автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование условий эксплуатации и разработка системы управления прочностными и технологическими параметрами гидравлических прессов

На правах рукописи

43?

Коркин Николай Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССОВ

Специальность 05.03.05 «Технологии и машины обработки давлением»

и [.грг;

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009 год

003482230

Работа выполнена в ОАО АХК «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика А.И. Целикова» (ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ») и в ОАО «Корпорация «Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение-АВИСМА титано-магниевый комбинат» (ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»),

Научный руководитель: Лауреат Государственной премии СССР и

Защита диссертации состоится 1 декабря 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д520.016.01 при ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» по адресу: 109428, г. Москва, Рязанский проспект, 8а.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просьба высылать по указанному выше адресу.

Справки по тел.: 730-45-39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ».

Автореферат разослан Я/ 2009 г.

лауреат премии Совета Министров СССР, доктор технических наук Сурков Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Покровский А.М. кандидат технических наук Белоусов И.Я.

Ведущая организация: ООО «Уралмаш - Инжиниринг»

Ученый секретарь диссертационного совета

Дрозд В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Мощные гидравлические прессы, осуществляющие процессы обработки давлением, входят в состав производств, составляющих основу оборонного и промышленного потенциала России. Продукция, выпускаемая на этих прессах, используется во всех отраслях промышленности.

Сила, являющаяся главной технологической характеристикой пресса, создается и воспринимается базовыми деталями, составляющими станину пресса. Процесс обработки давлением происходит, как правило, с эксцентриситетом силы пресса. Превышение допустимых величин эксцентриситета вызывает значительное увеличение напряжений в базовых деталях и приводит к их разрушению, что вызывает длительные простои прессов, значительные расходы на ремонт и запасные части. Эксцентриситет силы пресса влияет и на качество штамповок, вызывая перекос подвижной поперечины и клиновидность штампуемого изделия.

Для предупреждения разрушения базовых деталей и повышения эффективности производства следует осуществлять контроль эксцентриситета силы пресса. Необходимость оснащения мощных гидравлических прессов системами контроля эксцентриситета неоднократно отмечалась в литературе по прессостроению, и были разработаны образцы таких систем. Однако, сложность и громоздкость аппаратуры восприятия, передачи, преобразования и представления информации не позволили запустить эти системы в промышленную эксплуатацию. К 2000 г. ни один из гидравлических прессов России не был оснащен системой контроля эксцентриситета и ограничения силы пресса. Поэтому обеспечение прочностной надежности мощных гидравлических прессов на дальнейший длительный период эксплуатации и повышение качества изделий ответственного назначения определяют актуальность работы, направленной на создание системы контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса.

Цель

Создание работоспособной постоянно действующей системы контроля и ограничения эксцентриситета силы мощного гидравлического пресса.

Задачи

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1. Выбрать и обосновать методику исследования напряженно-деформированного состояния базовых деталей при центральной и эксцентричной силах мощного гидравлического пресса.

2. Выполнить исследование условий эксплуатации базовых деталей при центральной и эксцентричной силах пресса с установлением зависимости максимальных напряжений от величины эксцентриситета.

3. По результатам исследования разработать критерии и основные технические решения системы контроля эксцентриситета и ограничения силы пресса.

4. Разработать программно-аппаратное обеспечение системы контроля эксцентриситета и ограничения силы пресса.

На защиту выносится:

- создание и внедрение в промышленную эксплуатацию постоянно действующей системы контроля и ограничения эксцентриситета силы мощного гидравлического пресса со станиной колонного типа;

- зависимости, связывающие напряженное состояние базовых деталей с эксцентриситетом силы пресса;

- зависимости для определения осевых напряжений, напряжений изгиба, а также углового положения и величины максимального напряжения в сечении колонны по алгоритму линейного распределения напряжений;

- разработка программы автоматической работы контрольно измерительного комплекса, фиксирующей нагрузки по колоннам и сигнализирующая о недопустимых перегрузках.

Практическая ценность

Впервые в мировой практике создана и внедрена в промышленную эксплуатацию система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлических прессов.

Использование системы позволяет:

- предотвратить перегрузки пресса, вызываемые эксцентриситетами приложения технологической нагрузки;

- выполнить корректировку положения штамповой оснастки и свести к минимуму эксцентриситет технологической нагрузки;

- установить зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора.

Внедрснне

Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса установлена в 2003 г. на гидравлическом прессе силой 300 МЫ, работающем в ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА». Претензий к работе системы нет.

Апробация

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 1-ой Российской конференции по кузиечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала - 2005».

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 5 статьях и в патенте РФ «Устройство системы диагностики гидравлического штамповочного пресса колонной конструкции», дата публикации 20.08.2009. БИ. 2009 №23.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения и пяти глав. Основное содержание и выводы изложены на 128 страницах. В работе 48 рисунков, 4 таблицы, список литературы содержит 53 наименования.

Основное содержание работы Глава 1. Объект исследования, обзор литературы и постановка задачи

Приведены статистические данные об отказах мощных гидравлических прессов, связанных с разрушением главных цилиндров, колонн, поперечин. В заводских актах о расследовании аварий отмечается только, что разрушения

базовых деталей связаны с длительными сроками эксплуатации. В работах М.В. Сторожева, Х.А. Винокурского, В.А.Михеева, Б.В. Розанова, Э. Мюллера, В.И. Койреса, М.И* Будмана показана необходимость и предложены методы расчета базовых деталей при центральном и эксцентричном нагружениях гидравлического пресса. Расчетные оценки величин эксцентриситетов даются с необходимой точностью только для заготовок простой формы. При деформации заготовок сложной геометрии при реальных технологических режимах значения эксцентриситетов могут существенно отличаться от расчетных, а величины напряжений в базовых деталях значительно превышать допустимый уровень.

Для получения достоверных зависимостей, связывающих напряженное состояние базовых деталей с эксцентриситетом силы пресса, проведены экспериментальные исследования натурных конструкций методом тензометрирования. В работах, выполненных под руководством Б.В. Розанова, показано, что для прессов силой 100 МН, 150 МН, 300 МН при эксцентриситете 100 мм суммарные напряжения в колоннах в 1,5 раза выше теоретических напряжения растяжения. Для реальных технологических процессов эксцентриситет силы пресса может быть существенно выше 100 мм, что приводит к возникновению максимальных напряжений в колоннах, значительно превышающих допускаемые величины. Поэтому обеспечение надежной работы базовых деталей требует контроля и ограничения эксцентриситета силы и пресса.

В работах P.M. Лиснянского, В.П. Линца, М.Д. Медвинского, Е.Х. Риппа рассмотрены методика и аппаратура контроля эксцентриситета силы пресса с помощью мерительных устройств, устанавливаемых на колоннах. Предложенная аппаратура содержала ряд конструктивных недостатков (сильное усреднение показаний измерителей деформации, большие размеры элементов в направлении оси колонны, слишком большое число механических элементов), затрудняющих использование этой аппаратуры на реальных объектах.

К 2000 г. в России ни один из мощных гидравлических прессов не был оснащен системой контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. ■Поэтому цель настоящей работы заключается в создании работоспособной

постоянно действующей системы контроля и ограничения эксцентриситета силы мощного гидравлического пресса.

Глава 2. Программный комплекс и математические модели прессов со станиной колонного типа для псследовашш условий эксплуатации базовых

легален

Большая часть гидравлических прессов силой до 300 МН имеют станину колонного типа с верхним расположением рабочих цилиндров. Эти прессы различаются по силе, назначению, конструктивному оформлению базовых деталей, числу цилиндров и колонн. Для разработки методики контроля эксцентриситета силы пресса необходимо установить закономерности, связывающие эксцентриситет силы с напряженным состоянием базовых деталей. Исследование этих закономерностей проведено на математических моделях базовых деталей ковочного пресса силой 60 МН и штамповочного пресса силой 300 МН. Оба пресса спроектированы и построены УЗТМ.

Ковочные гидравлические прессы УЗТМ силой 60 МН (в дальнейшем пресс 60 МН) получили наибольшее распространение среди прессов со станиной колонного типа в России и странах СНГ (рис. 1). Силу пресса создают три рабочих цилиндра 1, расположенных в архитраве 3. В цилиндрах под действием давления рабочей жидкости перемещаются плунжеры 2, передающие нагрузку на подвижную поперечину 4. Через плиты верхнего штампового набора 5, деформируемое тело (на рис. 1 не показано) и плиты нижнего штампового набора 6 нагрузка передается на основание 7. Колонны 8 передают нагрузку от нижней поперечины к архитраву. Каждая колонна имеет две внутренних 9 и две внешних 10 нарезанных части, на которых устанавливаются разрезные гайки.

Базовые детали уникальных прессов УЗТМ силой 300 МН имеют весьма высокие уровни напряжений, поэтому для них существенным является оценка и, в случае необходимости, ограничение эксцентриситета силы пресса. Пресс имеет 8 колонн и 8 рабочих цилиндров. Необходимость обеспечения допустимых уровней номинальных напряжений при значительном увеличении силы пресса

(по сравнению с прессом 60 МН) определила более сложную конструкцию архитрава, подвижной поперечины и основания.

Рис. I. Гидравлический пресс конструкции УЗТМ силой 60 МП 1 — гидроцилипдр; 2 - плунжер; 3 - поперечина верхняя; 4 - подвижная поперечина; 5 - плиты верхнего штампового набора; 6 - плиты нижнего штампо-вого набора; 7 - основание; 8 -колонна; 9 - гайка внутренняя; 10 - гайка внешняя

Установление причин и предупреждение разрушений базовых деталей требуют уточненного анализа условий взаимодействия и напряженного состояния деталей пресса. Базовые детали станины имеют сложную геометрическую форму, работают в силовом контакте, поэтому метод решения должен позволять находить как условия взаимодействия деталей, так и величины максимальных напряжений в зонах концентрации. Поставленным требованиям отвечает математическое моделирование методом конечных элементов, реализованным в программном комплексе ANSYS.

Оценка точности математического моделирования проведена на задачах контактного взаимодействия двух цилиндров, посаженых с натягом, и растяжения полосы конечного размера с центральным отверстием, имеющих

точное аналитическое решение. Расхождение результатов аналитического и численного методов решения не превысило 4%. Узел колонна-гайка относится к многоэлементным контактным соединениям с конструктивными концентраторами напряжений. Оценка точности математического моделирования таких соединений, проведенная сопоставлением с экспериментом методом фотоупругости, показала, что их результаты отличаются не более, чем на 5%. Таким образом, точность математического моделирования с использованием программного комплекса А^УБ вполне достаточна для инженерных расчетов.

Полное моделирование силовых конструкций прессов силой 60 МН и 300 МН является весьма сложным и трудоемким. Кроме того, оценка влияния эксцентриситета на базовые детали прессов не требует полного воспроизведения геометрии силовых конструкций. Это позволяет провести исследование напряженного состояния базовых деталей при различных режимах нагружения на локальных математических моделях, что существенно упрощает конструкцию моделей и сокращает объем вычислений.

Глава 3. Исследование напряженного состояние базовых деталей и критерии эксцентриситета силы пресса

Эксцентриситет силы пресса увеличивает напряжения в базовых деталях и вызывает перекос подвижной поперечины, что приводит к клиновидности штамповок. Исполнительными органами устройств выравнивания подвижной поперечины служат синхронизирующие и рабочие цилиндры. Индикатором перекоса в этих устройствах является геометрическое положение подвижной поперечины. В связи с этим целесообразно оценить возможность использовать для оценки величины и направления эксцентриситета силы пресса напряженное состояние подвижной поперечины.

Влияние эксцентриситета силы на напряженное состояние подвижной поперечины пресса силой 60 МН исследовано при эксцентриситете 220 мм в направлении продольной оси поперечины. Эта величина на 20 мм превышает допустимую величину эксцентриситета, принятую Заводом-изготовителем.

Расчеты проведены для двух крайних схем нагружения:

- момент эксцентричного нагружения воспринимается круговыми поверхностями центрального плунжерного стакана, что происходит в результате износов поверхностей контакта направляющих в колонных стаканах и сферических пят боковых плунжеров (рис. 3, а);

- в результате износа поверхностей контакта подвижной поперечины с центральным плунжером момент эксцентричного нагружения воспринимается направляющими колонных стаканов подвижной поперечины (рис. 3, б).

А-А

А-А

а) б)

Рис. 3. Расчетная схема подвижной поперечины при восприятии момента эксцентричного нагружения центральным плунжером (а) и колоннами пресса (б)

На рис. 4 показаны эпюры напряжений на внешнем контуре поперечины. Максимальные напряжения при эксцентричном нагружении возрастают по сравнению с центральным нагружением, но их величина не превышает 70 МПа. Разница между максимальными напряжениями при центральном и эксцентричном нагружениях составляет 20 МПа.

Рис. 4. Напряжения ст,, МПа, на контуре поперечины при восприятии момента эксцентричного нагружения центральным плунжером (а) и колоннами пресса (б)

----- - центральное нагружение;

щ . . - эксцентричное нагружение

Напряженное состояние на контуре технологических отверстий в верхней растянутой плите представлено на рис. 5. Максимальные напряжения при эксцентричном нагружении не превышают 53 МПа, максимальная разница между напряжениями при центральном и эксцентричном нагружениях не превышает 33 МПа. На большей части контуров отверстий I и И разница между напряжениями при центральном и эксцентричном нагружениях пренебрежимо мала.

Подвижная поперечина выполнена из литой стали 35. Предел выносливости этой стали при пульсирующем цикле составляет сг0= 190 МПа. Максимальные напряжения при эксцентриситете 220 мм не превышают 70 МПа, т.е., запас прочности по усталости составляет п = 2,7.

Приведенные выше результаты показали, что в подвижной поперечине эксцентриситет силы не вызывает напряжений, опасных для прочности поперечины, а разница между напряжениями при центральной и эксцентричной силах не содержит информации, достаточной для оценки эксцентриситета силы пресса. Поэтому подвижная поперечина не может быть использована в качестве индикатора эксцентриситета силы пресса.

Рис. 5. Напряжения на контуре технологических отверстий I и II сгр МПа: - - центральное нагружение;

- эксцентричное нагружение (момент воспринимается хвостовиком);

- эксцентричное нагружение (момент воспринимается колоннами)

Исследование напряженного состояния колонн прессов 60 МН и 300 ММ

при центральном и эксцентричном нагружениях выполнено в предположении, что зазоры между направляющими подвижной поперечины и колоннами больше прогиба колонн, т.е. поперечина не оказывает непосредственного влияния на колонны. Для пресса 60 МН и 300 МН точка приложения эксцентричной силы пресса расположена в продольной плоскости симметрии. Для пресса силой 300 МН распределение центральной и эксцентричной нагрузок принято одинаковым для всех секций, поэтому расчеты проводились для одной секции (рис. 6).

Расчеты показали, что сила трения в шаровых опорах плунжеров больше силы Т, поэтому момент эксцентричного нагружения воспринимается плунжерами

и передается на архитрав в области посадочных мест под рабочие цилиндры. Эта сила может быть определена из условия равновесия:

т = р.

(1)

Н + Ь '

Р — усилие пресса,

И- высота подвижной поперечины со штамповым набором, Ь — высота от подвижной поперечины до приложения силы Т к архитраву, е - величина эксцентриситета.

I

Рис. 6. Расчетная схема секции пресса 300 МН при эксцентричном нагружении

После определения сил Т напряжения в колоннах определяются на локальных моделях, состоящих из архитрава, колонн и основания. Архитравы прессов 60 МН и 300 МН имеют меньшую жесткость, чем основания, поэтому в колоннах напряжения в зоне архитрава выше, чем в зоне основания. На рис.7 и рис. 8 представлены эпюры напряжений по контурам колонн прессов 60 МН и 300 МН в сечениях с линейным распределением напряжений, лежащих в непосредственной близости от верхних внутренних гаек колонн.

При эксцентриситете 220 мм по сравнению с центральным нагружением максимальные напряжения в колоннах возрастают вдвое, а их величины для прессов 60 МН и 300 МН достигают, соответственно, 110 МПа и 200 МПа. Эти величины вполне достаточны для технических измерений, а линейное распределение напряжений по сечению колонны позволяет определить величину и угловое положение плоскости с максимальными напряжениями по замерам в трех точках сечения. Поэтому в качестве индикатора эксцентриситета силы пресса принимается напряженное состояние колонн. Для оценки величины и направления эксцентриситета используются векторы максимальных напряжений в сечениях колонн, расположенных вблизи верхних внутренних гаек.

а)

Рис. 7. Осевые напряжения по контуру колонн пресса 60 МН в сечении вблизи внутренних гаек архитрава, МПа: а) при центральном нагружении; б) при эксцентричном нагружении

, Точка приложения сигал

, 220

\

Точка приложения силы

б)

Рис. 8. Осевые напряжения по контуру колонн пресса 300 МН в сечении вблизи внутренних гаек архитрава, МПа а) при центральном нагружении; б) при эксцентричном нагружении

Глава 4. Алгоритм и программно-аппаратное обеспечение системы контроля н ограннчення эксцентриситета силы гидравлического пресса

силой 300 МН

Система контроля и ограничения эксцентриситета силы мощного гидравлического пресса (в дальнейшем Система) для измерения напряжений в колоннах использует тензометрические датчики с базой 10 мм. Датчики устанавливаются в зонах действия максимальных напряжений вблизи верхних внутренних гаек колонн. Для обеспечения возможности расчетной оценки величины и углового положения максимального напряжения в сечении колонны датчики должны располагаться в сечении с линейным распределением напряжений, т.е. вне зоны влияние краевого эффекта гайки. Расчетом показано, что это влияние заканчивается на расстоянии 390 мм от нижнего торца верхней внутренней гайки колонны. Но при верхнем положении подвижной поперечины верхняя кромка ее колонного стакана находится на расстоянии 300 мм от торца гайки. Поэтому для обеспечения механической безопасности четыре датчика с угловым расстоянием между ними 90° (рис. 9) были установлены на расстоянии 270 мм от нижнего торца

внутренней гайки архитрава. Расчет показал, что в этом сечении за счет влияния краевого эффекта гайки замеренные напряжения будут на 8% выше номинальных напряжений. Разница между замеренными и расчетными растягивающими напряжениями учитывается введением поправочного коэффициента. На угловое положение максимального напряжения краевой эффект влияния не оказывает.

При линейном распределении напряжений в сечении колонны напряжения по ее контуру (на поверхности колонны) изменяются по закону

а = ор + аи-созР (2)

Записав выражения для напряжений на каждом датчике и решив эту систему относительно ор, ои и //, получаем следующие зависимости

Показание четвертого датчика используется для контроля точности замеров.

Программная часть Системы выполнена на основе комплекса ACTest®, предназначенного для автоматизации технологических установок. Система работает на трех уровнях:

а) уровень оператора, позволяющий своевременно реагировать на чрезвычайные ситуации, но не дающий возможности вмешиваться в её работу;

б) уровень технолога, позволяющий производить корректировку нулей и допустимых значений контролируемых параметров, анализировать результаты замеров и проводить их статистическую обработку;

в) уровень администратора, при котором возможен полный контроль работы системы без вмешательства в исходный программный код.

Программное обеспечение Системы позволяет проводить настройку на эксперимент, хранить сценарии эксперимента, проводить измерения в реальном масштабе времени с одновременной архивацией и визуализацией экспериментальных данных. В масштабе реального времени выполняется первичная математическая обработка и допусковый контроль значений измеряемых параметров

При работе пресса Система в автоматическом режиме опрашивает 32 канала, оцифровывает поступающие данные, производит их математическую обработку, отображает измеряемые, расчётные и логические параметры на экране монитора (рис.10). Вся визуальная информация привязана к колоннам и расположенным на них тензодатчикам.

Установлены пороговые предаварийный (120 МПа) и аварийный (150 МПа) уровни напряжений. Если при работе пресса предаварийный уровень будет превышен хотя бы одним из 32 измеряемых или 8 расчетных напряжений, то на пульт управления подается сигнал предаварийной ситуации. Если превышен аварийный уровень, то на пульт управления подается сигнал аварийной ситуации и автоматически прекращается подача давления в рабочие цилиндры. Информация по изменению всех 78 параметров на протяжении процесса прессования заносится в файл на жесткий диск. Вся информация сохраняется в формате базы данных и доступна для последующей обработки и сравнительного анализа.

«

91.0 Г

Hp

66.8

и

99! '

в»

69 Б

Ними 1

025 112

032

96.9 '

ВЭО | в 28

52 6 784

Си

4ЭЭ

111 Grin

G26

580

Колония Э

G9 газ

610

Ь1Б

792

Б мп

5?0

Квяоика Б

621 110.

Каяонм 4 613 «6

si«

602

Комки« 5

GI7 102

"553 34?

GM

110 Sain 340

Ер

697

10гк/км*мпокО11.8 г Orf /и^м» те юл 27 I 6тклот*м по КОЛ 3.6

1Г1 -1-|.и:|ПвЫГУ -336 ¡¡гаюд"| 0.743 Гдап -502

10 J I ^V11 .It 4500

Отклсммяпеиол.¡,5 jtpawetGиoftuo»Ы[ 11и*1х»ь«в*ааиоьдк>йы dG^'A 1.515 j ;Nv>Tc j 25 0 ООО ^..w 1.0

dT.V* : 0 664 'G■ vj4П»' S3) 000 i'"-^ 000

Puc. 10. Внешний вид экрана при работе системы в автоматическом режиме. Стрелки показывают направление действия максимального напряжения по колонне:

G - показания датчика (МПа); Gp - растягивающее напряжение по колонне; Gmax - максимальное напряжение по колонне номер i; Gh - максимальное изгибающее напряжение по колонне; Gmin - минимальное напряжение по колонне; dG% - отклонение, (%), растягивающего напряжения по колонне от среднего растягивающего напряжения по колоннам

Глава 5. Отработка системы управления при пусковых испытаниях и результаты ее использования во время эксплуатации пресса

Значительный объем работ при пусковых испытаниях Системы был связан с оценкой скорости работы Системы, необходимой для предотвращения аварийных ситуаций. При возникновении в колоннах аварийных величин напряжений Система должна своевременно прекратить подачу рабочей жидкости высокого давления в главные цилиндры. В качестве критерия своевременности принимается время, в течение которого напряжения в колонне от аварийного уровня 150 МПа вырастают до предела текучести материала колонны 280 МПа.

Время реакции Системы на сигнал аварии складывается из двух частей. В первую входят затраты времени на оцифровку сигналов с тензодатчиков, ввода паке-

та данных в компьютер, компьютерной обработки поступившего пакета информации. Вторая часть определяется временем реакции системы управления пресса, в которую входят затраты времени на срабатывание реле, выработку решения и срабатывание клапана аварийного сброса давления. Среднее время реакции системы на сигнал аварии определено экспериментально и составило 2,7 секунды.

На прессе 300 МН аварийная ситуации была предотвращена при осадке цилиндрической заготовки, проведенной без предварительной технологической проработки. Заготовка была расположена на штамповой плите со значительным эксцентриситетом, поэтому при силе 91 МН напряжения в колонне № 6 достигли 120 МПа, и был дан сигнал предаварии. Сила пресса продолжала расти и при 130 МН напряжения в колонне достигли аварийного уровня 150 МПа, после чего был дан сигнал на сброс давления рабочей жидкости. С момента подачи сигнала до начала сброса давления прошло 2,5 сек., что позволило ограничить максимальные напряжения в колонне на уровне 185 МПа и предотвратить аварийную ситуацию на прессе.

Ввод в эксплуатацию Системы дал возможность восстановить проектные технологические параметры пресса 300 МН и повысить качество получаемых изделий. После установки Системы по напряженному состоянию колонн было установлено, что штамповка изделий различной конфигурации происходит с эксцентриситетом в поперечной плоскости пресса, что приводило к их клиновидно-сти. Это увеличивало объем последующей механической обработки, а, в ряде случаев, приводило к отбраковке изделий. Максимальные напряжения в колоннах при силе пресса 244 МН достигали аварийного уровня 150 МПа. Причина постоянного одностороннего эксцентриситета заключалась в клиновой выработке внутренних, недоступных для наблюдения, элементов штампового набора в направлении поперечной оси пресса. Устранение эксцентриситета с минимальными затратами времени было достигнуто за счет создания в верхних элементах штампового набора клина противоположного направления. После корректировки поверхностей элементов штампового набора при силе пресса 245 МН максимальные напряжения по колоннам не превышали 90 МПа, направления изгиба колонн ста-

ло симметричным относительно осей пресса, что подтверждает центральное на-гружение пресса. Геометрия изделия стала соответствовать техническим требованиям.

Общие выводы по работе

1. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния базовых деталей прессов со станиной колонного типа силой 60 и 300 МН при центральном и эксцентричном нагружениях методом математического моделирования. На основании результатов исследований:

- показано, что наличие эксцентриситета приложения силы пресса в существенной степени сказывается на прочности колонн, поэтому индикатором величины и направления эксцентриситета силы пресса является напряженное состояние колонн пресса;

- установлено, что наиболее напряженными зонами колонн, где должны быть расположены измерительные элементы, являются сечения вблизи верхних внутренних гаек колонн;

- найдены зависимости, связывающие показания чувствительных элементов с величинами и угловыми положениями максимальных напряжений в колоннах, которые характеризуют эксцентриситет силы пресса.

2. Разработана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Применение Системы позволяет:

- предотвращать критические ситуации на прессе при возникновении недопустимых величин напряжений вследствие эксцентриситета нагружения путем ограничения силы пресса;

- устанавливать зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора;

- контролировать эффективность внедрения технических решений по устранению недопустимых величин эксцентриситета силы пресса;

- выполнять корректировку параметров технологического процесса и оценивать качество монтажа колонн.

3. Впервые в практике мирового прессостроения создана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Система внедрена на ОАО «ВСМПО-АВИСМА» на прессе силой 300 МН конструкции УЗТМ и находится в эксплуатации с 2004 г. Претензий к работе системы нет.

Основные содержание диссертации изложено в публикациях:

1. Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А., Анализ отказов, предупреждение разрушений и восстановление базовых деталей мощных гидравлических прессов //Технология легких сплавов. 2006. № 1-2. С. 181-189.

2. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета на-гружения гидравлического пресса на напряженное состояние подвижной поперечины // КШП-ОМД. 2008. № 4. С. 28-32.

3. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета на-гружения на напряженное состояние колонн мощного гидравлического пресса // КШП-ОМД. 2008. № 5. С. 40-43.

4. Коркин Н.П. Система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлического пресса со станиной колонного типа // КШП-ОМД. 2008. №6. С. 21-26.

5. Коркин Н.П., Сафронов Д.В., Сурков И.А. Система контроля и ограничения нагрузки на колонны мощных гидравлических прессов // Автоматизация в промышленности. 2008. № 12. С. 9-12.

6.Патент РФ № 2364511. Устройство системы диагностики гидравлического штамповочного пресса колонной конструкции / Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Марков Д.В. и др.// Опубл. 20.08.2009. БИ. 2009 №23.

Размножено в АХК ВНИИМЕТМАШ. 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Сведения об отказах базовых деталей гидравлических прессов.

1.2. Методы и результаты расчета напряженно-деформированного состояния базовых деталей.

1.2.1. Главные цилиндры.

1.2.2. Литые поперечины.

1.2.3. Колонны.

1.3. Результаты экспериментального исследования влияния эксцентриситета силы пресса на напряженное состояние базовых деталей.

1.4. Методика и аппаратура контроля и ограничения эксцентриситета.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРЕССОВ СО СТАНИНОЙ КОЛОННОГО ТИПА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ.

2.1. Объект исследования.

2.2. Выбор метода и программы исследования базовых деталей с обеспечением геометрического и силового подобия расчетной модели и натурной конструкции.

2.3. Оценка точности математического моделирования задач о контактном взаимодействии и концентрации напряжений по результатам точных аналитических решений.

2.4. Оценка точности математического моделирования многоэлементных соединений по результатам эксперимента методом фотоупругости.

2.5. Математические модели прессов силой 60 МН и 300 МН и локальные модели отдельных узлов и деталей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И КРИТЕРИЙ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА СИЛЫ ПРЕССА.

3.1. Общие положения.

3.2. Подвижная поперечина пресса силой 60 МН.

3.3. Колонны пресса силой 60 МН.

3.4. Колонны пресса силой 300 МН.

3.5. Критерий эксцентриситета силы пресса.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ОГРАНИЧЕНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА СИЛЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА СИЛОЙ 300 МН.

4.1. Общие положения.

4.2. Алгоритм определения величины и направления максимального напряжения в колонне пресса.

4.3. Определение места расположения измерительных датчиков системы диагностики.

4.4. Тензометрические датчики, место их расположения и меры защиты от механических повреждений и агрессивной среды.

4.5. Аппаратная часть Системы.

4.6. Программное обеспечение системы управления.

4.7. Порядок работы программы.

4.8. Отображение информации о напряженном состоянии колонн на экране монитора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ОТРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПУСКОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЕССА.

5.1. Оценка времени возможной задержки сигнала.

5.2. Установление и устранение причины эксцентричного нагружения пресса

5.3. Предупреждение аварийных ситуаций, связанных с условиями эксплуатации пресса.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Мощные гидравлические прессы входят в состав машин,, составляющих основу промышленного и оборонного потенциала России. Продукция, выпускаемая на этих прессах, используется во всех отраслях промышленности. i

Весьма значительные силы, необходимые для; осуществления технологических: процессов обработки давлением, создаются и воспринимаются деталями станины (базовыми деталями) гидравлического пресса. Большинство мощных гидравлических прессов, силой до 300 МН имеют станину, колонного типа, в состав которой; входят, главные цилиндры,, поперечины, колонны. По технологическим возможностям крупнейших машиностроительных. заводов габариты и масса базовых деталей- мощных, гидравлических прессов являются? предельными, поэтому повышение их запасов прочности не может быть получено за счет увеличения- металлоемкости.

Процесс обработки? давлением; происходит, как правило, при эксцентричной силе пресса, когда, равнодействующая; сил,, приложенных к деформируемому телу, не совпадает с осью пресса. При- эксцентричной силе пресса возникают более высокие (по сравнению? с центральной силой); напряжения; в базовых деталях. Уровень этих напряжений может превысить допустимые величины^ что приведет к-разрушению деталей, масса и габариты.которых достигают сотеттонн и десятков метров. Только технологический цикл изготовления» таких деталей составляет от 1,5 до 2 лет, поэтому разрушения? базовых деталей; приводят к длительным простоям прессов, а, во многих случаях, к простоям 1 ■ . высокоцикличных технологических линий. Эксцентриситет силы, пресса влияет и на качество; штамповок,, вызывая перекос, подвижной поперечины и клиновидность штампуемого изделия.

Необходимость оснащения мощных гидравлических: прессов*! системами контроля;и ограничения;эксцентриситета силы пресса неоднократно отмечалась в. литературе по гидропрессостроению. При создании таких систем были разработаны специальные датчики и программно-аппаратное обеспечение.

Однако, сложность и громоздкость механической аппаратуры восприятия, передачи и преобразования деформаций деталей пресса в электрические сигналы не позволили запустить эти системы в промышленную эксплуатацию. К 2003 г. ни один из гидравлических прессов в России не был оснащен постоянно действующей системой контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса.

Срок службы большинства мощных гидравлических прессов составляет 30 — 40 и более лет. Обеспечение надежности этих прессов на дальнейший длительный период эксплуатации и повышение качества изделий ответственного назначения определяют актуальность работы, направленной на создание системы контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса.

Цель настоящей работы заключается в создании системы контроля и ограничения эксцентриситета силы гидравлического пресса со станиной колонного типа. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать и обосновать методику исследования напряженно-деформированного состояния базовых деталей при центральной и эксцентричной силах мощного гидравлического пресса.

2. Выполнить исследование напряженно-деформированного состояния базовых деталей при центральной и эксцентричной силах пресса.

3. По результатам исследования разработать критерии и основные технические решения системы управления прочностными и технологическими параметрами пресса.

4. Разработать программно-аппаратное обеспечение системы управления прочностными и технологическими параметрами пресса.

По результатам анализа результатов работ по п.п. 2—4 сформулированы следующие положения научно-технической новизны:

- установлены зависимости, связывающие прочность и долговечность базовых деталей с эксцентриситетом нагружения пресса;

- теоретически обоснована, разработана, изготовлена и запущена в эксплуатацию постоянно действующая система управления прочностными и технологическими параметрами пресса усилием 300 МН. Система контролирует эксцентриситет при каждой штамповке и ограничивает силу пресса, если напряжения в колоннах превышают заданный уровень.

Система управления прочностными и технологическими параметрами мощного гидравлического пресса со станиной колонного установлена в 2003г. на ОАО «ВСМПО-АВИСМА» на прессе силой 300 МН. Использование системы позволяет:

- предотвратить перегрузки колонн, вызываемые эксцентриситетами приложения технологической нагрузки;

- выполнить корректировку положения штамповой оснастки и свести к минимуму эксцентриситет технологической нагрузки.

- установить зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния базовых деталей прессов со станиной колонного типа силой 60 и 300 МН при центральном и эксцентричном нагружениях методом математического моделирования. На основании результатов исследований:

- показано, что наличие эксцентриситета приложения силы пресса в существенной степени сказывается на прочности колонн, поэтому индикатором величины и направления эксцентриситета силы пресса является напряженное состояние колонн пресса;

- установлено, что наиболее напряженными зонами колонн, где должны быть расположены измерительные элементы, являются сечения вблизи верхних внутренних гаек колонн; найдены зависимости, связывающие показания чувствительных элементов с величинами и угловыми положениями максимальных напряжений в колоннах, которые характеризуют эксцентриситет силы пресса.

2. Разработана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Применение Системы позволяет:

- предотвращать критические ситуации на прессе при возникновении недопустимых величин напряжений вследствие эксцентриситета нагружения путем ограничения силы пресса;

- устанавливать зависимость клиновидности штамповок и перегрузок колонн от формоизменения недоступных для наблюдения поверхностей контакта элементов штампового набора;

- контролировать эффективность внедрения технических решений по устранению недопустимых величин эксцентриситета силы пресса;

- выполнять корректировку параметров технологического процесса и оценивать качество монтажа колонн.

3. Впервые в практике мирового преееостроения создана постоянно действующая Система контроля и ограничения эксцентриситета силы пресса. Система внедрена на ОАО «ВСМПО-АВИСМА» на прессе силой 300 МН конструкции УЗТМ и находится в эксплуатации с 2004 г. Претензий к работе системы нет.

1. Г. Сторожев М.В'. Гидравлические прессы кузнечно-штамповочного производства. Энциклопедический справочник "Машиностроение", т. 8, - М.: Машгиз, 1949, С. 456-461.

2. Сторожев М.В. Изгиб колонн гидравлических прессов. В сб. Исследования в области штамповочного производства.- М.: Машгиз, 1960, С. 95-125.

3. Винокурский Х.А. Расчет колонн гидравлических прессов.- М.: Машгиз, 1950; 75 с.

4. Михеев В.А. Гидравлические прессовые установки.- М.: Машгиз, 1959, 373 С.

5. Розанов Б.В: Гидравлические прессы. М., Машгиз, 1959, 425 С.

6. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Щербаков Р1Д. и. др. К расчетам колонн гидравлических прессов, Труды/ЦНИИТМАШ, 1959; №3, С. 49-77. "

7. Мюллер Э. Гидравлические прессы- и их приводы. М.: Машиностроение, 1965, 315 С.

8. Койрес В. И. К расчету ковочного пресса в. условиях эксцентричного нагружения//Кузнечно-штамповое производство. 1984. №6. С. 20-23.

9. Будман М. И:, Кагановский Ф. И. К расчету колонн, гидравлических прессов. Кузнечно-штамповое производство, 1988, №3. С.21-23.10i Васильев'В.В. Гидравлические прессы. М.: Машиностроение, 1966, 450 С.

10. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. Ml: Машиностроение, 1971, 214 С.

11. Карасев М.А. Баранов И.В., Блик Ф. С., Сошников B.C. Кузнечно-прессовое оборудование Уралмашзавода. «Марат», г. Екатеринбург, 2004г., 479

12. Сурков А.И. Разработка теории прогнозирования и конструктивное обеспечение надежности базовых деталей уникальных гидравлических штамповочных прессов.- Дис. . докт. техн. наук.- Москва, 1985, 420 С.

13. Пылайкин П.А. Анализ разрушений базовых деталей мощных гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. №3. С. 21-27.

14. Кибардин Л.П. Анализ разрушений гидравлических цилиндров.- В кн.: Гидравлические прессы.- М.: Машиностроение, 1966, С. 414 — 421.

15. Сурков И.А. Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов: Дис. . канд. техн. наук. - Москва, 2007, 125 С.

16. Сурков И.А. Установление- причин и предупреждение разрушений колонн мощных гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. 2004. №3. С. 42-45.

17. Розанов Б.В., Гольман Л.Д., Максимов Л.Ю. Исследование и расчет напряжений в гидравлических цилиндрах. Труды/ЦНИИТМАШ, 1959, №3, С. 28-48.

18. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. — М.: Физматгиз 1966, 635 С.

19. Китаин Р.С. Исследование напряженного состояния и разработка инженерных методов расчета цилиндрических элементов базовых деталей гидравлических прессов. Дис. . канд. техн. наук. Москва, 1968, 135 С.

20. Китаин Р.С. Взаимодействие между фланцем рабочего цилиндра и траверсой пресса// Кузнечно-штамповочное производство, 1968 г. №7, С. 26-30.

21. Китаин Р.С., Викулин А.Т., Сурков А.И. Исследование и расчет напряжений в гидравлическом цилиндре при неравномерной опоре фланца.

22. Банкетов A.M. Ланской Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование. — М.: Машиностроение. 1982, 525 С.

23. Лиснянский P.M. Устройство для определения механических напряжений в частях машин. Авторские свидетельства № 129374 и № 129375.

24. Линц В.П., Медвинский М.Д., Рипп Е.Х. и др. Аппаратура для контроля напряжений и учета количества нагружений// Кузнечно-штамповочное производство. 1961. №7. С. 29-32.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: «Мир», 1975, 541С.

26. Крылов О. В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах. -М.: «Радио и связь», 2002, 104 С.

27. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: «Мир», 1977, 349 С.

28. Деклу Ж. Метод конечных элементов. — М.: «Мир», 1976, 94 с.

29. Теплый М. И. Контактные задачи для областей с круговыми границами. -Львов: «Вищашкола», 1983, 176 С.

30. Александров В. М., Пожарский Д. А. Неклассические пространственные задачи механики контактных взаимодействий упругих тел. — М.: «Факториал», 1998, 288 С.

31. Сакало В. И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. — М.: «Машиностроение», 2004, 496 С.

32. Francavilla A., Zienkiewicz О. С. A note on numerical computation of elastic contact problems // Journal for Num. Math. In Engineering. 1975. Vol. 9. P. 913-924.

33. Bai X., Zhoo X. Analysis of large deformation elastoplastic contact through finite gap elements // Computers & Structures. 1988. Vol. 30.

34. Mazurkiewicz M., Ostachowicz W. Theory Of Finite Element Method For Elastic Contact Problems Of Solid Bodies. Computers&Structures, Vol.17, 1983.

35. Simo J.C., Wriggers P., Taylor R.L. A perturbed Lagrangian formulation for the finite element solution of contact problems // Computer methods in applied mechanics and engineering. 1985, vol. 50, pp. 163-180.

36. Bahram Nour-Omid, Peter Wriggers A Two-Level Iteration Method For Solution Of Contact Problems. Computer Methods In Applied Mechanics And Engineering, 1986.

37. Cheng W. Q., Zhu F., Luo J. W. Computational finite element analysis and optimal design for multibody contact system // Computer methods in applied mechanics and engineering. 1988. Vol. 71. P. 31 — 39.

38. Аттетков А. В., Галкин С. В., Зарубин В. С. Методы оптимизации. -М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001, 440 с.

39. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферова М. A. ANSYS в руках инженера. М.: «УРСС», 2003, 269 С.

40. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах. — М.: «КомпьютерПресс», 2002, 224 С.

41. Хан X. Теория упругости. М.: «Мир», 1988, 344 С.

42. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: «Наука», 1975, 575 С.

43. Артюхов В. П. Изыскание оптимального профиля резьбы тяжелонагруженных соединений для конструкций мощных гидравлических прессов и других металлургических машин. — Дис. . канд. техн. наук. — Москва, 1963, 150 С.

44. Розанов Б.В. Исследования и методы расчета гидравлических прессов. Дис. . докт. техн. наук.- Москва, 1963, 263 С.

45. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. — М.: Машгиз, 1963, 282 С.

46. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета нагружения гидравлического пресса на напряженное состояние подвижной поперечины// Кузнечно-штамповочное производство — Обработка материалов \ давлением. М., 2008, №4.

47. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета нагружения на напряженное состояние колонн мощного гидравлического пресса// Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. М., 2008, №5. С.

48. Сурков А.И., Шпыгарь С.А. Контроль усилия затяжки колонн гидравлических прессов// Кузнечно-штамповое производство. 1986. №3. С. 2829.

49. Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А. Анализ отказов, предупреждение разрушений, и восстановление базовых деталей мощных гидравлических прессов// Технология легких сплавов. 2006. № 1 — 2. С.181 189.

50. Коркин Н.П. Система управления прочностными и технологическими параметрами гидравлического пресса со станиной колонного типа// Кузнечно-штамповочное производство Обработка материалов давлением. 2008. №6. С. 21-26.j

51. Патент РФ № 2364511. Устройство системы диагностики гидравлического штамповочного пресса колонной конструкции / Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Марков Д.В. и др.// Опубл. 20.08.2009. БИ. 2009 №23. ^