краях более чем в 2 раза и повысить ресурс покрытий.

5. Проведена серия экспериментальных исследований по определению твердости полиуретанов, используемых для покрытий прессовых валов, при повышенных температурах. Установлено, что разность между заявленной твердостью (по ГОСТ) и твердостью, полученной для диапазона рабочих температур прессов для материала с твердостью 85 ШорА - 3 единицы, для материала с твердостью 91 Шор А - 9 единиц, для материала с твердостью 97 Шор А -4 единицы.

Полученные данные позволяют оценить значения твердости покрытия в эксплуатационных условиях и скорректировать тип используемого материала при изготовлении.

6. Экспериментально определено распределение температуры по длине вала. установлено, что температура по краям покрытий в 2-2,5 раза больше температуры в центральной части. Распределение температуры покрытия по длине хорошо согласуется с его напряженно-деформированным состоянием. Для повышения ресурса покрытий необходимо снизить температуру, предусмотрев скосы на краях.

7. Получены зависимости размеров площадок контакта от линейного давления. Причем изменение ширины средней части площадки контакта происходит по линейному закону, а изменение ширины площадки контакта по краям нелинейно и описывается полиномиальной функций второй степени. Формы полученных площадок контакта наглядно демонстрируют увеличение деформаций на краях покрытий, где и происходит существенное повышение температуры.

8. Показано, как изменяется коэффициент трения качения валов с покрытиями при различных режимах работы. Установлено, что коэффициент трения качения оказывает несущественное влияние на смещение площадки контакта и им можно пренебречь.

9. Получены амплитудно-частотных характеристики валов при изменении скорости и линейного давления. Анализ амплитудно-частотных характеристик показал, что увеличение скорости ведет к линейному росту среднеквадратиче-ского значения виброскорости.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях: 1. Королев A.B. Назначение и параметры стенда для исследования характеристик полиуретановых покрытий валов./ A.B. Королев, С.М. Буторин, C.B. Воронцов, A.A. Санников // Вибродиагностика, триботехника, вибрация и шум. Монографический сборник материалов семинара VII международной научно -технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» / Урал. гос. лесотехн. ун-т. - Екатеринбург, 2009. С. 364-366.

2. Короле? A.B. Разработка стенда для испытаний полимерных покрытий валов / A.B. Королев // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» Том 2. Технические науки. / Черноморье. - Одесса, 2009. С. 12-14

3 Королев А В. Опыт использования полиуретановых покрытий валов с целью повышения их ресурса / A.B. Королев, C.B. Воронцов // Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференцию Выпуск 16. - Брянск: БГИТА, 2012. С. 43- 45.

4. Королев A.B. Структурные параметры технического состояния покрытий / AB. Королев, A.A. Санников // Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференцию Выпуск 16. -Брянск: БГИТА, 2012. С.91 - 93.

5. Санников A.A., Королев A.B. Разработка численных методов расчета покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с учетом краевого эффекта // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2; I FR! .:http://www.science-education.ru/108-8634

6. Королев A.B., Санников A.A. Исследование напряженного состояния покрытий прессовых валов бумагоделательных машин // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 1; т ГШ • httr-//www.science-education.ru/107-8490

7. Королев A.B., Воронцов C.B., Санников A.A. Исследование изменения твердости полиуретановых покрытий прессовых валов при изменении температуры // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2; TTRT.:http://www.science-education.ru/108-8758

8. Королев A.B. Обзорный анализ полимеров, применяемых для покрытий валов / A.B. Королев, A.A. Санников // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. IX всерос. науч.-техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. унт. - Екатеринбург, 2013. -Ч. 1. С. 248 - 250

9. Королев A.B. Диагностический стенд для испытания полимерных покрытий валов./ A.B. Королев, A.A. Санников. - Непрерывное образование: инженерное творчество молодежи. Сборник научных и научно-методических статей.- Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2010. С. 52-54.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620100, Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, д.37. УГЛТУ, ученому секретарю диссертационного совета.

Полп. в печать 2013 г. Объем 1 п.л. Заказ № ^ S_Тираж 100

Уральский государственный лесотехнический университет 620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37. Отдел оперативной полиграфии

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ

04201361919

На правах рукописи

КОРОЛЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ПРЕССОВЫХ ВАЛОВ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РЕСУРСА

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Санников А.А.

Екатеринбург-2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение................................................................................................................................................................5

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи............................................................14

1.1 Назначение и требования, предъявляемые к покрытиям прессовых валов............................................................................................................................................................14

1.2 Основные свойства и физико-механические характеристики полиуретановых покрытий......................................................................................................18

1.3 Структурные параметры технического состояния покрытий................21

1.4 Анализ работ по виброактивности, напряженно-деформируемому состоянию и диагностике поверхностных вязкоупругих слоев .... 25

1.5 Выводы и постановка задачи исследования..........................................................35

2. Обоснование параметров стенда для определения характеристик покрытий валов..........................................................................................................................................38

2.1 Условия работы прессовых валов на реальных бумагоделательных машинах....................................................................................................................................38

2.2 Назначения стенда........................................................................................................................41

2.3 Силовой анализ конструкции стенда..............................................................................42

2.4 Динамические воздействия....................................................................................................45

2.4.1 Силовые, кинематические, параметрические......................................45

2.5 Колебания валов стенда............................................................................................................47

2.5.1 Частоты собственных колебаний прижимного вала....................48

2.5.2 Поворотные колебания..............................................................................................51

2.5.3 Поступательно-поворотные колебания......................................................56

2.6 Выводы по разделу..........................................................................................................................59

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных

машин.................................................................................. 60

3.1 Постановка задачи............................................................. 60

3.2 Описание модели контакта двух цилиндров с покрытием........... 61

3.2.1 Выбор модели поведения покрытия............................... 63

3.2.2 Верификация модели................................................ 65

3.2.3 Построение плоской конечно-элементной модели............ 69

3.2.4 Построение объемной конечно-элементной модели гиперупругого контакта валов...................................... 71

3.3 Моделирование процессов напряженно-деформированного состояния в покрытии......................................................... 73

3.3.1 Описание кинематики конечных деформаций покрытия .... 73

3.3.2 Тензоры напряжений, характеризующие напряженное состояние в покрытии............................................... 75

3.3.3 Определение напряженно-деформированного состояния контактной области и межосевого расстояния на плоской модели................................................................... 77

3.3.4 Определение напряженно-деформированного состояния контактной области по краям вала при изменяемой геометрии скоса....................................................... 83

3.4 Выводы по разделу............................................................ 87

4. Экспериментальные исследования параметров облицовки................. 89

4.1 Постановка задачи............................................................. 89

4.2 Температурные исследования на образцах.............................. 90

4.3 Методика проведения экспериментов на стенде........................ 96

4.3.1 Определение площадки контакта................................. 97

4.3.2 Определение коэффициентов жесткости контакта............ 98

4.3.3 Определение коэффициента трения качения валов с покрытием..............................................................................................................................100

4.3.4 Определение температуры покрытия............................................................101

4.3.5 Определение динамических характеристик контакта валов.. 103 4.4 Выводы по разделу........................................................................................................................108

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................................109

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ......................................................................................................................111

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................112

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Документы о поверке средств измерений....................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения результатов диссертационной работы... 134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность - отрасль народного хозяйства, специализирующаяся на выпуске бумаги и картона. Технологический процесс бумажного производства осуществляется на уникальном оборудовании, где бумаго- и картоноделательные машины (БМ) являются наиболее сложными системами, работающие в автоматическом режиме без резервирования.

Повышение производительности современных БМ осуществляется за счет увеличения скорости и единичной мощности, что ведет к изменению многих параметров технологического режима, в частности, увеличению линейного давления между валами. Одновременно повышаются требования к надежности и эффективности работы основных частей и узлов БМ.

Непрерывность и безаварийность работы БМ зависит от многих факторов, среди которых надежность работы узлов и элементов ее составных частей. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия валов. Такие покрытия используются на сетко-, сукно-, бумаговедущих валах, прессовых валах, включая валы клеильных прессов, валах мягких каландров [1]. Использование покрытий делает процесс производства бумаги более рентабельным - увеличивается срок службы валов, повышается качество готовой продукции.

Основная функция полиуретановых покрытий прессовых валов и валов мягких каландров - технологическая. Покрытия сглаживают последствия неправильной бомбировки, обеспечивают более равномерное давление при местных изменениях толщины бумажного полотна по сравнению с металлическими валами, а также дают возможность работать с большим линейным давлением и увеличить время нахождения полотна в захвате [2].

Работа при повышенных линейных давлениях, скоростях, температуры приводит к преждевременному выходу из строя покрытий, вследствие изменения напряженно-деформированного состояния. Это приводит к разрушению адгезионного соединения между покрытием и рубашкой вала (отслоению). В месте отслоения происходит снижение жесткости, что приводит к увеличению общего

уровня вибрации валов, снижению качества выпускаемой продукции. Поэтому для обеспечения продолжительной работы покрытий необходимы исследования, направленные на повышение ресурса покрытий.

Степень разработанности проблемы. Вопросам изучения напряженно-деформируемого состояния поверхностных вязкоупругих слоев в рамках теории контактного взаимодействия посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Среди отечественных исследователей, наибольших успехов достигли ученые института проблем механики РАН, в частности, И.Г. Горячева, ее коллеги и ученики [3-6]. Их исследования позволили получить соотношения между напряжениями и деформациями при скольжении цилиндра по вязкоупругому основанию; установить влияние несовершенной упругости реальных материалов и проскальзывания тел в зоне площадки контакта на распределение напряжений в этой области. Эти работы не могут быть в чистом виде применены для определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с покрытиями, так как не учитывают распределение напряжений, деформаций на границе «рубашка вала-покрытие», где и происходит появление дефектов, приводящих к останову бумагоделательной машины.

Большой вклад в исследовании процессов деформирования облицовочного слоя применительно к оборудованию ЦБП внесли Ефимов [7-9] и Новиков [10].

И.Н. Ефимов предложил систему дифференциальных уравнений термовязко-упругости с начальными и граничными условиями для описания деформирования эластичного слоя (покрытия) прессовых валов [7]. Данный подход позволяет проанализировать несколько параметров, влияющих на работоспособность: линейное давление, толщина облицовки, неравномерность температурного поля и т.д. и получить картины распределения нормальной и касательной составляющих внешней нагрузки и др. К недостаткам данной модели можно отнести то, что процесс деформирования рассматривается в плоскости. Это не позволяет рассматривать распределение деформаций по длине вала, не учитывается влияние краевых эффектов на процессы деформирования в покрытии.

Н.Е. Новиков провел множество экспериментальных исследований по изучению влияния диаметра валов, линейного давления, скорости машины, твердости и толщины резинового слоя, температуры и других показателей на величину площадки контакта; влияние времени работы на температуру резиновой облицовки которые отражены в монографии [10]. Однако в монографии не рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния покрытий. Скорость машин, линейное давление и материалы, используемые в качестве покрытий прессовых валов, изменились, требуются новые исследования.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами контакта слоистых упругих и вязкоупругих тел, можно выделить работы Калкера [11] и Брата [12]. В этих работах теоретически и экспериментально изучался контакт качения двух цилиндров с покрытиями из вязкоупругих материалов, в частности резины. Для исследований использовались различные численные и вариационные методы определения напряжений в зоне контакта для слоистых упругих и вязко-упругих покрытий. Однако в трудах этих ученых не учитывается величина адгезии между валом и покрытием, не рассматривается влияние напряжений и деформаций на температуру покрытий, не учитывается влияние краевого эффекта на напряженно-деформированное состояние покрытий.

Срок службы покрытия во многом определяется виброактивностью валов прессовой части. На виброактивность валов прессовой части влияет техническое состояние покрытий. Больших результатов в исследовании виброактивности ПЧ добились ученые кафедры МиО ЦБП Уральского государственного лесотехнического университета. Основная часть исследований проводилась в сфере изучения вибрации [13-17].

Исследованиями колебаний двухвальных прессов занимались С.А. Мишин и С.А. Зарубин. В работе [18] неоднородность упругих свойств облицовки вала рассматривалась как один из источников колебаний валов. Были получены дифференциальные уравнения, описывающие поступательные и поворотные колебания валов.

Динамикой многовальных прессов БМ занимался C.B. Тойбич. В диссертации [19] получены передаточные функции и фазочастотные характеристики элементов прессовых частей с учетом поступательных, поворотных и изгибных колебаний.

A.A. Санников и Н.В. Куцубина занимались разработкой вибрационных расчетов [13,20,21], оценкой и прогнозированием вибрационного состояния бумагоделательных машин, в том числе прессовых частей, было установлено, что большинство источников вибрации проявляется на оборотных частотах, в том числе и дефекты покрытия.

Однако в трудах этих ученых не рассматриваются вопросы изменения параметров колебаний валов с покрытиями на различных силовых и скоростных режимах работы.

Наиболее перспективными являются исследования напряженно-деформированного состояния покрытий различных геометрических размеров с учетом режима работы, динамических характеристик валов с покрытиями и исследование изменения физико-механических характеристик покрытий при изменении температуры. Данные исследования позволят отработать методику определения напряженно-деформированного состояния, получить картины распределения напряжений, деформаций, перемещений в зоне контакта и установить причину их возникновения. Кроме того, определить пятно и жесткость контакта, установить изменение твердости покрытий измеренной по ГОСТ [22,23] и твердости в эксплуатационных условиях и другие параметры.

Применение полученных данных и экспериментально проверенных методик расчета на практике позволят обоснованно вносить изменения геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при изготовлении. Эти данные могут быть также использованы технологическими службами предприятий ЦБП при эксплуатации валов с покрытиями для повышения эффективности их работы.

Целью работы является повышение ресурса полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин путем решения следующих задач:

определения параметров напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с учетом физико-механических свойств покрытий;

моделирования параметров напряженно-деформированного состояния на краях валов с учетом геометрии скоса;

экспериментального определения физико-механических свойств полиурета-новых покрытий с изменением температуры;

комплексных исследований полиуретановых покрытий валов на стенде. Методологической основой диссертационного исследования является комплексный подход, базирующийся на на эмпирическо-теоретическом методе познания. Для изучения влияния температуры на физико-механические свойства покрытий, динамических характеристик валов с покрытиями, размеров и формы площадки контакта, жесткости контакта валов использовался общенаучный метод познания - эксперимент. Для исследований напряженно-деформированного состояния, жесткости контакта использовался метод познания - моделирование.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений динамики машин, теории колебаний, методов конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», спроектированном специально для исследований полиуретановых покрытий валов. При экспериментальных исследованиях использован анализатор вибрации «СД-12М» фирмы «ВАСТ», пирометр Center 350, дюрометры типа А и D, лицензионное программное обеспечение и другое. Геометрические построения выполнены в системе трехмерного параметрического моделирования Pro|Engineer, численные расчеты проведены в системе конечно-элементного анализа ANSYS (в рамках обучающих лицензий и студенческих версий программ).

Научная новизна работы. Реализована математическая модель контакта валов с покрытиями с учетом физико-механических свойств полиуретановых покрытий. Определены размеры и форма пятна контакта между валами при различных линейных давлениях. Реализовано численное моделирование процессов напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий в зоне контакта ва-

лов. Установлено изменение твердости полиуретановых покрытий при увеличении температуры. Установлено влияние геометрии скоса на распределение параметров напряженно-деформированного состояния на краях покрытий. Определены коэффициенты жесткости в зоне контакта в зависимости линейного давления. Определено изменение температуры в зоне контакта в зависимости от скоростных режимов и линейного давления. Выявлено изменение динамических характеристик валов на различных режимах работы.

Достоверность результатов исследований и рекомендаций обуславливается использованием при моделировании напряженно-деформированного состояния покрытий прогрессивного метода конечных элементов, реализованного в известных программных средствах, при исследовании вибрационных процессов - развитой теории колебаний. Достоверность численных расчетов подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Величина жесткости контакта модели экспериментально подтверждена на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», при этом погрешность жесткости контакта составила не более 15%. Адекватность описания деформаций сжатия полиуретана моделью подтверждена на испытательной машине INSTRON 5582 лаборатории ООО НПП «Уником-Сервис» -ошибка численного эксперимента для материала с твердостью 70 Шор D не превышает 29% на всем диапазоне усилий прижима, для материала с твердостью 95 Шор А ошибка не превышает 28%. Достоверность экспериментальных данных по измерению температуры и твердости полиуретановых покрытий обусловлена использованием поверенных средств измерений.

Практическая значимость. Экспериментальные данн�