автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование течения смазок усложненной реологии при тонком волочении

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Особенности волочения тонкой проволоки в режиме гидродинамического трения.

1.2 Математические зависимости описания реологических свойств жидких смазок.

1.3 Анализ состояния вопроса моделирования течения технологической смазки при волочении.

1.4 Выводы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ НЬЮТОНОВСКОЙ СМАЗКИ

В НАГНЕТАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ ПРИ ТОНКОМ ВОЛОЧЕНИИ.

2.1 Исходные уравнения течения ньютоновской смазки.

2.2 Граничные условия.

2.3 Математическое моделирование течения смазки в кольцевом зазоре нагнетающих устройств.

2.3.1. Распределение скоростей в смазочном слое.

2.3.2 Нагнетающая способность трубки-насадки для смазок с постоянной вязкостью.

2.3.3 Нагнетающая способность трубки-насадки для смазок с переменной вязкостью.

2.4 Учет диссипативного разогрева смазки при течении в кольцевом канале.

2.5 Выводы.

3. ТЕЧЕНИЕ СМАЗКИ В ФОРМООБРАЗУЮЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ.

3.1 Уравнения течения ньютоновской смазки в кольцевом канале рабочего конуса волоки.

3.2 Алгоритм численного интегрирования.

3.3 Расчет давления в смазочном слое рабочего конуса волоки.

3.4 Определение толщины слоя смазки на входе в зону деформации.

3.5 Нагнетающая способность волоки с образующей в форме параболы.

3.6 Выводы.

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ ДЛЯ ПРОЦЕССА ВОЛОЧЕНИЯ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ УСИЛЕНИЕМ.

4.1 Сущность гидродинамического усиления.

4.2 Определение энергосиловых условий процесса волочения с гидродинамическим усилением.

4.3 Течение смазки в рабочей камере.

4.4 Определение необходимого давления на входе в волоку при волочении с гидродинамическим усилением.

4.5 Определение напряжения гидродинамического усиления.

4.6 Выводы.

Повышение качества и экономической эффективности выпускаемой продукции является важнейшей задачей производственной деятельности промышленных предприятий на современном этапе. Для решения этой задачи необходимо наладить производство высокоэффективной продукции, соответствующей по своим технико-экономическим показателям лучшим мировым образцам. Значительная роль в решении поставленной задачи отводится внедрению прогрессивных технологических процессов.

Процесс волочения является одним из наиболее высокопроизводительных и прогрессивных способов обработки металлов давлением. В настоящее время в промышленности широко применяется технология волочения в режиме гидродинамического трения, которая позволяет значительно увеличить износостойкость технологического инструмента, повысить качество изделий, снизить затраты энергии при волочении. Создание такого режима является наиболее эффективным способом снижения сил контактного трения, возникающих при волочении.

Возможность создания режима гидродинамического трения при волочении определяется следующими многочисленными факторами: вязкостью смазки, ее теплофизическими и химическими свойствами, прочностными и физико-химическими свойствами обрабатываемого материала, геометрией канала технологического инструмента, требованиями к качеству поверхности изделий, конструкцией используемого волочильного оборудования. Безусловно, что методология проектирования технологического процесса волочения должна учитывать все перечисленные выше факторы.

В настоящее время существуют большие резервы дальнейшего повышения эффективности гидродинамической смазки при волочении за счет выбора наиболее рациональных параметров инструмента. Создание эффективных конструкций инструмента для гидродинамического волочения требует знания закономерностей течения смазки в зазорах, а также точного расчета основных параметров, влияющих на процесс волочения в режиме гидродинамического трения.

Теоретические основы технологии волочения применительно к задачам грубого и среднего волочения в режиме гидродинамического трения получили значительное развитие в работах В.Л.Колмогорова, С.И.Орлова, Г.Л.Колмогорова[1,2].

При этом в данных работах сформулирована теория расчета волочильного инструмента, основанная на моделировании процесса течения смазки только в плоском зазоре. Это является достаточно обоснованным в случае моделирования процессов грубого и среднего волочения, когда толщина смазки в среднем на порядок меньше диаметра протягиваемого изделия.

В технологических процессах тонкого и тончайшего волочения величина зазора между внутренней поверхностью инструмента (алмазных волок) и поверхностью обрабатываемого металла оказывается соизмеримой с диаметром протягиваемого изделия, а в некоторых случаях может даже превышать его. Поэтому использование существующих методик расчета инструмента для тонкого и тончайшего волочения приводит к значительным погрешностям. Это в конечном итоге не дает возможности рассчитать необходимые технологические параметры, обеспечивающие режим гидродинамического трения.

Таким образом, задача математического моделирования процесса течения смазки в режиме гидродинамического трения для процессов тонкого и тончайшего волочения является актуальной. Решение этой задачи открывает перспективы разработки совершенной и эффективной технологии волочения тонкой проволоки.

Цель работы заключается в построении математической модели течения ньютоновских смазок в кольцевом канале технологического инструмента для процессов тонкого волочения в режиме гидродинамического трения с учетом реологических особенностей жидких смазок.

Научная новизна работы:

- впервые построена математическая модель течения ньютоновской жидкости в кольцевом зазоре применительно к процессам тонкого и тончайшего волочения в режиме гидродинамического трения;

- решена задача расчета нагнетающей способности напорных трубок-насадок и рабочих волок в цилиндрической системе координат для ньютоновских смазок с постоянной вязкостью и вязкостью, величина которой зависит от давления;

- решена задача расчета технологических параметров волок с криволинейной образующей;

- решена задача расчета технологических параметров процесса волочения с гидродинамическим усилением.

Практическая значимость. Построенная математическая модель позволяет установить многочисленные технологические параметры процесса тонкого волочения без проведения трудоемких и дорогостоящих натурных испытаний, в том числе:

- рассчитать нагнетающую способность напорных трубок-насадок;

- рассчитать нагнетающую способность смазочного клина алмазных волок;

-рассчитать параметры технологической оснастки, обеспечивающих условия режима гидродинамического трения с учетом особенностей реологии применяемых технологических смазок.

Реализация работы.

На основании результатов диссертационной работы выданы рекомендации АО «Камкабель» по расчету нагнетающей способности технологического инструмента и выбору типа смазок для процессов тонкого волочения.

Решена задача о течении рабочей жидкости при прессовании с гидродинамическим усилением. Методика расчета внедрена в Институте физики металлов Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург).

Результаты работы используются в АО «Камкабель» и в учебном процессе кафедры «Динамика и прочность машин» при выполнении курсовых и дипломных работ.

Отдельные этапы работы докладывались на Межгосударственной научно-технической конференции «Состояние и перспектива развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона» (г. Магнитогорск, 1994г.), на 11-ой Международной зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 1997г.), на научно-практической конференции «Смазочные материалы в промышленности и транспорте» (г. Пермь, 1999г.), на ежегодных научно-технических конференциях Пермского Государственного технического университета в 1990 -1999 гг.

Автор выражает признательность за методическую и практическую помощь научному руководителю доктору технических наук, профессору Г.Л. Колмогорову.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Построена математическая модель процесса течения смазок с усложненной реологией в кольцевом зазоре технологического инструмента применительно к процессам тонкого и тончайшего волочения в режиме гидродинамического трения.

2. Поставлена и решена осесимметричная задача течения смазки в кольцевом зазоре технологического инструмента - напорной трубки-насадки и рабочей волоки. Установлено, что нагнетающая способность напорных трубок-насадок в соответствии с полученным решением в осесимметричной постановке оказывается значительно меньшей по сравнению с решением о течении смазки в плоском зазоре.

3. Для численной реализации математической модели разработана итерационная процедура численного интегрирования дифференциальных зависимостей, на основе которой разработан пакет прикладных программ для персонального компьютера.

4. С помощью разработанной методики и пакета программ получено решение задачи о нагнетающей способности напорных трубок-насадок и рабочего конуса волоки, определены геометрические параметры технологического инструмента, обеспечивающие достижения режима гидродинамического трения.

5. Разработана методика расчета параметров технологического инструмента при волочении с гидродинамическим усилением. Построены соотношения, позволяющие выполнить два основных вида расчетов -определение расхода рабочей жидкости, а также определение необходимого давления на входе в камеру высокого давления. Методика внедрена в Институте физики металлов Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки. М.: Металлургия, 1975. - 256 с.

2. Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. - 168 с.

3. Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Селищев К.П. Волочение в режиме жидкостного трения. М.: Металлургия, 1967. - 155 с.

4. Корбут В.М., Пикалева В.И., Бартенев Г.М. //Трение и износ. 1980, т.1, №5. С.869-877.

5. Корбут В.М., Пикалева В.И., Кочеткова Е.И., Бартенев Г.М. //Трение и износ. 1982, т.З, №5. С.784-787

6. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.

7. Северденко В.П., Жилкин В.З. Основы теории волочения и технологии волочения проволоки из титановых сплавов. Минск, Наука и техника, 1970. - 204 с.

8. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 525 с.

9. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1980. - 157 с.

10. Чертавских А.К., Белосевич В.К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1968. - 364 с.

11. Перлин И.Л., Шапиро В .Я., Школьников Е.Л. //Изв. вузов. Цветная металлургия. 1963. №5. С.130-137.

12. Шапиро В.Я. // Физико-химические закономерности действия смазок при обработке металлов давлением. М.: АН СССР, 1963. С.51-54.

13. Шапиро В.Я., Школьников E.JI. //Физико-химические закономерности действия смазок при обработке металлов давлением. М.: АН СССР, 1963. С.55-61.

14. А.с. 152229 СССР/Мосеев В.Ф., Коростелин А.А./Б.И.1962.№24.С.15.

15. Мосеев В.Ф., Коростелин А.А. //Сталь. 1962. №3. С.280-281.

16. Шахов В Л. Обработка металлов давлением. //Труды Института металлургии, Московского энергетического института и Московского института стали и сплавов. М.: Металлургия, 1963, вып.44а. С.285-291.

17. Butler L.H. //The Journal of the Institute of Metals. 1964, v.93, part.4, December.P.123-125.

18. Christopherson D.G. //Journal of the Institute of Petroleum. 1954, v.40. №370. P.295-298.

19. A.c.140405 СССР/Недовизий И.Н.,Цейтлин Н.А./Б.И.1961.№16. С.15.

20. А.с. 165416 СССР / Ермаков Ю.Н., Зубов Б.Г., Орлов С.И. и др. //Б.И. 1964. №19. С.7.

21. Гохберг А.Я. Авт.свид. №148779 «Бюллетень изобретений», 1962, №44. С. 15

22. Недовизий И.Н., Петрухин С.И. //Сталь. 1963. №12. С. 1128-1130.

23. Недовизий И.Н., Петрухин С.И., Петров А.П. //Метизное производство. 1972. №1. С.26-33.

24. Недовизий И.Н., Петрухин С.И., Петров А.П. //Метизное производство. 1972. №1. С.33-39.

25. Tattersall G.H. // The Journal of Mechanical Enguneer Science. 1961. v.3. №4. P.360-362.

26. Tattersall G.H. //The Wire Industry. 1962, N346, P.975,978-980,982,992.

27. Christopherson D.G, Naylor H.//The Wire Industry. 1955, v.22, №260. P.775-777.

28. Christopherson D.G., Naylor H.//Scientific Lubrication. 1956. №3, P.2327.

29. Уилсон, Валовит // Проблемы трения и смазки. 1971. №1. С.71-76.

30. Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Алмазные волоки в кабельной промышленности. М.: Информэлектро, 1972. - 48 с.

31. Хаяк Г.С. Инструмент для волочения проволоки. М.: Металлургия, 1974. - 128 с.

32. Хаяк Г.С. Волочение проволоки из цветных металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1967. 154 с.

33. Производство и результаты испытаний опытной партии проволоки МН-0,12 из заготовки 0 0,26 мм на имеющемся заводском оборудовании. //Отчет №34М-85.Камский кабельный завод им.50-летия СССР. ЦЗЛ, 1985.

34. Yoshimi Nakamuza, Heijiro Kawakami, Tomiharu Matsushita, ffirohazu Sawada. An evaluation of lubrication in wiredrawing.// Wire Journal, July. 1980.

35. Совершенствование технологии изготовления тонкой и тончайшей проволоки из никеля марки НП-2 //Отчет о НИР. Государственный научно-исследовательский институт сплавов и обработки цветных металлов, 1985. -55 с.

36. Исследование и разработка мероприятий по повышению эффективности эксплуатации алмазных волок при волочении проволоки для металлокорда //Отчет о НИР. ВНИИ метизной промышленности, 1985.

37. Zhang Guo-Liang. Jon implantion of diamond dies //Wire Jnd. 1985. №5. P.314-317.

38. Применение синтетических алмазных волок при волочении низкоуглеродистой проволоки //Информационный лист. №189-84. Челябинск. 1984.

39. Термостойкие заготовки волок из природного алмаза //Черные металлы. 1986. №13. С.37.

40. Эпштейн Л.Б. Применение волочильного инструмента из поликристаллических алмазов // Цветная металлургия. 1985. №10. С.93-94.

41. Грунько Б.Н., Каштанов А.Т., Слюсарев А.Т. и др. Внедрение смазки «Олон технический» при мокром волочении стальной латунированной проволоки//Сталь. 1980. №9. С.805-808.

42. Брабец В.И., Саруль Г.И. Состояние и развитие производства проволоки из никелевых и медно-никелевых сплавов //Цветные металлы. 1980. №5. С.84-87.

43. Сошко А.И., Шаповал И.М., Жучин В.Н., Лещинер A.M. Исследование эффективности полимерсодержащей смазки при волочении проволоки//Сталь. 1980. №5. С.412-413.

44. Козловцев А.П., Терехина А.Ф., Тычинкина Т.Ф. и др. Применение маловязких легированных масел при волочении микропроволоки //Сталь. 1984. №6. С.63-64.

45. Finnigan G. Drahtzichsteine aus synthetischen Diamant Kristallen. Eigenschatten und Pracisergebnisse // Draht. 1982. №8.P.482-485.

46. Колмогоров Г.Л., Орлов С.И., Шевляков В.Ю. Инструмент для волочения. М.: Металлургия, 1992,- 144 с.

47. Ламзин A.C., Брабец В.И., Родионов Л.В. и др. Повышение стойкости алмазных волок // Цветные металлы. 1985. №6. С.78-79.

48. Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.//Трение и износ. 1989, т.10. №4. С.599-603.

49. Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Конников Г.Г. Инструмент для волочения в режиме гидродинамического трения тонкой проволоки // Положительное решение о выдаче авторского свидетельства от 7.02.89 г. по заявке 4474627 от 16.08.88 г.

50. Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Конников Г.Г. Инструмент для волочения проволоки //Положительное решение о выдаче авторского свидетельства от 20.12.89 г. по заявке 4692668 от 16.05.89 г.

51. A.C. №1445833 СССР. Волока /Колмогоров Г.Л. Трофимов В.Н., Конников Г.Г., Карлинский В.Л.//Открытия. Изобретения. 1988.№47.

52. Аллен и др. //Проблемы трения и смазки. 1970. №1. С.102-111.

53. Лич, Ченг //Проблемы трения и смазки. 1973. №3. С.46-60.

54. Джентл, Пол //Проблемы трения и смазки. 1976. №2. С.74-84.

55. Покрас И.Б., КазаченокВ.И. //Трение и износ. 1980, №5. С.785-792.

56. Уилсон, Мэрч // Проблемы трения и смазки. 1976. №3 С.84-91.

57. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

58. Колмогоров Г.Л., Бобылева М.К //Трение и износ. 1984, т.5. №3. С.562-564.

59. Шевляков В.Ю. //Динамика и прочность механических систем. Пермь. ППИ, 1983. С.67-71.

60. Тарновский И.Я., Поздеев A.A., Вайсбруд Р.А.,Гун Г.Я., Котельников В.П., Тарновский В.И., Скороходов А.Н., Колмогоров В.Л. Вариационные принципы механики в теории обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1963. - 54 с.

61. Колмогоров Г.Л., Закирова Т.С. Вопросы гидродинамической смазки при тончайшем волочении //Изв.вузов. Черная металлургия. 1980. №6. С.54-57.

62. Первадчук В.П., Шевляков В.Ю.//Изв.вузов. Черная металлургия. 1984. №11. С.74-77.

63. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. - 689 с.

64. Колмогоров ГЛ., Малинина Т.С. Течение ньютоновской смазки при тонком волочении в режиме гидродинамического трения //Трение и износ. 1992, т.13. №5. С.811-815.

65. Колмогоров ГЛ., Носачевский A.B., Сьянов СЛ. //Изв.вузов. Черная металлургия. 1990. №4. С.32-33.

66. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука, 1970.-512 с.

67. Пейре Р., Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 352 с.

68. Гнеденкова В Л. Численное моделирование задач гидродинамической теории смазки. Наука, 1972. 418 с.

69. Слезкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гостехиздат, 1955. 520 с.

70. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971.-448 с.

71. Камерон, Алистер Теория смазки в инженерном деле. Наука, 1982. -418 с.

72. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Металлургия, 1986. 389 с.

73. Петров Н.П., Рейнольде О., Зоммерфельд А. и др. В кн.: Гидродинамическая теория смазки. М.-Л., ГТТИ, 1934. - 574 с.

74. Колмогоров ГЛ., Малинина Т.С. Нагнетающая способность волочильного инструмента с образующей в форме параболы //Изв.вузов. Черная металлургия, 1995, №8, С.42-43

75. A.c. №904823 СССР / Береснев Б.И., Каменецкий Б.И., Обухов В.А. //Б.И., 1982. №6. С.50.

76. Колмогорв ГЛ., Обухов В.А., Шевляков В.Ю. Волочение проволоки с гидродинамическим усилением //Физика и техника высоких давлений. Сб. науч.тр./ АН УССР. Киев: Наукова думка, 1983. Вып.11. С. 41-45.

77. Колмогорв ГЛ., Шевляков В.Ю., Барков Ю.А., Карлинский ВЛ. //Высокие давления в науке и технике. Киев: Наукова думка, 1989, т.З. С. 370-372.

78. Троицкий В.А. Инженерные расчеты на ЭВМ. Справочное пособие. JL: Машиностроение, 1979 - 288 с.

79. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Физматгиз, 1962, т.2-640 с.

80. Трофимов В.Н. Совершенствование технологии волочения тонкой проволоки с использованием алмазного волочильного инструмента. Дис. на соискание уч. ст. кандидата техн.наук. - Пермь, 1990. - 195 с.

81. A.C. №1475753 СССР, Способ волочения металлов. / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.

82. A.C. №1447464 СССР. Способ волочения металлов в режиме гидродинамического трения /Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Конников Г.Г.

83. Мельникова Т.Е., Трофимов В.Н. Влияние высокого давления на напряженное состояние алмазных волок //Тезисы V Всесоюзной конференции «Получение и обработка материалов высоким давлением», Минск, 1987.

84. Тарновский И.Я., ПоздеевА.А., Ганаго O.A. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М.: Машгиз., 1959, 304 с.

85. Сериков С.В., Усов В.А., Максимов С.Б., Губин Л.Е. Определение скоростной зависимости усилия волочения //Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1983, №1, С. 86-89.

86. Гурьянов Г.Н. Влияние предела текучести и исходного сечения проволоки на толщину слоя смазки при входе в очаг деформации //Обработка металлов давлением. Свердловск. УПИ, 1983, С. 100-103

87. Коломиец Б.А. Исследование волочения стальной проволоки в режиме гидродинамического трения с использованием жидких смазок. -Автореферат дис. на соискание уч.ст. канд. техн. Наук. Свердловск, 1981.

88. Друянов Б.А. Волочение через криволинейную матрицу //Прикладная механика и техническая физика. 1962, №1, С. 165-168.

89. Колмогоров Г.Л., Малинина Т.С. Нагнетающая способность инструмента с образующей в форме параболы //Прочностные и динамические характеристики машин и конструкций. Пермь, ПГТУ. 1994. С.152-155.

90. Колмогоров Г.Л., Малинина Т.С. Течение ньютоновской смазки при тонком волочении // Тезисы докладов 11-ой Международной школы по механике сплошных сред. Институт механики сплошных сред УрО РАН. Пермь, 1997. С.167.

91. Колмогоров Г.Л., Малинина Т.С. Расчет толщины слоя смазки при тонком гидродинамическом волочении //Обработка сплошных и слоистых материалов. Магнигогорск, МГМА, 1997. С.61-68.

92. Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Сапрыкина И.С., Баглай А.Н., СимоноваЕ.И. Совершенствование технологии волочения медной никелированной проволоки //Цветные металлы. М. Металлургия, 1991, №1. С.51-52.

93. В Пермском государственном техническом университете на кафедре « Динамика и прочность машин» выполнены исследования закономерностей течения технологических смазок при тонком волочении в условиях режима гидродинамического трения.

94. Методика «Расчет технологических параметров волочения с гидродинамическим усилением» внедрена в практику Института физики металлов УРО РАН и используется в технологических расчетах процесса волочения с гидродинамическим усилением.

95. Исследование закономерностей течения ньютоновских смазок в технологическом инструменте при тонком волочении»

96. Главный инженер ОАО «Камкабель»