автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Обоснование основных механических характеристик деталей грузозахватных устройств специальных кранов

Гб од

7 ШОЯ Ш-!

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КРУГЛОВ Сергей Валентинович

УДК 621.873.9:621.74

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ГРУЗОЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ КРАНОВ

05.05.05—Подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АЛ МАТЫ 1994

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете.

Научный руководитель: Уразбаев Е.К. - канд. техн. наук,

доцент

Официальные оппоненты: Еиттибаев С. Ы. - доктор техн. наук,

профессор, член-корр. РИА

Бедутаэя организация - Научно-исследовательский институт

технологии арматуростроения (НИШ1 А) г. Алматы

Казахского национального технического университета.

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке ЕазШУ.

Автореферат разослан "" . ^ 1994г.

Ученый секретарь

Гудович ЕИ.- канд. техн. наук, профессор

Защта состоится " - ¿6*0 1994г. в час. на заседании Специализированного Совета К 14.13.02

мин.

Специализированного Совета канд. техн. наук, доцент

М. X Саргужин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Важную роль в развитии машиностроения занимают транспортные системы. Так, по затратам труда,объему и стоимости раСот транспортные и погрузочно-разгрузочные операции в производственных процессах занимают одно из первых мест.

Одним из средств механизации погрузочно-разгрузочных, технологических и других работ являются специальные краны. Увеличение ресурса и надежности специальных кранов металлургических,энергетических, химических предприятий связано как с этапом проектирования, так и с технологией изготовления деталей,позволяющей обеспечить их повышенные механические характеристики, наиболее отвечающее эксплуатационным требованиям. Особенно это имеет важное значение для грузозахватных устройств специальных кранов,которые эксплуатируются в тяжелых условиях в экстремальных режимах. Специальные краны, как правило,обелуживают непрерывные технологические процессы и выход их из строя связан с авариями и остановками технологических процессов,приводящих к значительным экономическим потерям. Поэтому проблема повышения эффективности эксплуатации грузозахватных устройств специальных кранов путем улучшения механических характеристик материала имеет актуальное значение.

Работа выполнена по программе Иикистерства науки и новой технологии Республики Казахстан "Машиностроение и создание высокоэффективных машин и аппаратов" и плану НИР Казахского национального технического университета. ЦЕЛЬ ' РАБОТЫ

Целью работы является повышение механических характеристик деталей грузозахватных устройств специальных кранов. НАУЧНАЯ ЗАДАЧА

Научная задача заключалась в установлении закономерностей влияния вибрационного воздействия на формирование качества литых заготовок деталей грузозахватных устройств из стали 12Х1СП9ТЛ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для репения поставленной научной задачи использовались теоретические исследования,которые включали анализ процессов,протекающих при формировании отливки во время заполнения литейной формы расплавом, а именно: охлаждение потока расплава по мере заполнения формы; протекание основных химических реакций в системе расплав-фор-

lia;физическое и гидродинамическое воздействие вибрационной обработки на расплав и экспериментальные исследования влияния этих процессов на литейные,физико-механические свойства стали 12Х18НЭТЛ и качество отливок из нее.

Вероятность протекания химических реакций в системе расп-дав-форма устанавливалась при помощи термодинамического анализа.

Механизм физического и гидродинамического воздействия вибрационной обработки на расплав исследовался посредством гндромоделиро-вания.

Характерные литейные дефекты исследовались на нетравленных олифах с помощьи оптического микроскопа МИМЗ и методом микрорентге-ноструктурного анализа на электронновондовом микроанализаторе "SUPERPROBE 733".

Качество поверхности отливок определялось визуально. Плотность образцов.вырезанных из* отливок,определялась методом гидростатического взвешивания, стойкость против межкристаллитной коррозии -по ГОСТ 1497-84, механические свойства - по ГОСТ 1437-84,ударная вязкость - по ГОСТ 9454-78. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Предложен критэрий для оценки вероятности появления на литых ваготовках неисправимых дефектов в виде спаев,характерных для высоколегированных жаропрочных нержавеющих сталей типа 12X18H9TJL

Получена зависимость между технологическими параметрами, позволяются определить необходимую температуру металла перед заливкой и скорость расплава при заполнении литейной формы,а также рассчитать конструктивные параметры литниковопитающей системы, гарантирующие получение отливок без дефектов в виде спаев и химического пригара.

Установлено,что,когда значение отношения максимального габаритного размера отливки к ее приведенной толщине более 60, при литье в песчаные формы на основе холодно-твердеющих смесей необходимо предусматривать дополнительные технологические приемы для получения отливок без спаев и пригара.

Показано, что необходимым условием для устранения литейных дефектов в виде спаев и повышения механических свойств, является наложение на расплав при заполнении литейной формы вибрационного поля с частотой 20... 120 Гц и с "пороговой" плотностью энергии, определяемой амплитудой виброскорости равной 0,6 м/с, вызывающей в расплаве кавитанионные явления.

Разработан новый способ литья с вибрационным воздействием, поз-

воляющий получить отливки без спаев и плен, с повышенными физико-механическими свойствами,который защтцен авторским свидетельством на изобретение A.C. Н 1560389 ССОР. П ТАКТИЧЕСКАЯ ЦЕН Н О С Т Ь И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что на основе результатов выполненных исследования разработан способ литья склонных к пленсобразованин сталей и выработаны требования к технологическим параметрам литья, обеспечивающие получение качественных литых заготовок деталей грузозахватных устройств специальных кранов, удовлетворяющие эксплуатационным ,требованиям.

Лапы рекомендации и разработана методика, по применению технологии литья с вибрационным воздействием на расплав при заполнении литейной фермы и с предварительной виброобработкой в промежуточной емкости.

Рекомендации и методика работы испытаны при опытно-промышленном опробовании способа литья с вибрационным "воздействием на опытном заводе "КИСТА".

А П Р О Б А Ц И Я РАБОТЫ

По основным раздела).! работы сделаны доклады на научно-техническом- семинаре "Обмен опытом по новей технике и технологии з литейном производстве" Алма-Атинского правления НТО машиностроительной промышленности в г.Алма-Ате в 1985г., на научных семинарах кафедры "Марины и автоматизация литейного производства" МГТУ им. Баумана в 1989г. , на семинаре клфкдры "Технология машиностроения" КлзПТ.! им. Б. П. Ленина в 1989г. , на Республиканской научно-технической конфоренцнн "Актуальные проблемы машиностроения Казахстана на этапе пореотр oniui" в г. Павлодаре в 1989г. , на научно-технической конференции преподавателей и сотрудников АлИПТа и на научных семинарах кафедры "Подгемно-транопортные машины и гидравлика" Казахского национального технического университета 1993 , 1994 гг. Г1 У Б Л И К А Ц И И

По теме дпссертаху.и получено авторское свидетельство и опубликованы Б статей.

О Б Ъ Е М И OTP У К ТУР А Л И С С Е Р Т А Ц И И

Работа со"»оит из введения,вести глав,основных результатов и выводов,списка литературы из наименований. 0С::;лй объем диссертации содержит страниц и включает 34 рисунка, $ таблиц.

- Б -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ю ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертации,нала ганттся основные задачи и краткое содержание работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАЕЕ даны характеристика условий эксплуатации специальных металлургических краноЕ,требования,предъявляемые к грузо захватным устройствам металлургических кранов,оценка технико-экономической эффективности применяемых материалов, анализ брака от-лпзок из стали 12Х18Н9ТЛ на ведущих предприятиях СНГ.

Развитию специальных кранов способствовали работы ученых кафед1 подъемно-транспортных мадшн ЮТУ им. К Э. Баумана, Ленинградского, Харьковского, Уральского, Казахского технических университетов, БИИЗЯТГмап и ВНИИстройдорммаш. Значительный вклад в теорию специальных кранов внесли Л. Г. Кпфер, К. И. Абрамович, А. II Дукельсклй, ÏLIL Гохберг, Г. II Николаевский, LL Е Александров, П. 3. Петров, С. А. Казак, В. О. Гайдамака и др.

По классификации Госгортехнадэора металлургические (специальные) краны эксплуатируются е режмах "тяжелых" и "весьма тяжелых". Транспортирование различных грузов выполняется в технологическое потоке в напряженном темпе. Нагрузки, возникаете в процессе работы, чацэ всего оказываются максимальными для рабочего состояния крана. Грузозахватные устройства выходят из строя из-за того, чтс при работе крана они плотно соприкасаются с раскаленным слиткои металла. Применение легированных сталей является одним из путей увеличения надежности, долговечности деталей и снижения их массы. Так,по данным ученых кафедры " ПТЫ " Уральского технического университета,стойкость (длительность работы без ремонта) грузозахватных устройств,изготовленных из легированных сталей,достигает 4 месяца,а изготовленных из углеродистых сталей - менее одного месяца, но высокая стоимость легированных сталей сдерживает их применение.

Исследование конструктивно-технологических характеристик номенклатуры стальных деталей (19 тыс. наименований),выполненное Одесским научно-исследовательским институтом специальных способов литья,показало,что в среднем по станкостроению отходы металла при изготовлении деталей из отливок, сварных конструкций,штамповок, проката находятся в соотношении 1 : 2,7 : 3,7 : 4,3 .Замена механической обработки деталей,полученных из проката, на механическую обработку деталей,получаемых литьем,обеспечивает увеличение коэффициента использования металла (КЛМ) с 0,27. ..0,54 до 0,65...0.85

i сокращение суммарных затрат по механической обработке стальных деталей в 2. ..3,5 раза.

Таким образом, применение отливок, удовлетворяющих по качеству и техническим условиям эксплуатации,для деталей машин сокращает тех-юлогические затраты по их изготовлению,что позволяет применять зысоколегированные стали.

Применение перспективных сплавов, таких как сталь 12Х18ЮТЛ 13-эа низких литейных свойств,приводящих к неисправимым дефектам этливок в виде спаев, затруднительно. Так,изучение автором литых заготовок на Ibipropoдеком, Благовещенском арматурных заводах, Ю"Уралхиммаа"покааало, что основной причиной не исправимого брака ?вляется спай (рис.1). Кроме того, экономичный способ литья в лесчаные формы не обеспечивает необходимые механические характеристики отливок.

1 | 527. П 1 1 1 1 1 i

1 1 1 1 1 1- 1 1 1 1 1 I 15% |

1 их 1- Ч их | 47. 1 1

i 1 1 | 7Z I 1 ...»— 1- i Ч 1 | 1

1 2 3 4 5 6

Рис.1. Распределение неисправимого брака литых заготовок из стали 12Х18Н9ТЛ по дефектам: 1-спай; 2-газоусадочные дефекты; 3-засор; 4-залив по стержням и по разъему формы; 5-трещины; 6-другие дефекты.

Поэтому задача получения качественных литых заготозок деталей грузозахватных устройств специальных Краков с повкаанньья мехгк::-

ческлми характеристиками является актуальной. Таким образом:

- детали грузозахватных устройств металлургических кранов работает при экстремальных температурно-силовых воздействиях: температурах 1073... 1523°К и предельны:'.' технологических нагрузках;

- сталь Ст. 3, которая находит широкое применение в деталях и узлах грузозахватных устройств по своим механическим свойствам не вполне соответствует условиям эксплуатации;

- сталь 12X18НЭТ обладает высокими механическими свойствами,жаростойкостью при 1073... 1523°К ,но в то же время высокая стоимость сдерживает ее применение;

- применение литья в песчаные формы - экономически эффективного способа получения заготовок для деталей грузозахватных устройств, затруднительно из-за низких литейных свойств стали 12Х13НЭТЛ, что приводит к литейным неисправимым дефектам и пониженны).! механическим "свойствам отливок;

- преобладающим видом литейного дефекта,вызывающего неисправимый Срак отливок из стали 12Х18ЮТЛ, является спай;

- распространенность литейных дефектов связана с режимом заполнения формы: необходимо на основе тепловых и термодинамических расчетов, с учетом литейных свойств стали 12Х18РЛ)ТЛ, определить оптимальные значения технологических параметров литья;

- для определения оптимальных технологических параметров необходимо установить взаимосвязь между литейными дефектами и технологическими параметрами.

ЕО ВТОРОП ГЛАВЕ приведены свойства стали 12Х18Н9ТЛ и особенности технологии ее литья.

Сталь 12Х18ШТЛ аустенитного класса,обладающая максимальной коррозионной стойкостью и наведшая широте распространение в энергомашиностроении, а также в нефтяном и химическом машиностроении, имеет целый ряд особенностей.

¡Известно, что по сравнению'с углеродистой сталью сталь 12Х18ШТЛ обладает меньшей теплопроводностью, более высокой теплотой кристаллизации и свободной линейной усадкой, что способствует тре-щшюобразованию,формированию грубой структуры при затвердевании -транскристаллизации, проявлению газоусадочных дефектов. Наличие легкоокисляемых элементов Сг,Т1,А1,31,Мп обуславливает склонность стали к пленообразованию,повышенную вязкость расплава из-за загрязнения неметаллическими включениями и, как следствие, ухудшенную жидкотекучесть.

Вышеперечисленные особенности стали 12Х18НЭГЛ предъявляют специальные требования к технологии литья. Высокий перегрев над линией ликвидуса при заливке малоуглеродистой высоколегированной стали 12Х18НЭТЛ (150.2000 ) в сравнении с малоуглеродистой ЮЛ (70. ..120° ) вызван тем,что он уменьшает вероятность, появления неисправимых литейных дефектов - спаев. Однако, с повышением температуры перегрева стали при заливке возрастает:

- склоность стали к образованию горячих трещин из-за формирования крупнозернистой структуры,а значит уменьшения общей поверхности межкристаллитных связей, из-за развития ликвационных процессов и выделения ликватсз по границам зерен, что ослабляет межзеренную связь;

- вероятность возникновения газоусадочных дефектов в литых заготовках из-за уменьшения концентрации объемной усадки,снижения эффективности работы прибылей и увеличения дефицита'питания;

- вероятность появления химического пригара.

Для достижения поставленной цели - повышения механических характеристик деталей грузозахватных устройств специальных кранов из нержавеющей стали; типа 12Х18Н9ТЛ,необходимо провести тепловой и термодинамический анализ условий заполнения расплавом литейной формы.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ выполнен тепловой и термодинамический анализ формирования литейных дефектов при заполнении песчаных форм сталью 12Х18Н9ТЛ

Установлена-зависимость между технологическими параметрами,, .конструктивными размерами отливок, позволяющая определить оптимальны»: значения параметров, гарантирующих получение литых заготовок деталей без спаев и химического пригара.

Разработан комплекс программ для расчета на ЭВМ литниковопитаю-иих систем при литье стали 12Х13НЭТЛ в песчаные формы.

1й1крсаналиэ переходной зоны металл-пригар на электроннозондовом анализаторе "Superprobe 733" показал,что металл в переходной зоне обогащен кремнием. Из термодинамического анализа равновесия реакций следует, что только железо может вытеснять кремний из песчаной формы. Температура начала реакций вытеснения железом кремния зависит от активности кислорода и содержания кремния в стали. Эта температура названа "температурным порогом" пригара. Если поверхность формы не успевает за время эалиаки прогреться выше "темпера-

- 10 -

турного порога" пригара,химический пригар не образуется.

Причиной появления спаев на литых заготовках являются окисные плены. По мере заполнения формы при завороте затвердевающей корочки расплава,тугоплавкие окислы хрома и титана,присутствующие в пленах,не позволяют свариваться спаям,как это происходит в углеродистых сталях,образуя неисправимые дефекты на литых заготовках.

Для решения системы уравнений охлаждения расплава, заполняющего литейную форму, приняты следующие допущения:

- охлаждение жидкого металла в форме и затвердевание отливки рассматривается независимо друг от друга;

- форма на всю толщину за время -заливки прогреться не успевает (литая заготовка - плоское полубесконечное тело);

- распределение температуры по сечению принимается линейное;

- градиент температур по сечению потока расплава равен нулю;

- рост твердой корочки рассматривается как результат двух процессов: роста к оплавления.

Для определения основных'параметров литья автором получена зависимость

I V

« Л- Ъ-т*.

С / т, - Тл

(1)

где Ь - максимальный габаритный размер отливки, м; V - скорость заполнения литейной формы, м/с; - коэфициент теплопередачи между формой и расплавом, Вт/мгград; С - теплоемкость стали, Дж/кг град; $ - плотность стали, кг/м4; Тг - начальная температура формы, град; Тл - температура ликвидуса стали, град; Т, - температура заливки, град; К - приведенная толщина стенки отливки, м; у - коэффициент теплопереноса вдоль потока расплава, м /с.

Уравнению (1) при 1-/1? равном 20;40;60 на рис.2 соответствуют кривые 1;2;3, ограничивающие значения температуры заливки при заданных скоростях заполнения шлейной формы расплавом таким образом, что температура головной части расплава при заполнении литейной формы не снижается ниже температуры ликвидуса, когда образу-

ется твердая корочка и возможно образование спая.

1600

5

10 15 20 25

30

35 40 45

50 55 \Г , мм/с

Рис. 2. Область допусти!.™ значений технологических параметров

Основным способом устранения брака отливок по спаям является повышение температуры расплава при заливке,а также увеличение скорости заполнения расплавом формы.

Повышение температуры с-вязако с увеличением газоусадочных дефектов и трещин на литых заготовках. Кроме того,температура,поступающего в литейную.форму расплава,не должка превышать."температурный порог" химического пригара (рис: 2,прямая 4).

Скорость подъема расплава в форме определяется конструктивными размерами литниковой системы,ее минимальным сечением - дросселем. При свободной заливке скорость подъема расплала моиет достигать 50 мм/сек(рис. 2,прямая 5).

Кривые 1;2;3 и прямые 4 и 5 на рис.2 ограничивают область допустимых значений технологических параметров, зависящую от конструктивных размеров литой заготовки.

Литая заготовка может иметь критические размеры: при откосен;::!

максимального габаритного размера к приведенной толщине стенки -литой заготовки,равном более 60,получить литую заготовку без' дефектов в виде спаев и пригара без дополнительных технологических приемов затруднительно. Для таких литых заготовок необходим поиск дополнительных технологических приемов.

Е ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены данные об эффективности динамического воздействия на расплав,результаты гидромоделирования воздействия низкочастотной вибрации на расплав..

Самым гажным физическим эффектом,проявляющимся при мощных дина- . ыических воздействиях на расплав, исследователи отмечают кавитаци» - образование полостей в.капельной жидкости под действием растягивающих усилий,создаваемых звуковой волной в течение полупериода разряжения и схлопывающихся под действием сжимающих усилий в полупериод сжатия с образованием ударных волн в жидкости.

Возникновение кавитации в расплаве при низкочастотной вибрации впервые установлено в КазНТУ. Кавитационные явления е'расплаве,как и в других жидкостях, могут возникнуть, если давление в нем в процессе воздействия низкочастотной вибрации превышает определенную, характерную для Данного вещества, величину.

Динамическое воздействие на жидкий металл при литье позволяет влиять на макро- и микроструктуру металла, улучшать пластические свойства с одновременным повышением прочностных свойств, осуществлять дегазацию и рафинирование расплавов, повышать плотность, уменьшать ликвацию . сплавов, предупреждать транскристаллизацию сплавов.

Сталь 12Х18ЮТЛ,как правило .заливают в литейную форму сифонным способом. Скорость подъема зеркала металла при заполнении Форш свободной заливкой находится в интервале 5...50 мм/с. При воз-• действии низкочастотной вибрацией с частотой 20... 120Гц, уровень расплава е форме успевает излениться за один период колебания не более чем ка 0,25.ч-м. Исходя из этого, воздействие низкочастотной вибрации на к£и*ус$1йся расплав через литейную форму рассматривается как воздействие на кзподпкетьЛ столб падкости различной высоты.

Основная задача гидромоделиравания заключалась в выборе параметров низкочастотной вибрациин, определяющих реяим ¿кброкзаита-ции,а также в определении значений этих параметров для реальной стали 12Х18НЭТЛ, используя критерии подобия. В качестве моделирующей жидкости била выбрела вода.

При гидромоделировании использовался вибрационный электродинамический стенд ВЭДС -400, с помощью второго в интервале частот 20... 120 Гц воспроизведено виброускорение с амплитудой до 400 м/с?

Емкость с водой помещали на вибростол стенда и закрепляли специальным приспособлением. На водяной мениск помешали тонкий слой крася'шэй жидкости, что позволило обнаружить массообмен между мениском и основной массой жидкости при виброскорости не менее 0,16 м/с. Визуально движение жидкости наблюдали по частицам полистироловой дроби-фракции 1...2 мм с плотностью 0,98. ..1,0 г/см^ добавленной в воду.

Контроль воздействия вибрации осуществлялся визуально и фиксировалось изменение акустического шума пьезоэлектрическим датчиком виброускорений, сигнал от которого выводился на осциллограф С1-83.

ВрасплаЕе.на который воздействует низкочастотная вибрация, проявляется действие силы инерции, тяжести, поверхностного натяжения и вязкого трения. Для подобия четырех сил необходимо равенство трех критериев подобия,определяющих соотношение этих сил: Фруда Fr, Вебера We, Рейнольдса Re.

В вибрационной форме критерии подобия изиеют вид: .

где А - амплитуда зиброзоздействия, м;

d - частота, Гц;

¿ - поверхностное натяжение, Н/м;

11 - кинематическая вязкость, м2/с;

<} - ускорение свободного падения, м/сг;

1 - характерный размер центров зарождения кавитации, и.

Полное подобие сил модели и рояльного расплава выполнить невозможно. 0гран:гтааась подсбиэм сил по Вгберу, значекиэ виброскорости при воаникнсяончи ¡^взгг-'лц'.ш в расклаве стали 12Х18НЭТЛ оценено как

И, ■ и),

■А2-*>2)м/с. (sj

В уравнении (5) параметры с индексом "1" откосятся к реальному

- 14 -

расплаву, а с индексом "2" - к моделирующей жидкости.

В результате проведенных автором исследований установлено, ото:

- наиболее удобным параметром,характеризующим воздействие низкочастотной вибрации на жидкость является виброскорость, так как она позволяет классифицировать режимы вибровоздействия:

- выявлены четыре области режимов низкочастотной вибрации, характеризуемых соответствующими значениями параметра виброскорости: движение жидкости как твердого тела без образования поверхностных волн; появление на поверхности жидкости поверхностных волн, аналогом этих режимов является ламинарное движение в потоке жидкости; интенсивное волнение на поверхности жидкости с возникновением кумулятивных струек, вызывающих микро- и макропотоки в основной жидкости, появление кавитационных процессов, аналогом является развитое турбулентное движение жидкости в потоке; исчезновение границы раздела между жидкостью и воздухом, интенсивное протекание кавитационных процессов;

- с точки зрения максимального теплового и механического воздействия низкочастотной вибрации на твердую корочку предпочтительны режимы,относящиеся к третьей области и прилегающие к границе с четвертой',

- исходя из теории подобия,значение виброскорости для кавитационных режимов воздействия низкочастотной вибрации на расплав стали 12Х18ЮТЛ должно быть в 1,5 раза выше, чем для воды.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ дано теоретическое исследование воздействия низкочастотной вибрации на расплав, приведены расчетные схемы, теоретически обосновано применение параметра виброскорости, определены режимы вибровоздействия.

При составлении расчетной схемы были приняты следующие допущения:

- время заполнения полости литейной формы расплавом во много раз превышает период колебаний;

- низкочастотная вибрация передается на расплав через литейную форму;

- в потоке расплава выделяется невязкое сжимаемое ядро и вязкий сжимаемый акустический пограничный слой;

- толщина пограничного слоя равна

£= № ; У

- плотность и скорость звука вследствие малой сжимаемости расплава считаем постоянным». При вышеперечисленных допущениях реальный процесс заполнения полости литейной формы представим схемой: вибрация воздействует на столб расплава, ограниченного стенками, роль которых играет акустический пограничный сдой. Уравнения неразрывности и количества движений примут вид:

.2 длГ ^ _

0 ■а' - О

1 лк л:

¿х. ^

где у - давление, Н/м*;

Т ~ время, с;

а - скорость распространения упругой волны, м/с;

V - скорость расплава, м/с;

х - координата, м .

ц7 к, о) - 0 )

С начальными условия»«!:

/

<(

и с граничными условиями: , ,, ,

V (3)

и ( О) ъ) - А Jw1 ^ с

Скорость распространения упругой волны определялась из условия

совместной деформации стенки (пограничного слоя) и основного ядра

жидкости: ________

, £ й

а =

\ (ю)

Здесь Е и 0 соответственно модуль упругости и ширина столба жидкости. м. Система равнений решалась графическим методом характеристик. Расчет псказал.что основными параметрами,определяющими режим виброкавитации, является высота столба жидкости Н и величина

вчбрсскорости.

П случае ^

возникают гезснансные явления.

Анализ изменения виброскорости по высоте столба жидкости показал неравномерное распределение кинетической и потенциальной энергии. По мере удаления от основания столба жидкости кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная - уменьшается.

Е предварительных экспериментах было обнаружено явление "вибросмачиваемости" , в результате чего изменяется форма мениска головкой части потока расплава с выпуклого на вогнутый. Так как на литейную форму воздействует низкочастотная вибрация, то система отсчета ,свкз1шная с ней, является не инерциальной. При анализе физических явлений в этой системе отсчета необходимо учитывать инерционные силы вибрации. Действие этих сил вызывает изменение формы мениска головной части потока расплава. Воздействие колебаний на мениск расплзза можно представить как воздействие колебаний на маятник, находящийся около верхнего положения равновесия, роль которого играет либо прилегающий к линии мениска слой расплава,либо растущая по линии мениска корочка.расплава.

Это известная задача о равновесии маятника с вертикально вибрирующей осью подвеса. За приведенную длину этого маятника принимаем высоту мениска, равную:

, м. Ц2)

Дифференциальное уравнение движения'такого маятника имеет вид

3 £ «■ т у ■ С ¿ш У + Р(Ч>; С ¿И 0 , {\1)

где ^ - момент инерции, кг-м-7;

м - масса маятника, кг;

V - угол отклонения от равновесия, рад;

- вибрационная сила, Н.

Уравнение (б) отличается от классического уравнения колебания маятника тем, что око составлено для системы отсчета, связанной с колеблющейся осью и, следовательно, помимо момента от силы тя-кеста, действующей на маятник, дополнительно учитывает момент, возникающий от воздействия вибрационной силы. Вибрационная сила определялась по методу разделения быстрых и медленных движений.

Условие устойчивого равновесия маятника в верхней точке примет

М' * I , «V

откуда после подстановки (12) в (14) получаем для впброскорости:

(/-г;

Явление "вибросмачиваемости" проявляется при ЕиброЕОЗдействш с виброскоростыо, превышающей некоторое минимальное значение, зависящее от физических свойств расплава: поверхностного натяжения и плотности. Для стали 12Х18Н9ТЛ минимальное значение виброскорости равно 0,356 м/с.

ПЕСТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальной апробации теоретических решений автора.

Для изучения влияния низкочастотной вибрации на формирование качества литой заготовки из стали 12Х18Н9ТЛ использовали специально изготовленный вибростенд,работающий с частотой 20. ..120 Гц. Вибростенд позволял за счет регулировки дебалансного вибратора и варьирования плит различной массы возбуждать колебания с амплитудой 0,3... 3,0 мм.

Сравнительный анализ показал,что плотность образцов из литых заготовок, полученных при воздействии виброобработки, равна 7,85... 7,88 г/см-5, а плотность образцов из литых заготовок,полученных без- виброобработки,равна 7,63 г/см , то есть Еыше примерно на 37. .

В табл. 1 приведены механические характеристики сталей согласно ГОСТ, а также стали 12Х18Н9ТЛ, полученной без и с виброобработкой. В результате проведенных испытаний установлено, что при акброобра-ботке механические характеристики повышаются в. среднем на 20... 257., приближаясь к значениям, предъявляемым к поковка»-;, что позволяет в качестве заготовок деталей грузозахватных устройств применять отливки из стали 12Х18Н9ТЛ.

В табл. 2 приведены значения механических свойств для литого металла (в знаменателе-после термообработкой) после виброобработки в промежуточной емкости плавка 1 и в литейной форме плавки 2 и 3.

Технико-экономический расчет показал, что использование поковок из стали 12X18НЭТ для деталей грузозахватных устройств специальных кранов экономически невыгодно (рис.3)

Таблица 1

Свойства поковок из Ст. 3 и 12Х18ШТ и отливок из 12Х18НЭТЛ

| параметры 1 1 1 1 1 ¿t 1 i i 1 V 1 1 I KCV | 1 1

| материал ЫПа | * 1 1 | НЦж/м2 | 1 |

| Ст. 3 I 240 i 1 I 400 | 1 i 23 1 1 — 1 1 1 1 1,40 | 1 1

| 12Х18Н9Т | 220 1 1 I 550 1 1 I 40 1 I 55 1 1 1 1 2,60 | 1 i

| 12Х18НЭТЛ I 200 1 1 I 450 | 1 I 25 1 | 32 i 1 1 1 0,60 1 1 1

112Х18НЭТЛ без вибр | 240 1 1 | 480 ! 40 I 33 1 1 1 1 1,60 I

Ц2Х18ЮТЛ с вибр | 310 1 1 .1 560 | I 1 55 1 I 55 "Г 1 1 2,37 1 1 1

Влияние виброобработки на механические Таблица 2 свойства стали 12Х18ЮТЛ

1 I 1 | И" | № | |плавки ¡образца| 1 1 1 МПа 1 <Г ' , 1 1 Ida | X | 1 i 7. KCV ЫДх/м2 1 виброско-I рость,м/с1

1 1 1 tl 111 1 2 |1| 1 3 |1| ! 1 1 240 285/240 250 1 1 450 1 38 1 460/480|30/40| 455 | 32 | 40 42/38 45 0,96 1,20/1,60 1,03 1 1 о I 1

1 1 1 1 !2| I 1 1 3 1 1 | 4 | 1 1 i 320 ■ 310 330 1 1 520 | 38 | 490 1 40 | 510 | 42 | I I 63 70 60 2,00 2,30 2,23 1 1 0,628 1 1

1 1 1 1 1 2 | 1 2 | 3 | 1 | 4 | 1 1 i 340 345/310 335 1 1 530 1 43 | 545/560|48/55| 540 | 41 | 54 62/56 52 1,95 2,10/2,37 2,00 1 1 0,628 | 1

1 1 1 1 | 2 | 13 | 3 | 1 | 4 | i . i, , i 310 310 315 1 1 530 | 49 | 505 | 41 | 515 | 43 | .j i 60 65 64 2,11 2,32 2,13 ■ 1 1 0,590 | 1 | |

Получение заготовок литьем в песчаные формы при виброобработке, обеспечивающей Еысокие механические характеристики, поаволлет при замене поковок из стали Ст. 3 на отливки ire 12Х18НЭТЛ за счет более длительного срока службы последних подучить прибыль через четыре месяца эксплуатации.

усл. денежн. ед.

и__i__j_i_i_i, i .__i_i . i

0123456789 10

срок службы-месяцы

Рис.3. График зависимости затрачиваемых условных денелных средств от с poica службы деталей грузозахватных устройств специальных кранов,изготовленных из поковок и отливок: 1- поковка 12Х18Н9Т|2- отливка 12Х18Н9ТЛ; 3 - поковка Ст. 3.

Результаты проведенных экспериментальных исследований' показали,

что:

- параметром, характеризующим влияние низкочастотной вибрации на спаеобразование литых заготовок из стали 12Х18ШТЛ является виброскорость;

- вибровоздействие на жидкий металл яри заполнении литейной формы с виброскоростью не менее 0,6 м/с устраняет неисправимые литейные дефекты в виде спаев;

- вибровоздействие с виброскорсстыо 0,6 м/с приводит к увеличению плотности отливок в среднем на 2,5. ..3,0 Z :

- при виброобработке формируется сосредоточенная усадочная раковина, которая увеличивает выход годного металла на 20... 30% ;

- распределение неметаллических включений в литых заготовках после Еиброобработки более равномерное, чем без нее. При этом размеры самих включений меньше за счет разрушений глобулей и пленок;

- воздействие низкочастотной вибрацией повышает механические свойства стали за счет уменьшения размеров зерен, увеличения плотности, а также более равномерного распределения неметаллических включений по увеличенной межзеренной поверхности;

- стойкость против межкристаллитной коррозии возрастает в среднем на 20?. за счет более равномерного распределения неметалличеосих включений по границам зерен, их измельчения и увеличения площади соприкосновения их границ;

- эффективность применения низкочастотной вибрации сохраняется при виброобработке в промежуточной емкости. Происходит повышение плотности отливок, увеличение объема ьихода годного металла, повышение механических свойств;

- применение виброобработки в промежуточной емкости позволяет получить крупногабаритные отливки.

ОСНОВНЫЕ ЕЫЗОДЫ

1. Разработан новый способ литья высоколегированных сталей. типа 12Х18К9ТЛ, склонных к пленообразсванию, защищенный авторским свидетельством (АС N1560339,СССР).

2. Установлена зависимость между технологическими параметрами, позволяющая определить необходимую температуру металла перед заливкой и скорость заполнения расплавом полости литейной формы,а также рассчитать конструктивные параметры литниково-питающей системы, гарантирующие получение литых заготовок без' дефектов е виде спаев и химического пригара.

3. Предложен критерий для оценки вероятности появления на литых заготовках неисправимых дефектов в виде спаев, равный отношению максимального габаритного размера литой заготовки к ее приведенной толщине. Показано,что для предотвращения литейных дефектов в виде спаев и пригара при значениях критерия более 60 необходимо предусматривать дополнительные технологические приемы.

4. Разработан комплекс программ для расчета на ЭВМ оптимальных литниково-питающих систем для литья стали 12Х18К5ТЛ в песчаные Форш.

5. Установлено явление "вибросмачиваемости" расплавом литейной формы при воздействии на расплав низкочастотной вибрацией, что устраняет литейные дефекты в виде спаев.

S. Определено,что "вибросмачиваемость" для стали 12Х18Н9ТЛ проявляется при значениях виброскорости более 0,4 м/с.

7. Показано,что условием,необходимым для устранения дефектов в виде спаев и повышения механических характеристик литых заготовок из стали 12Х18Н9ТЛ является наложение на расплав, при заполнении литейнной формы, вибрационного поля с частотой 20. ..120 Гц и с "пороговой" плотностью энергии,определяемой амплитудой виброскорости разной 0,8 м/с, что вызывает в расплаве кавитационные явления.

8. Вибровоздействие на жидкий расплав с виброскоростью 0,6 м/с увеличивает плотность литых заготовок деталей грузозахватных устройств специальных кранов на 2,5. ..ЗХ .способствует формированию сосредоточенной усадки, что приводит к увеличению выхода годного металла на 20... 30£

9. При виброобработке механические характеристики литых заготовок деталей грузозахвтных устройств специальных кранов повышаются на 20... 257., приближаясь к значениям, предъявляемым к поковкам.

0. Замена поковок для деталей грузозахватных устройств специальных кранов из Ст. 3 на отливки из стали 12Х18Н9ТЛ через четыре месяца начинает приносить прибыль.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Крутлов С. В. ,Ураэбаев Б. К Расчет литниково-питающих систем для отливок,получаемых в оболочковых формах. //Литейное производство, 1988г. N110 с 21-22.

2. Круглов С. В. ,Уразбаев Б. К. Литье стали 12Х18Н9ТЛ в оболочковые формы.//Литейное производство,1991г. N5 с 12-13.

3. Круглов С. В. Уразбаев Б. К. Влияние технологических параметров литья в оболочковые формы на качество отливок из стали 12Х18Н9ТЛ. Сб. Актуальные проблемы машиностроения. Труды

республиканской конференции по проблемам машиностроения Казахстана на этапе перестройки 15-17 января 1989 г. с.129-130.

4. Круглов С. В. ,Уразбаев Б. К. Автоматизированный расчет оптимальных литниково-питаюших систем для отливок корпусов арматуры. Сб. Расчеты и проектирование транспортирующих и грузоподъемных машин. Межвузовский сборник научных трудов 1991 г. с. 94-101.

5. А. С. 1560389. СССР МКИ В 22 Б 27/08 Способ изготовления отли-бок из высоколегированных сталей,склонных к пленообразованюо / С. В. Круглов, В. К. Уразбаев, Г.О.Баландин, А. В. Иванайский, СССР.-N4315809/31-02; Заявл. 16.10.87

6. Круглов С. В. , Повышение механических свойств деталей грузозахватных устройств специальных кранов. Деп. 08.04.94 N 4761-К94 КазгосНКИТИ.

С.В.КРЖЛОЗШЦ "АрнаЯы крандардьщ жукт1 ус'тау куралдарц бялпкктершгц нег1зг1 мзханикалыц сипаттамаларын дэлелдеу" . тацырыбына арналган диссертациясыныц АННОТАЦИ Я С Ы .

Днссертацияда арнаЯы крандардыц жгкт1 устау ^урылгылары-I ниц бвллЕктер1 жасалатын дайындамаларыньщ мэханикалыц

^асиеттер1мен сапаларын лсогзрылату ма^сатымэн суЛьгк; болатца кавитация процес гн цамтамасыэдандыру ушн цорытпага удеиэл1 каркындалы^пен темой жи1Л1кт1 тербелу цозгалысымен эсер ету цажетт1л1г1 кврсет1лген.

Аннотация на диссертацию С. В. Круг лова "ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ГРУЗОЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ КРАНОВ".

В диссертации показано,что для повышения 'механических свойств и качества литых заготовок деталей грузозахватных устройств специальных кранов необходимо .воздействие на расплав стали низкочастотной вибрации с интенсивностью, обеспечивающей протекание в расплаве кавитационных процессов.

Annotation for the dissertation by S. Y. Kruglov "BASING OF PRINCIPAL MECHANICAL PROPERTIES OF DETAILS FOR TAKING LOADERS OF SPECIAL CRANES".

It was shown that for improving mechanical, properties and quality of casting details f.or taking- loaders of special cranes, liquid steel must be acted interis vibration of low frequency making cavitation process in liquid steel.

Подписано » печать 29.04.94, формат издания 60*841/ц, уч. изд. л. 0,96; Заг. 22, тир. 100. Тип. ТОО «Полиграф Л».