автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности составных опорных валков листовых прокатных станов

Всесоюзный ордена Ленина научно^иссяадоватейьский и провктно-конструягорскна институт металлургического игшотостроения !®£зяя А.И,Цвлнкоза

1ШИИ|мтная)

На правах рукописи

Грмушкнн Григорий щрклвнович / '

УДО 621.771 ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСЮШОСТИ СОСТАЗШХ ОПОШИХ ВАЛКОЙ ЛИСТОЕЬК ПРОШНЫХ ОТЛОВ

Специальность; 06.04.04 Панты и егрзгяты металлургического

производства ,

А второфвра?

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Госква-ТеЭЗ

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Ленина Научно-исследовательском и пройкэтю-конструзгеорскоы института металлургического машиностроения им. А.И. Целиком.

Научный руководитель - доктор технических наук, главный йаучНьк сотрудник , ¿ирсов Б. Т.

Официальные оппоненты - дохтор техжгчэсккх наук

ГйрцевА.И.,

кандидат тмЕшгеокшс наук Легазвцзв В.Г. '

Вадущэе предприятие - АО "Иаорскиэ заводы"

Защите состоится 1993 г * в /4 часов

на заседании специализированного совета К I34.U1.0I по присуждении ученой степени кандидата технических наук ШИИметмаш.

Адрес: г.Москва, 109428, Рязанский проспект, д.8а, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НШметмаш» - .

Автореферат разослан

Учений секретарь специализированного совета к.т.п., старший научный сотрудник

1 В. Г. Дрозд

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ01Ы

Актуальность ра&оты. В ношей стране накоплен большой опыт применения сосгавных прокатных валков. В связи с повышением производительности прокатных станов и увеличением их мэщюстей, возрастают требования к работоспособности таких валков.

Для изготовления опорных составных валкоя листовых прокатных станов в основном используется соединение оси и оьнцажа по горячей посадке с натягом. ¡Дирокоя применение составной конструкции обусловлено возможностью раздельного изготовления оси и бандажа, повторным использованием оси. Это особенно актуально для дорогостоящих крупных опорных валков толстолистовых прокатных станов, пасса которых достигает значительных величин ( до 250 т), что превышает при изготовлении таких валков возможности технологического оборудования многих заводов тяжелого машиностроения. Раздельное изготовление позволяет уменьшить массу исходной заготовки, использовать для оси и бандажа различные материал« и реяиш термообработки, что очень важно для обеспечения высоких эксплуатационных качеств валков. Повторное использование оси после окончательной выработки рабочего слоя бандажа суижает стоимость потребляемых валков.

Значительные рабочие нагрузки на листовых прокатных станах вызывают поломки составных опорных валков. Разрушение осей н бандажей наблюдалось на станах ЗбиО завода "Азовстаяь", Зиш Мариупольского комбината км. Ильича. Большой расход валков на заводе "Серп и йолот" связен с частым сползанием бандажей и разрупаниен осей опорных валков станов 650, 1и0и и 13(Л».

При проектировании и оценке прочности составных прокатных валков, собранных с натягом, использует,как правило, условие непоявления пластических деформаций на посадочных поверхностях оси

3

15 Овндажс. Конструирование крупных составных валков, ююецхх высокую стоимость, гребует цашикзксного подхода к оценке их прочности с учет«.' технологии изготовления, остаточных н&прякений, формируг-чяхся при термообработке и условий. эксплуатация. Учитывая длительный цикл изготовления,■высокую стоимость крупных сос-тавша опороли валков, & тою» «о, что преэдевреиэнный выход их из строя вгдет ь* простою оборудования и получению некачественного проката, создание кадешых соеташых ваяхов представляет актуальную проод&му. -

1£»ль работы. Разработка кв'дздов опенки Обеспечение работоспособности составных опорных вилков с использованием новых конструкций 51 технологий.

Научная ковкзна. В решеняа проблемы обеспечения работоспособности составных опорных валков, диссертация внесла следующие элемента н:,<эи5йы:

1. Установлены физические причины разрушения составных опорных валков, что позволило выбрать направления исследований и обосновать пути решения донной пробяэмы.

2, Разработаны методы расчета составных опорных валков, позволяющие прогнозировать срок их службы и обеспечить работоспособность. Методы расчета включавт:

- определение напряженно-деформированного состояния составных опорных валков после тепловой Сборки и изгиба с учетом касательной податливости стыка ось-биндаж, переменности натяга и сил трения на посадочной поверхности, проскальзывания бавдалса*,

- выбор натяга с учетом напряженно-деформированного состояния валков, остаточных напряжений, параметров трещинастойкости материале, величины дефектов, цикличности эксплуатационные нагрузок;

4

- 'расчв?. фрмтаявмтаоса и уьжштения натяга в зона контакта оси и бандада, осовей силы распрессовки соединения при действии циклической изгибающей нагрузки;

- изучение фротгинг-усталости осей с учетом характера рабочих нагрузок, параметров трощиносгойкости.првделв выносливости материала, остаточных напряжений и геометрических .параметров составных валкоа.

3. Выявлкш закономерности процесса ^рэгтинга ка посадочной поверхности валков, позволяющие оценить факторы времени, масштаба и установить, что с увеличением габаритов ввдков и длительности их эксплуатации позыазтся коэффициент фротткчг-износа.

Практическая ценность. Получении» в работе результаты позволили разработать и внедрить па заводе "Gepn и Молот" и ПО "Элшст-ростальтяшаш" конструкцию составного опорного валка, технологии её изготовления, методику расчета составных валков и допустимых нагрузок на такие валки. Это позволило предотвратить ранрупение и сползание бандажей и увеличить срок служаы валксз s три.раза.

Результаты теоретических и дкспериыеитгльнкх исследований использованы АО НКЙЗ при проектировании усовершенствованной конструкции составных опорных валков стана 3000 Мариупольского коиСл-ната им. Ильича.

Разработанные методы расчета соединений с натягом включенч в программу ifypca обучения студентов кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" Московского института инженеров транспорта.

Апробация работы. Результаты работа доложены на П1 Всесоюзной конференции по расчетам на прочность металлургических машин (Мариуполь, 1965 г.); на УШ Уральской региональной научно-практической конферениии "Современные методы и средства неразрушмуцв • .го контроля-качества металлопродукции и их м&трологичзскоо обеспечение"!. Челябинск, I9ts6 г.*; на Всесоюзной научно-технической

b

конференции "Износостойкость метки" (Брянск, 1991 г.).

Публикации. По пемв диссертации опубликовано 10 статей в научно-технических журналах, сборнике научных трудов ВНИИметмаш и 3 тезиса докладов на конференциях.

Объем. Диссертация состой» из введения, шести глав, заключения , списка литературы, содержащего 103 ншшенования и приложения. Работа излажена на 172 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 8 таолиц к приложение на 5 страницах.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основании литературных источников и результатов известных исследований рассмотрены причины выхода из строя и методы расчета составных валков листовых прокатных станов.

Значительное количество поломок составных валков происходит по причинам образования остаточного прогиба, сползания и разрушения бандажа, разрушения оси.

Анализ разрушений ьандекей показал, что основными параметрами, характеризующими их прочность,являются уровень напряжений от натяге в соединении Оандвжа с осью, рабочие нагрузки, уровень остаточных напряжений, вызванных термообработкой бандажа, параметры тревддасг-ойкости материала бащаха, величина и расположение де-фектос в багдееке. „

Нзпряленно-деформированное состояние деталей, соединенных с натягом изучено достаточно полно в работах Н.Д. Тарабасова) В.Л, Бидермана, Н.Ф.Андрианова, В.Л.Дувидзона, Л.А.Хворостухина. Среди существующих методов расчета составных прокатных валков наибольшее развитие получили метод конечных элементов и граничных интегральных уравнений. Эти методы значительно уточняют решение задачи о посадке с натягом, но не достаточно освоены для расчета напря-женно-дейормированного состояния составных валков при действии иэгибеояцих нагрузок.

Для опенки величины остаточных напряжений я конструкциях ис-

пользую» расчетное и экс-

периментальные! Iработы И.А,Еиргара, H,Н. Давиденкова, А.З.Третьякова, А,А.Антонова;ф»Н.Михайлова, Г,Т.0рвхова> катоды исследования. Расчетные имодыосчоваиыка использовании большого количества физических параметров', меняюцихся зо времени в процессе термообработки детали: Раэруовкр«в методы не позволь, как правило, иадвлиа в дальнейшем использовать. Нвразрушащие экспериментальные метода кссдадованкя остаточных напряжений кз совершенныи обладают; значительной погрешностью,

Разрушение осайв процесс» вкспяуатации составных валков происходит по усталостиому ¡механизму и объясняется высоккы уровнем контактны* давлений на крав посадочной поверхности и явлениями фретту,нга в подступичной части оси. .

Анализ повреждений осей составных валкой показывает, что их разруиение следует рассматривать с лозишнй фретткнг-усталости. В работах Л.Т.Балацкогр, В.Й.ВаОИиец предложены конструнтивныз и технологические способы увеличения долговечности осей, формулы для расчета фреттинг-усталости с использованием эффективного коэффициента концентрации напряжений, которой определяли при испытании моделей. Теоретически описать фргттинг-усталостноэ разрушение составного валка при изгиба под нагрузкой достаточно

сложно, так как не разработан надежный метод определения напря-

' « '■■•■.'.'■'. г--." . . t

генного состояния в зоне контакта оси и бандажа.

Сползание бандажа с оси вызвацо появлением осевых сил при прокатке лийта и сниаениеы натяга в соединении оси и Сендеяа иэ-за фреттинг-износа посадочной поверхности ралка.

Исследование прочности соединения с натягом на сдвиг при циклических нагрузках пррводили Е.С.Гречищев, Е.И.Берникар, А.А. Илыяикко, Ф.П.Снвговский, А.б.Котов. Предложены формулы с экспериментальными коэффициентами для расчета силы распрассовки. Из-

вестью методы определэния силы распрзесозки из учитывает изиэ-нбниз натяга в соединения вследствие фреттннг-износа, в то время как такой кенос в крупных составных валках может достигать 4

Суцеетвугецк© уэгода расчэга величины фретткнг-износа не учитывают изианедая в процесс» работы соединения амплитуды проскальзывания и давления между контаютрущкым поверхностями. Определение фраттинг-мзноса проводят на ыоделкх.и при расчоте величины износа на нагурныз детали не удаётся учесть с достаточной точностью ыаезтаонкй и временной факторы.

Остаточнцй прогиб появляется в результате действия ударной нагрузки, когда из-за различных условий нагруяения бандажа и оси, и их изгибных жесткостай Происходит необратимое смещение сопрягаемая поверхностей друг относительно друга.

Остаточный прогиб соединений с нотягоы изучали В.Л.Бцдерыан, X.Сшюда, Э.Патула, П.И.Полухш, В.А.Нкколаев. Предложены формулы для расчета величины остаточного прогиба и способы его уменьшения. При проектировании дорогостоящ;* крупник составных валков листовых прокатных станов необходимо проводить достовернув оценку величины остаточного прогиба и предусмотреть меры по предупреждение его появления.

Проведенный анализ определил задачи' исследования? .

1. Разработка методов исследования напряженно-деформированного состояния составных валков после тепловой сборки и при действии рабочих нагрузок.

2. Установление причин разрушения бандажей и создание методов оценки и контроля основных физических параметров, влияющих на прочность бандажей.

3. Создание методов опенки фреттинг-усталости и фреттинг-

В

износа крупных составных опорных валкой, позволяющих прогнозировать срок их службы.

4. Разработка изтодов оценки и обеспечение работоспособности составных валкоз с использованием номгх конструкция и технологий.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния составных опер;;'.": залков после тепловой сборки.

После горячей посадки бандаяи* на ось, на посадочной поверхности при охлаждении валка формируется два участка: участок совместной деформации оси и Сандала г» и участок проскальзывания бандам относительно оси £-2щ. Считаем в области проскальзывания справедливы! закон Кулона интенсивность контакт-

ных касательных сил на посадочной поверхности валка;^ - коэффициент трения; р(х) - давление от натяга > и учитываем в зоне сцепления тангенциальную податливость контакта. Тогда, используя условия совместности продольных и радиальных деформаций, а также учитывая характер нагруяения оси и бандажа, получим выражения, которые определяют законы распределения продольной силы N(2) , вызванной силами трения и контактных давлений в зонах сцепления и проскальзывания. Максимальное значение контактные Давления и продольная сила принимают в зоне сцепления. Для переманногб натяга £(*), аппроксимируемого полиномом пятой степени 6(г)=50Щ1(^), где ^ = 1+й,г/1 + а2(£1&)*+а3(г¡¿)3ч- получены следую-

щие выражения:

д/ = Ф м+ ^-и'п! '

М *рзЛ/и,//- кГЩН*** " . 1 '

О г Г ( { , , Г }1

Р 27>(1-К?К§) IН> + ~ >

где

¿Ы-хе :

' К'О - :, .

А0 * 1-<х{(гг)' *г2а2120 афЦ'5; Ч'зР/^УоР&рг* + И{-1')Ырг -(зД&г-рг^/фг»}-

К^ = ~ \ Кг~~ ; Д 5 диаметры соответственно наружной, по-

садочной поверхностей к отеоюстня в оси; V - ковф|ициент Пуассона; Е ~ модуль упругости; Ккоэффициент тангенциальной подаг-лкяостй контакта. ■ » "

Полудлина зоны сцепления определяется трансцендентным уравнением: , ,

гле ьм'.

-Анализ результатов исследования показал, что силы трения

• 4 ■

увеличивают контактное давление в зоне спепления в ^у раз по

сравнение с решением задачи Лякэ. Учет тангенциальной податливости в.зоне совместной дефзрмаши бандажа и оси поэроляет оп-

10 - ■•■■■'•:;"'".-.■

ределить зону проскальзывания в процессе посадки бандажа на ось с натягом, но существенно на напряженное состояние соединения на влияет.

Для изучения напряженного состояния в окрестности торца бандажа после ого посадки на ось с натягом проведён расчет методом конечных элементов по программа, разработанной в ЦАГИ.

Сравнение результатов расчета с использованием решения задачи Ляые и методом конечных элементов на удалении от торца Оандажа (границы посадочной поверхности) показало хоревую достоверность численного нетода. Программа расчета ЫСЗ но учитывает силы трония на посадочной повзрхности валка, ко позволяет оценить влияние торца на напряязнно-дефорулфованноа состояние бандажа.

В ТРЕТЬЕЙ ГлАВЗ представлено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния составнцх опорных валков при изгибе.

Предложен мотод расчета деформированного состояния составного валка при действии на него изгибающей нагрузки, который позволяет определить величину остаточного прогиба и предельные нагрузки, обослэчивакцм отсутствие продольного сползания бандажа с учетом области проскальзывания, сил трзния и изменения натяга по длине посадочноЯ поверхности валка. Перемзнность натяга можно задавать в виде полинома или учитывать эквивалентным натягом ¿зкб , /

переменному и эквивалентному натягам незначительно (до 5$), что позволяет на начальных стадиях проектирования рассчитывать соединение бандажа и оси, используя эквивалентный натяг.

где и - длина бочки валка.

Отличие результатов расчета деформации составного валка по

и

При работе в клети прокатного стана опорлыз валки испытывают большие радиальные нагрузки. С целью исследования влияния изгиба на напряженно-дсформированное состояние валка проведен расчет составного валка , находящегося под нагрузкой, в объемной постановке ЫЕЭ. Для учета сил трения на посадочной поверхности разработан и применен кетод, последовательных приближений, который состоит б следующем. Первоначально валок рассчитывали без учета треняя. Используя закон Кулона, по велнчин&ы контактных дог;Л( г-., :? определяли силы трения и, учитывая их, проводили повторный расчет напряженно-дефоршрованного состояния. По новым величинам контактных давлений находили новые значения сил трения и еновь рассчитывали велок. Реиение повторяли до совпадения вновь полученных и вычисленных в предвдущеы варианте контактных давлений с точностьи до 5>.

Установлено ,чхо при изгибе составного валка в зоне сжатия (непосредственно под нагрузкой) бондах наползает на ось, а в зоне расткяоння сползает с оси ( рно. I). Наибольшее значение контактные давления принимает в сжатой зона около торца бандаяа, в растяз-:у?ой зоне происходит уменьшение величины давлений (рис. 2). Опасные растягивакщие округлила напряжения формируется на посадочной поверхности.бандажа в центре валка. Исследование напряженно-дгфориарованного состояния составных опорных валков показало, что увеличение коэффициента трения на посадочной поверхности уменьшает проскальзывание бандажа относительно оси, величину остаточного прогяба и окружные растягиващив напряжения в окрестности торга бандажа, повышает жесткость валка и осевые напряжения в центре бандажа.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлено исследование фреттинга на посадочной поверхности составного опорного валка, 12

Для изучения фреттинг-износа в зоне посадочной поверхнос-

о

ти исследовали опорные валки пркатного стана 3600 завода "Азов-сталь",отработавшие пять лэт и прошедшие около 1,5-10 циклов нагрудоний. В результате разоорки составных валков и исследования их посадочной поверхности сотрудниками Ново-Краматорского машиностроительного завода установлено, что зона распространения фретгинга имеет протяженность 400 - 700 км от края бочки валка. Во ШИИметмаие проведен анализ формы посадочных поворхное тей оси И бандажа, который показал, что зазор, образующийся в зоне контакта оси и сандажа в результате фреттинг-износа за период эксплуатации валка, составляет оолее 3 мл. Для определения

Рис. I. Деформированное состояние опорного Балка стана 3600 при изгибе Iиифри в скобках соответствуют расчету без учета трения на посадочной поверхности)

изменения величины натяга в процессе работы составного валка разработан метод расчета фреттинг-износа посадочной поверхности.

13

При изгибе составного валка величины давлений и смещений ($) бандажа относительно оси перемеккк по длине окружности § . Используя гипотезу линейного сугшироввяия' износа, получено выражение для расчэта величина фреттинг-износа /)р в конк-ратном сечении валка с учетом и&ченения давления и смещения:

где Кр - коэффициент $ро?т,.яг-износа; ; и - твер-

дссть по Влккерсу бавдаяа. и рек соответственно; N - количество циклов нагружаний; (I - коэффициент трзния при фраттинге.

р,МПй

200 то т ' 80 ÍD О

•

: f

— -Г у Д ч

i • / 1 1

ZfM

20Q 400 во о eco юоо í?oo кро-мо

Рис. 2. Распределение контактных давлений^ по длине посадочной порерхиосхи z при изгибе опорного валка стана Зиии ?

под нагрузкой 5*10 Н в зонах сжатия (.кривая растяшшя (кривая 21 и при посадке бандажа на ось с натягом (штриховая линия'

По результатам замеров износа посадочной поверхности составных валков hp , определив расчетом с помощью Ж) значения • 14

и в каждой точке посадочной поверхности валка, найден коэффициент фреттинг-износа КР , учитывающий масштабный и врз-мзнной факторы. Бандали и оси крупных составных валков излавливают из различных марок сталей. Для бандажей используют высоколегированные стали, для осей - ереднелогированныа. Определив Кр по результатам исследования опорного валка стана ЗбиО, проведена оценка интенсивности износа и изменения натяга для составных опорных валков стана ЗиОО Мариупольского меткомбината им. Ильича.

При применении формулыЧ I ) для расчета фреттинг-износа валков используются численные методы и специальные программы. На основе решения задачи о деформация составного валка при изгибе, получена более простая формула для определения величины фреттинг-износа, которую удобно использовать на начальной стадии проектирования составных валков:

Ы = £ к,ми«(е2-в,)(Рнъ+ +, с 2 )

где 9^62 - полные углы поворота сечений бандажа и оси; Д, - давление от натяга в конкретном сачэнии посадочной поверхности вал-ка{ <Ь(±) - контактная нагрузка, возникающая на посадочной поверхности составного ввлка при его изгиба.

Зная величину уменьшения натяга и учитывая только область совместной деформации оси и бандажа, мояно определить силу рас-прессовки , при которой произойдет сползание Сандала:

& ^НРжЬКЪО-^Ъ), т

где область проскальзывания бандажа относительно оси! Рж6~ эквивалентное контактное давление при переменном натяге.

В результате оценки возможности сползания бандажа составных опорных валков стана ЗОШ,установлено, что при работе валков смещения бандажа с оси не произойдет. Уто подтверждается практикой

15

эксплуатации таких валков.

Фреттинг на посадочной поверхности составного валка при его эксплуатации приводит к усталостному разрушению оси. Определив напряженно-деформированное состояние на посадочной поверхности при изгибе валка МКУ, по известным зависимостям найдено распределение коэффициентов интенсивности напряжений от действия нормального давления КХр, касательных нагрузок Кц и изгибающего момента вдоль поверхности контакта оси и бандажа. Анализ развития трещины фреттинг-усталости показал, что её рост возможен, если размах суммарного коэффициента интенсивности напряжений 1Кт и скорость роста трещины превышает соответственно пороговое значение размаха коэффициента интенсивности напряжений ыК^ и величину скорости фреттинг-износа. Расчетом установлено, что критической величины отношение ДАгД^О/, достигает на расстоянии 0,2 L от края посадочной поверхности I рис, 3 ). Это подтверкда-

Т,«х

AKtb ____

0

iО

0,5

°-500 -200 •№ О (00 200 300

» V I_I---1--J 1/2%»п

0 250 500 750 (ООО 1250 (490

3, Изменение отношения /дКу) в зависимости от расположения трещины размером /т= 1),5 ш на посадочной поверхности оси опорного валка стана 3UUU ^кривая I) и от величины остаточных напряжений (кривая 2)

1

Рис.

ет характер разрушения осей составных опорных валков. Учет остаточных напряжений, возникающих в оси после её термообработки или поверхностного пластического деформирования,показал, что сжимающие остаточные напряжения существенно повышают фреттинг-усталостную прочность оси I см. рис. 3 ).

На основе известного выражения получена формула для определения предела фрёттинг-усталости бС^- оси в зависимости от предела выносливости Материала оси 61{, нормальных, касательных нагрузок и остаточных напряжений на посадочной поверхности:

Г Г, Ки+КгЫ-Кю 7

где Кю~ коэффициент интенсивности напряжений, учитывавщий остаточные напряжения в оси.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальному исследованию остаточных напряжений, формирующихся в оандаже после его термообработки.

Предложена методика измерения остаточных напряжений методом отверстия. Разработана конструкция приспособлений, позволяющих без разрушения бандажа определять величину напряжений высверливанием глухого отверстия диаметром и глубиной до 2 мм. Выполнена оценка погрешности метода, которая показала, что при измерении напряжений величиной до 0,8бГт1 б"т - предел текучести материала детали ) погрешность составляет не более 2Проведено экспериментальное исследование остаточных напряжений на внутренней и наружной поверхностях бандажа опорного валка стана ЗОШ посла его окончательной термообработки (, рис. 4). На обоих поверхностях бандажа формируются сжимающие остаточные напряжения, максимальная величина которых не превышает Зии ЫПа. Анализ известных экспериментальных результатов позволил установить, что закон изменения остаточных напряжений по толщине бандажа можно считать

17

параболический и для окружных растягивающих напряжений на срединной окружности бавдажа принять следующие соотношения:

6-4,1*1*

если

О

I б )

если

где , б'¿ф , 6\°п - окружные остаточные напряжения на наружной, срединной и посадочной поверхностях бандажа.

Таким образом, зная остаточные напряжения на поверхности, можно оценить величину этих напряжений внутри бавдажа.

ШЕСТАЯ ГЛАВА посвящена разработке методики оиенки и спосо-

-¿00

-300

О 600 {ООО (500 2000 Ж» хсигзб

'00

-т

-хо

1 е1 1

2 Г

1

5С0

(ООО <500 хор 1500 умоэао

Рис. 4. Распределение окружных б^ (. а ) и осевых б^ (. б ) напряжений на посадочной (кривая I) и наружной (кривая 2) поверхностях бандажа опорного валка стана 3000 после его термообработки 18 .

бов обеспечения работоспособности составных прокатных валков, внедрению результатов исследований.

Как показали экспериментальные исследования, при термообработке бандажей в них формируются значительные остаточные напряжения. В заготовках бандажей неизбежно появление дефектов, которые увеличивают опасность их хрупкого разрушения. Поэтому при назначении натяга в конструкции составного валка необходимо учитывать не Только напряжения, вызванные посадкой, но и остаточные напряжения, величину и месторасположение дефектов в бандаже.

Рассмотрена наиболее неблагоприятная ориентация дефекта размером iy , когда он расположен перпендикулярно к направления действия наибольших растягивающих напряжений бр . Считая, что разрушение происходит путем нормального отрыва,принимаем га критерий прочности бандажа при посадке на ось с натягом следующее соотношение:

Лх ^ Кгс 1 ( 6 )

2 __

где ; бр-б^С ; Air - величина вязкости разру-

иения; £ - коэффициент, учитывающий форму дефекта;6- величина остаточных напряжений; - ¿еличина напряжений от натяга.

Установлено! что если дефект расположен на срединной окружности бандажа, то окружные растягивающие остаточные напряжения существенно сникают допускаем>ю величину дефекта . Так, при б^ » 250 МПа расчетное допускаемое значение 1д для опорного валка стана 3000 составляет 2 мм.

Для оценки циклической прочности бандажа При работе валка используем условие нераспространения трещины:

где AKt,dKit,~ размах величины коэффициента интенсивности напряжений и его порогового значения, которое определяется экспе-

19

риментально при различных коэффициентах асимметрии цикла нагру-жения.

Таким образом, при разработке конструкции составного валка на начальном этапе проектирования величина натяга и толщина бандажа Ь выбираются исходя из опыта изготовления прокатных валков 0,001 Р и ( 0,125 - и,15 )Л/ . По формуле I 3 ) определяется сила распрессовки бандажа и оси С}р . Полученная величина сравнивается с ожидаемой осевой силой действующей на валок при его раооте ( величина ^ принимается равной 4% от усилия прокатки ). Доводится расчет бандажа на хрупкую прочность по условию I 6 ) с учетом остаточных напряжений ( 5 ) и предполагаемых дефектов. При невыполнении условия 1 б ) натяг уменьшается и, если необходимо, на посадочную поверхность валка наносится покрытие, увеличивающее коэффициент трения с помощью разработанных специальных приспособлений и технологии.

После выбора натяга и размеров бандажа определяется полный и остаточный прогибы под действием эксплуатационных нагрузок, используя метод расчета деформированного состояния валка. Выполняется расчет напряженно-деформированного состояния соединения оси к бандажа МНУ. По формуле I 1 ) или ( 2 ) находится изменение натяга в процессе работы валка из-за фреттинг-износа посадочной повор-хности при заданном числе циклов нагружений. Повторяется расчет конструкции валка с измененным натягом, проверяются условна I 3 ) и ^ 6 ), проводится расчет фреттинг-усталостной прочности оси, используя выражение 14),

При изготовлении составных опорных прокатных валков после окончательной термообработки оандажа и перед посадкой его на ось, замеряется методом отверстия величина остаточных напряжений и, например, методами ультразвукового контроля величина и ориентация 20

дефектов в материале бандажа. Если величины остаточных напряжений и дефектов в бандаже больше принятых при расчете, то необходимо провести дополнительный отпуск для-снижения остаточных напряжений или повторную термообработку бандажа, обеспечивающую более низкий уровень остаточных напряжений.

С целью улучшения работоспособности составных опорных валков ленточного стана 65и и листовых станов 1000 и 1300 завода "Серп и Молот", на заводе и ПО "Электростальтяжмаш" внедрены конструкция составного валка, технология её изготовления, методика расчета составных опорных валков и допустимых нагрузок на такие валки. Это позволило предотвратить разрупение и сползание бандажей и увеличить срок службы составных опорных валков в три раза.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы АО Н1ШЗ при проектировании усовершенствованной конструкции составных опорных валков стана ЗОШ Мариупольского комбината им. Ильича.

Разработанные методы расчота Соединений с натягом включены в программу курса обучения студентов кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" Московского института инженеров железнодорожного транспорта.

Суммарный годовой экономический эффект на 1990год по результатам работы, подтвержденный актами внедрения, составил 244,6 тыс. руб.

вывода

I. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы оионки и обеспечения работоспособности составных опорных валков, позволяющие значительно увеличить срок их службы.

2. Разработан метод расчета напряженко-дефорцированного состояния составных прокатных валков после тепловой сборки с учетом сил трения, касательнойконтактной дефоры^ши и изменения натяга на посадочной поверхности валков, который позволил установить, что силы трения, возникающие в зон« контакта бандажа и оси при остывании валка, увеличивают давление от натяга до 40^ь. '/■

3. Предложен метод расчета напряженно-деформированного состояния составного валка при действии на него эксплуатационной нагрузки, позволяющий определить уровень напряжений в валке с учетом его конструктивных особенностей, величину прогиба валка

и области проскальзыванияЛ зону действия фреттинга на посадочной поверхности ) баадажа относительно оси.

4. На основе экспериментальны* исследований р«зр«оопшы теоретические методы определения величины фреттинггизноса посадочной поверхности составного- 'i^jpfjiioro- «шлка, ■ тяга и предельной осрвойсилы,^ обеспеянра^й ртсутсевие сползания бандажа с оси при раооте вадка s клети.

5. Разработан метод прочности оси с учетом условий нвгруяения, характеристик трвциностойкости и остаточных напряжений, фор^рующихся в ней.

6. Разработана методика и конструкция приборов для исследования остаточных напряжений методом глухого отверстия диаметром и глубиной до 2 мм. Проведены экспериментальные исследования остаточных напряжений в бандаже опорного валка после его окончательной термообработки, которые показали, что на наружной и посадочной поверхностях бандажа формируются сжимающие остаточные напряжения, максимальная величина которых не превышает 30Ô Ша.

7. На основе проведенных исследований разработаны методики оценки прочности бандажа и работоспособности составного валка.

22 - '.-'"'Л. * ' " ' "'Г'.'.

Предложены конструкция оснастки и технология создания на посадочной поверхности валка покрытия, увеличивающего прочность соединения оси и бандажа с натягом.

8, Результаты исследований использованы и внедрены при проектировании, производстве и эксплуатации составных опорных валков на предприятиях тяжелого машиностроения и черной металлургии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Теоретическое исследование прочности бандажа составных прокатных валков / ВЛ.Бидерман, В.Т.Фирсов, Г.МЛ'речушкин // III Всесоюзная конференция по расчетам на прочность металлургических машин: Тезисы докл.- П.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1985,- 4.1.-- С. 95.

2. Исследование жесткости прессовых соединений при переменном натяге / Фирсов В.Т., Г.Ы.Гречушкин /Л Вестник машиностроения.- 1986.- Ш,- 25.

3. Выбор величины натяга крупных прессовых соединений с учетом технологии их изготовления / В.Т.Фирсов, Г.Ы.Гречушкин, H.A.Стеши и др. // Вестнин машиностроения.- 1987,- №3.- С.30-31.

4. Исследование остаточных напряжений в закаленных деталях магнитэупругим методом / Б.А.Морозов, В.Т.Фирсов, Г.Ы.Гречушкин, И.В.Потапов // У111 Уральская региональная научно-практическая конференция: Тезисы докл.- Челябинск, 19Ьб,- C.I07.

5. Расчет напряженного состояния прессовых соединений, полученных путем тепловой сборки / В.Л.Бидерман, В.Т.Фирсов, Г.М. Гречугакин // Проблемы прочности,- 19Б6.- л»10.- (J.II2-II6.

6. Расчет напряженно-деформированного состояния бандзжиро-ванных валков методом конечных элементов ) Г.Ы.Гречушкин // Нап-

23

ряжения, деформации и прочность металлургических машин: Сб. науч. тр. ВНШметмаш.- Л., I98ö.- С. 14-iß. -

7. Исследование жесткости опорных оандажированных валков при переменном натяге / Г.М.Гречущкин // Напряжения, деформации и прочность металлургических машин: Об. науч, тр. ВНИИметмаш.-II., I9bö.- С.1У-22. .

8. Исследование фреттинг-износа крупных составных валков прокатных станов / В.Т.Фирсов, В,Т.Лебедь, И.А.Бобух, Г.М.Гра-чушкин // Всесоюзная научно-техническая конференция "Износостойкость машин": Тезисы докл.- Брянск.: АН ССОР, 1У91.- Ч.1.- С.35-

36. ' ,

*

9. Фреттинг-усталость прессовых соединений / H.A.Махутов, В.Т.Фирсов, С.Ü.Ястребов, Г.М.Грвчушкин // Вестник машиностроения.- 1991.- М.- С. 13-15. .

1U. Исследование и внедрение способа, оьвспечивающего повышение стойкости составных прокатных валков / В.Т.Фирсов, С.А. Валуев, Т.Н.Побежимова, Г.и.ГрачуЕкин // Тяжелое машиностроение. - 1991.- №5.- С.24-25.

11. Фреттинг в вагонных колесных парах /В.Т.Фирсов, В.Н. Котуранов, О.М.Савчук, Г.Ы.Гречушкин // Тяжелое машиностроение.-1УЭ1.- 'fiü.- С.3-6. ' :

12. Исследование фреттинг-износа крупных деталей, соединенных натягом / В.Т.Фирсов, В.Т.Лебедь, И.А.Бобух, Г.М.Грвчушкин // Вестник машиностроения.- 1УУ1.- tf-З.- С. 14-16.

13. Исследование стойкости стальных раОочих валков прокат-них станов / В.Т.Фирсов, Ю.В.Иванов, Т.Н.Побекимова, U.A.Балуев, Г.Ц.Гречушкин и др. // Вестник машиностроения.- 19У1.- №12,- С. 13-15. ' ... .

'J'k • •! рафекий участок НШИметмаш. Тираж 10U экз.

<..> , ■ , . >