автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Повышение работоспособности подвижных канатов на основе применения калибрующего обжатия прядей

На правах рукописи

Лаптева Татьяна Александровна

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДВИЖНЫХ КАНАТОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ КАЛИБРУЮЩЕГО ОБЖАТИЯ ПРЯДЕЙ

Специальность 05.16.05 — Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005559079 Магнитогорск-20Н

005559079

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор

Харитонов Вениамин Александрович.

Официальные оппоненты: Трофимов Виктор Николаевич

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пермский

национальный исследовательский университет», профессор кафедры «Динамика и прочность машин»;

Пудов Евгений Андреевич кандидат технических наук, ОАО «Магнитогорский метизно -калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ», заместитель начальника исследовательского центра.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Иркутский государст-

венный технический университет» (г. Иркутск).

Защита состоится «23» декабря 2014 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте www.magtu.ru.

Автореферат разослан октября 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

ентин Николаевич Селиванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных условий эффективного развития метизного передела черной металлургии Российской Федерации является повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, обеспечение требуемого уровня качества с минимизацией затрат на ее производство. Стальные канаты двойной свивки являются одним из массовых видов металлопродукции с глубокой степенью обработки и высокой добавленной стоимостью. Среди них важное место занимают подвижные канаты, отличительной особенностью эксплуатации которых является то, что при постоянно действующих растягивающих и скручивающих нагрузках они многократно огибают блоки, шкивы, барабаны, принимая их кривизну, что требует, прежде всего, изгибной способности. Работоспособность подвижного каната определяется, прежде всего ресурсом прядей, который в свою очередь зависит от свойств проволоки, конструктивных и технологических параметров свивки, режимов силовой обработки. Наряду с преформацией, рихтовкой, вытяжкой (обтяжкой), механико-термической обработкой эффективным способом силовой обработки является пластическое обжатие прядей.

Предложенный В.А. Малиновским способ калибрующего обжатия прядей позволяет сформировать полосовой контакт проволок, обеспечить благоприятное напряженное состояние и высокую точность геометрических размеров пряди, следовательно, и каната. Однако, при этом в отличие от применяемого глубокого обжатия, в пряди сохраняется межпроволочный зазор, обеспечивающий свободное проскальзывание проволок при изгибе пряди на относительно малый радиус. Все это способствует повышению качества канатов.

Ввиду малой изученности, процесс калибрующего обжатия прядей не нашел практического применения. В связи с чем, исследование закономерностей развития деформации и разработка на основе полученных данных эффективных режимов калибрующих обжатий являются актуальными.

Степень разработанности

Результаты исследований внедрены в производство в виде технологических режимов обжатия прядей стальных канатов; подготовлено предложение на массовое применение калибрующих обжатий прядей при производстве подвижных канатов.

Цель работы: определение эффективных режимов калибрующего обжатия витых многослойных прядей в роликовой волоке.

Указанная цель реализуется путем решения следующих задач:

- уточнение методик расчета передачи давления внутрь пряди и ширины формируемой контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии;

- разработка методики выбора эффективного режима калибрующего обжатия многослойной пряди;

- экспериментальные исследования закономерностей изменения механических свойств проволок и прядей при радиальном пластическом обжатии в трехроликовой волоке;

- разработка модели и исследование процесса калибрующего обжатия витой многослойной пряди в среде «БЕРСЖМ-ЗО»;

- разработка рекомендаций по назначению режимов калибрующего обжатия многослойных прядей подвижных канатов.

Научная новизна работы:

- разработана методика выбора эффективного режима калибрующего обжатия многослойной пряди, включающая уточненные расчеты передаваемого внутрь пряди давления и ширины контакта между проволоками, отличающаяся применимостью к диапазону калибрующих обжатий с рассмотрением этапов деформации и позволяющая анализировать развитость контактных площадок проволок в зависимости от степени обжатия пряди;

- с применением конечно-элементного моделирования впервые выявлены закономерности деформации в процессе обжатия витой многослойной пряди: последовательное образование контактов от внешних слоев пряди к внутренним; образование арок в слоях пряди; резкий рост ширины появившегося контакта при практически неизменной величине обжатия; неодновременность образования контактов в слое пряди;

- с применением конечно-элементного моделирования впервые исследован характер распределения напряжений в пластически обжатой пряди: образование колец напряжений в проволоках; высокий уровень сжимающих напряжений на участках контакта; минимальные по величине растягивающие напряжения в подповерхностных зонах; максимальное упрочнение верхнего контакта внешней проволоки пряди;

- предложен способ оценки степени деформации пряди, учитывающий конструкцию обжимаемой пряди.

Теоретическая значимость работы:

- в методику расчета распределения обжатий по сечению пряди введена система коэффициентов, которая позволяет расширить область применения методики и повысить точность расчетов;

- в методике расчета геометрии контакта проволок определено увеличение ширины контакта за счет смещения металла из приконтактных областей;

- уточнена классификация способов пластического обжатия многослойных прядей для диапазона обжатий от конструктивного до полного заполнения сечения металлом, позволяющая учитывать конструкцию деформируемой пряди;

- с применением программного комплекса «БЕРСЖМ-ЗО решена задача пластического обжатия витой многослойной пряди.

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчета, позволяющая выбирать эффективные режимы калибрующего обжатия прядей подвижных канатов в роликовых волоках с системой калибров «круг — круг», принятая к использованию на ОАО «Белорецкий металлургический комбинат»;

- в соответствии с ТУ 14-173-043-2009 изготовлен канат диаметром 21,5 мм конструкции 6х26(1+5+5/5+10)+ЮС из калиброванных прядей, отличающихся гибкостью, плотностью свивки, качеством поверхности и благоприятной геометрией контакта проволок;

- показана целесообразность применения роликовых волок для уплотнения и обжатия прядей, традиционных плашек - для формирования прядей;

- результаты диссертационных исследований использованы в учебном процессе при подготовке методических указаний, дипломных работ и проектов на кафедре «Металлургии и стандартизации» ФГБОУ ВПО «Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова» в филиале в г. Белорецке.

Методология и методы исследований

Для решения задач определения физико-механических свойств проволок и прядей использованы стандартные методики. Исследования микротвердости образцов проволок проводились с помощью микротвердомера. Анализ напряжённо-деформированного состояния пряди и ее элементов проводился с использованием программного комплекса «DEFORM-3D» (лицензия: Machine 38808). Опытно-промышленные испытания проведены в условиях действующего производства на оборудовании ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (г. Белорецк).

Положения, выносимые на защиту:

- уточненная методика расчета распределения обжатий по сечению многослойной пряди;

- уточненная методика расчета ширины межпроволочного контакта при калибрующем обжатии многослойной пряди;

- методика выбора эффективного режима калибрующего обжатия пряди;

- классификация способов пластического обжатия многослойных прядей в интервале обжатий от конструктивного до полного заполнения сечения прядей металлом;

- решение задачи по моделированию обжатия витой многослойной пряди в программе «DEFORM-3D»;

- режимы калибрующего обжатия прядей подвижных канатов в условиях ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (г. Белорецк).

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены большим объемом выполненных экспериментов с использованием стандартных методов исследования физико-механических свойств проволок и прядей, использованием программного комплекса «DEFORM-3D» (лицензия: Machine 38808), использованием статистических

методов анализа данных результатов исследований. Выводы основаны на современных достижениях теории свивки и пластического деформирования прядей, не противоречат ее положениям и данным других исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: 68-72-й научно-технических конференциях МГТУ (г. Белорецк, г. Магнитогорск, 2010-2014 гг.); восьмом конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 11-15 октября 2010 г.); всероссийской научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения — 2011» (г. Череповец, ноябрь 2011 г.), XI международной конференции исследователей стальных канатов (г. Одесса, май 2012 г.).

Публикации

Результаты работы отражены в монографии, 15-ти статьях, в т.ч. 3-х статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований. Общий объем диссертации 142 страницы машинописного текста, в том числе 59 рисунков, 7 таблиц и 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена цель работы и задачи исследований, показана её актуальность, теоретическая и практическая значимость, научная новизна, степень достоверности и разработанности.

В первой главе проведен анализ этапов развития и современного состояния технологии производства стальных канатов из пластически обжатых прядей. Наиболее простыми и распространенными способами обжатия стали: волочение в монолитной волоке, прокатка и протяжка в роликовых калибрах фасонного сечения - с возможностью деформирования прядей только в условиях глубоких обжатий. Суть данной операции сводится к уплотнению и последующему волочению исходной круглопроволочной пряди, уменьшению площади сечения пряди и ее преобразованию в прядепроволоку. При этом повышается прочность проволок, снижается уровень контактных и сбивочных напряжений. Одновременно происходит устранение технологического зазора, обеспечивающего способность каната к изгибу на относительно малый радиус, увеличение трения между проволоками, выдавливание антикоррозионной смазки из межпроволочного пространства.

Решением задач, связанных с расчетами энерго-силовых параметров обжатия прядей, а также формоизменением проволок при пластическом обжатии ранее занимались, однако, ориентируясь на глубокие обжатия прядей с

коэффициентом заполнения сечения металлом равным единице, промежуточные этапы (калибрующие обжатия) деформации не рассчитывались.

В.А. Малиновским предложен способ калибрующего обжатия прядей, при котором обеспечиваются: 1) точность изготовления канатов по диаметру, что необходимо для соответствующей укладки каната в ручьи шкивов при эксплуатации; 2) формирование полосового межпроволочного контакта, снижающего уровень контактных напряжений, приводящих к преждевременным обрывам проволок при эксплуатации каната. Предельным состоянием предложенного способа обработки является полное заполнение металлом межпроволочного зазора, что является принципиальным отличием калибрующего обжатия от аналогичных способов обработки.

Способ калибрующего обжатия, по сравнению с применяемым глубоким обжатием, способствует снижению энерго-силовых параметров и нагрузок на инструмент и оборудование, а также дает возможность использовать при обжатии систему калибров «круг - круг», упростив тем самым конструкцию инструмента и уменьшив количество деформирующих роликов, т.е процесс является ресурсосберегающим. Внедрение в производство калибрующего обжатия прядей не требует разработки и согласования новой нормативно -технической документации, что в сочетании с невысокими нагрузками на оборудование, значительно расширяет область применения калибрующего обжатия прядей при производстве канатов различного назначения.

Обосновано применение моделей расчета геометрии межпроволочного контакта, распределения деформаций по сечению пряди и необходимости программного моделирования процесса обжатия многослойной пряди в среде «ОЕРОКМ-ЗО». Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе предложен уточненный расчет распределения деформации по сечению пряди, включающий учет роста контактных площадок, в том числе под действием тангенциальной составляющей давления, а также системы коэффициентов передачи давления, рассчитываемых через угол наклона у контактных площадок (рисунок 1). В систему коэффициентов входят: Ст и Сы, характеризуют изменение радиальных напряжений в проволоке до и после обжатия; Сагн). Сь(и) характеризуют изменение радиальных напряжений между проволоками в слоях до и после деформации; Ы^.ц. определяет количество контактов между каждой проволокой_/-ого слоя с проволоками вышележащего ¡-го слоя. С учетом коэффициентов Сш, Сы, С(Ч) и Ы(ч) определяем давление Р, в у-о Г/ проволоке:

где к — количество верхних контактов ]-ой проволоки, Р, — общее давление в проволоках вышележащих слоев.

(1)

/=1

Рисунок 1 - Расчетная схема передачи давления внутрь пряди произвольной конструкции: Р - внешнее усилие; ТУ; -усилие, нормальное к площадке смятия двух проволок; - радиус окружности свивки; у- угол между радиусами, проведенными из центра пряди к центрам контактирующих проволок; а и р - углы между радиусами, проведенными из центра проволок к центру пряди и к центру контактной площадки; х, - величина обжатия /'-той проволоки радиусом ri

Расчет режимов калибрующего обжатия пряди проводится с использованием коэффициента приоритетности деформации Р„ри0р., показывающим соотношение развитости контактных площадок проволок от их напряженного состояния в данный момент. По разработанной методике произведен расчет передачи давления по сечению на примере пряди конструкции 1+5+5/5+10.

Предложены уточнения методики расчета ширины межпроволочного, межслойного и поверхностного контактов проволок многослойной пряди. При условии неполного обжатия пряди, необходимо учитывать влияние смещённого металла на увеличение ширины контакта, что позволит производить точную оценку развитости контактной поверхности f. Определяемое смещением металла из прилежащих областей увеличение ц ширины половины контактной поверхности fl2=fl2+q находим по формуле:

д = 1 + ^-28„т/аЬ, (2)

где I = л1аг +Ьг ; а = (г1-х1)соб(/1/2)-7-; ¿ = /-(/1-2-агс8т(//2т-))/2; Л-центрапьный угол проволоки, проведенный к центрами контактов с другими проволоками,/- ширина контакта проволок без учета площади смещенного металла.

Схема определения ширины межпроволочного контакта представлена на рисунке 2.

(стрелками показано направление смещения металла)

Ширину поверхностного контакта проволоки верхнего слоя пряди рассчитаем по формуле:

/,„ = Л'агсБШ у = Д'агсзт —, (3)

где Я' - радиус пряди.

Учет смещения начальной точки контакта по контуру проволоки произведем через изменение угла /?:

2 лг лг{1 + 5Н12(/?)) Данная схема расчета позволяет учесть влияние момента кручения на процесс деформации на основе корректировки направления роста контактных площадок и следующего из этого изменения распределения доли радиальных и тангенциальных напряжений.

Результаты расчетов уточненной ширины контакта проволок по предложенной методике, проведенные на примере пряди конструкции 1+5+5/5+10 показывают, что уточненная ширина контакта/* проволоки верхнего слоя пряди оказывается больше ширины контактной площадки /, рассчитываемой по известным методикам, на 23 %.

На основе уточненных методик расчета передачи давления внутрь пряди и ширины формируемой контактной поверхности проволок при калибрующем обжатии, разработана методика выбора эффективного режима калибрующего обжатия многослойной пряди. Показан характер деформации: сближение проволок к центру пряди, формоизменение проволок, последовательное образование контактов, заполнение межпроволочных пустот, образо-

вание арок — прочного свода проволок, появление каждого из которых приводит к принципиальной смене напряженного состояния пряди на этапах обжатия. Установлено, что до появления первой арки наиболее приоритетными деформированию являются проволоки внешнего слоя и центральная проволока. Напряженное состояние проволок арочного слоя временно не позволяет данному слою активно деформироваться. После формирования всех арок проволоки верхнего слоя снова становятся наиболее приоритетными деформированию. Центральная проволока перенапряжена на всех этапах обжатия.

Анализ процесса показал, что деформация не является постоянной и равномерной по сечению. Ею полностью охвачена прядь только при калибрующих обжатиях до образования первого контакта, далее на протяжении всего процесса формирования контактов, затухание деформации одного слоя сменяется затуханием деформации другого слоя, без промежуточной деформации всего сечения пряди. В рассматриваемой пряди конструкции 1+5+5/5+10 наиболее равномерная проработка и развитость контактов получены при обжатиях в диапазоне 3,74%<£К7,06%. При меньшей степени деформации слабо проработаны центральные слои, при больших деформациях обжатие получает в основном внешний слой и, в меньшей степени, второй слой. Массовое заполнение зазоров в рассматриваемой пряди конструкции 1+5+5/5+10 начинается при 2=7,06 %, что определяет последующую деформацию как нерациональную применительно для обжатия прядей канатов, работающих на изгиб.

Выделено пять этапов деформации пряди: на первом этапе резко увеличивается ширина межпроволочного контакта, деформация по сечению пряди здесь практически равномерна, вне зависимости от размера и положения проволок; на втором этапе проволоки 2^4 слоев пряди переходят в неблагоприятное напряженное состояние и при эксплуатации каната будут выходить из строя в первую очередь; на третьем этапе в слоях пряди образуются арки, формирование каждой из которых временно блокирует активное развитие данного слоя до реализации деформации в других слоях пряди; на четвертом этапе деформация всех контактов проволок протекает до стадии заполнения межпроволочных пустот, при которой становится приоритетной деформация удлинения; на пятом этапе плоская деформация переходит в объемную, прядь начинает деформироваться как монолит, что определяет переход к глубоким обжатиям.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по изменению физико - механических свойств и геометрии контактов проволок при назначении разных степеней пластического обжатия пряди.

Исследования проводились на прядях каната двойной свивки диаметром 21,5 мм конструкции 6х26(1+5+5/5+10)+ЮС, изготавливаемого в соответствии с ТУ 14-173-043-2009, для глубокого разведочного и эксплуатационного бурения. Свивка прядей диаметром 7,68 мм конструкции 1+5+5/5+10 с диаметрами проволок по слоям: 0,85-1,0-0,95/1,2-1,7 мм осуществлялась на

канатной машине 8\УМ 30x400 из канатной проволоки без покрытия с временным сопротивлением разрыву 1770 Н/мм2, с последующим пластическим обжатием и обработкой в рихтовальном приспособлении по принятому на предприятии режиму, что обеспечило идентичность исходного шага свивки и механических свойств проволок в каждом исследуемом образце пряди. Пряди деформировались с разной степенью обжатия в трехроликовой волоке с системой калибров «круг — круг».

От каждой пряди произведен отбор образцов на определение агрегатного разрывного усилия; проволоки испытаны на растяжение, относительное удлинение, число перегибов, скручиваний и микротвердость. Установлено, что при калибрующем обжатии пряди значимого изменения прочностных свойств проволок не происходит. Для повышения пластичности проволок каната, характеризующейся количеством скручиваний и перегибов, необходимо увеличить запас пластичности исходных проволок. Испытания проволок обжатых прядей на микротвердость показали неравномерность развития деформации при разных степенях обжатия пряди: первоначально интенсивно упрочняются проволоки верхних, а затем внутренних слоев. При обжатии пряди со степенью 0=4,6 % микротвердость одинаковая по всему сечению. Существенное различие имеется в упрочнении верхних и нижних контактов проволок: первоначально претерпевают большие деформации верхние контакты, потом более деформируются нижние контакты проволок.

Экспериментальное исследование развития контактной поверхности проволок показало увеличение ширины контакта на 64,5 % относительно первоначальной (образованной в процессе свивки в плашках) при степени линейного обжатия пряди в 0,8 %. Причем рост ширины межпроволочного контакта протекает наиболее интенсивно при калибрующих обжатиях, далее интенсивность роста контакта падает.

В процессе эксперимента выявлено образование ребристой поверхности пряди вследствие поворота проволок, что свидетельствует о неравномерности напряженного состояния пряди и уменьшает положительный эффект снижения концентраторов напряжений. Поворот проволок происходит тем больше, чем меньше степень обжатия пряди. Вероятная причина данного явления связана с релаксацией напряжений, как при обжатии, так и при последующей рихтовке. Управлять поворотом проволок предложено через регулирование степени обжатия пряди в сочетание с дополнительной силовой обработкой.

При глубоких пластических обжатиях наблюдался «врез» контактирующих проволок, что свидетельствует о возникновении «новых» межпроволочных концентраторов напряжений, а также затрудненном проскальзывании проволок относительно друг друга при изгибе каната. Для снижения контактных напряжений и сохранения гибкости прядей подвижных канатов, необходимо в процессе обжатия получить благоприятную геометрию контакта проволок (достаточная ширина, неискаженная форма и кривизна кон-

тактов), формирование которой экспериментально показано при калибрующих обжатиях 0=4,6 %.

Анализ геометрических особенностей формируемых контактов, а также результатов механических испытаний проволок позволил получить качественную оценку исследуемых прядей конструкции 1+5+5/5+10 обработанных с разной степенью пластического обжатия.

При обжатии со степенью 0,8 % прядь имеет хорошие показатели механических свойств и гибкости, косвенно характеризуемой наличием межпроволочного зазора, однако достаточно прорабатываются только приповерхностные слои, прядь приобретает ребристую поверхность с нежелательной формой и недостаточной шириной межпроволочного контакта.

Обжатие со степенью 2,1 % соответствует начальному уровню достаточной проработки пряди при сохранении гибкости, высоких показателях пластичности и перегибов, малом снижении прочности. Но при этом наблюдается значительный угол поворота проволок верхнего повива и не обеспечивается требуемая ширина межпроволочных контактов.

При обжатии со степенью 4,6 % прядь проработана, имеет малый угол поворота проволок верхнего повива, наиболее благоприятную форму контактов, характеризуется равномерным распределением микротвердости, максимальной пластичностью. Но при этом имеются незначительные потери прочности, количества скручиваний и перегибов проволок.

Обжатие со степенью 5,9 % приводит к сильно выраженной неравномерности напряженного состояния, неравномерному упрочнению боковых контактов, снижению гибкости пряди, существенным потерям прочности, количества перегибов и скручиваний. При этом форма боковых контактов сохраняется благоприятной, с низким углом поворота проволок, пластичность сохраняется на максимальном уровне.

Обжатие со степенью 8,4 % снижает гибкость пряди и приводит к потере прочности, пластичности, количества скручиваний и перегибов проволок, характеризуется неравномерным упрочнением боковых контактов, выраженной неблагоприятной формой контактов некоторых слоев. При этом сохраняется низкий угол поворота проволок верхнего повива.

Деформации со степенью 9,7 % характеризуются неравномерностью упрочнения боковых контактов, малой гибкостью пряди, неблагоприятной вогнутой формой контактов центральной проволоки, наибольшими потерями прочности, пластичности, количества перегибов, скручиваний. При этом сохраняется минимальный угол поворота проволок верхнего повива, повышаются продольная и поперечной жесткость, что обеспечивает стойкость канатов, применяемых в качестве вант, арматуры, грозозащитных тросов, к гидродинамическим нагрузкам, эоловой вибрации, пляске, голопированию.

Сравнительный анализ расчетных данных и экспериментов по деформации многослойной пряди конструкции 1+5+5/5+10 с разными степенями

обжатий показал адекватность методики выбора эффективных режимов калибрующего обжатия прядей.

В четвертой главе с применением комплекса «DEFORM-3D» смоделировано обжатие пряди конструкции 1+5+5/5+10 в трехроликовой волоке, имеющей следующие геометрические параметры: диаметр ролика D=150 мм; радиус ручья ролика R=3,65 мм; количество роликов п=3 шт.; межвалковый зазор а=0,25 мм. Также проведено моделирование обжатия двух проволок смежных слоев и проволоки верхнего слоя пряди.

Для создания соответствующего напряженного состояния при моделировании взаимодействий отдельных проволок использовались поверхности симметрии «Symmetry plane» и жесткие опоры.

Моделирование пряди производили на упруго-пластическом материале - высокоуглеродистой стали марки 70 (AISI-1070, COLD (20-500 °С)), с корректировкой кривой упрочнения до <тв=1770 МПа.

Результаты моделирования подтверждают, что каждая проволока претерпевает плоскую деформацию по типу осадки полосы бесконечной длины на многоконтактной основе, с наличием напряжений кручения в проволоках (преимущественно верхних слоев) возникших после их свивки в прядь. Моделирование калибрующих обжатий двух проволок смежных слоев пряди показало образование неискаженной формы контакта, не препятствующей свободному проскальзыванию проволок относительно друг друга при изгибе каната, а также благоприятной кривизны контакта проволок, не вызывающей рисков пояления новых концентраторов напряжений на границах контактов. Выявлена зависимость кривизны контакта от трех факторов: диаметров, прочности и напряженного состояния контатктирующих проволок. Моделирование обжатия проволоки верхнего слоя пряди показало влияние исходного положения точечного контакта проволок на направление роста контактной поверхности, что подтвердило расчетные данные.

Выявлен характер распределения напряжений в обжимаемой пряди: сжимающие напряжения преобладают на контактах проволок, а имеющие место растягивающие напряжения минимальны по величине и локализованы в подповерхностных зонах, что упрощает их снятие. Зоны всестороннего сжатия в приконтактных областях проволок обеспечивают повышенную пластичность и неразрушаемость металла в местах контакта. Максимальное упрочнение в проволоке верхнего слоя реализовано в приконтактной области верхнего контакта, что обеспечивает благоприятные условия сопротивляемости истиранию. В самих проволоках формируются кольца напряжений, препятствующие их деформированию. Таким образом, при калибрующем обжатии прядей, создаются предпосылки для увеличения выносливости подвижных канатов.

Отмечено, что на начальных этапах обжатия Q<0,2% (в зоне упругих деформаций), соответствующих деформации в обжимных плашках, в сечении витой пряди выявлено образование неравномерного напряженного состояния

с большой долей растягивающих напряжений, что снижает пластичность металла. Поэтому, выдвинуто предложение о применении традиционных обжимных плашек исключительно для формирования пряди, уплотнение и обжатие которой должно реализовываться в роликовой волоке.

Калибрующее обжатие прядей является эффективным, конкурентоспособным методом улучшения качества канатов, который при минимальных затратах улучшает напряженное состояние прядей, формирует благоприятные контактные условия, повышает точность изготовления прядей и канатов по диаметру. Калибрующее обжатие открывает перспективные направления в обработке металлического сердечника и каната в целом. Разработанная программная модель обжатия витой многослойной пряди является универсальной и позволяет проектировать эффективные режимы обработки, совершенствовать действующие технологии канатного производства, не прибегая к необходимости проведения промышленных экспериментов и громоздких расчетов.

На основе анализа результатов расчетов, данных моделирования и промышленных экспериментов, разработаны следующие рекомендации по изготовлению подвижных канатов из калиброванных прядей: 1. При поступлении в производственный отдел комбината заказа на изготовление по ГОСТ или ТУ подвижного каната двойной свивки, специалистами технического отдела, в соответствие с методикой выбора эффективного режима калибрующего обжатия многослойной пряди, производятся расчеты по определению: 1) распределения коэффициента давления по слоям пряди; 2) коэффициента приоритета деформации; 3) интенсивности роста площадок контакта; 4) изменения суммарной ширины площадок контакта проволок при их сближении к центру пряди. На основании расчетных данных, производится построение диаграммы суммарной ширины площадок контакта проволок в зависимости от величины радиального обжатия пряди и вспомогательных графиков, показывающих как по слоям изменяются суммарная ширина межпроволочного контакта и смещение проволок к центру пряди. Полученные диаграмма и графики анализируются по вопросам: интенсивности роста контактных площадок, проработки сечения пряди, повышения эксплуатационных характеристик пряди. Определяется наиболее целесообразные режимы калибрующего обжатия прядей.

В случае конструирования прядей — заготовок под пластическое обжатие, необходимо учитывать факторы, влияющие на формирование геометрии контакта проволок: диаметры контактирующих проволок не должны выходить за предел отношения 0,4^0,8 в ту или иную сторону, диаметр центральной проволоки должен быть увеличен; предел прочности центральной проволоки и проволок верхнего слоя пряди должен быть выше предела прочности проволок средних слоев пряди. Величина межпроволочных зазоров должна быть максимальной. Затем производится выбор эффективного режима калибрующего обжатия пряди разработанной конструкции.

2. С применением программы «13ЕР(ЖМ-ЗЕ)», производится моделирование обжатия пряди в определенных режимах. Результаты моделирования анализируются по вопросам: равномерности напряженного состояния пряди в целом, напряженного состояния проволок на контактах, величины межпроволочных зазоров, геометрических параметров контактов проволок (форма, ширина и кривизна поверхности контактов). Назначается конкретный режим калибрующего обжатия пряди. Результаты расчетов: уточненные диаметры проволок, диаметры исходной и калиброванной прядей, диаметры обжимных плашек и ручьев деформирующих роликов, прочность проволок в слоях прядей и шаг свивки прядей фиксируются в технологической карте на изготовление каната и направляются в цех — изготовитель.

3. В цехе — изготовителе производится выбор прядевьющего оборудования, осуществляется проверка его исправности, подготовка роликовой волоки к работе, контроль качества обжимных роликов (твердость поверхности должна быть не менее 70 НЯС, поверхность ручьев должна быть гладкой, без сколов и шероховатостей).

Особое внимание следует уделить контролю качества изготовления намотки проволоки, качеству сварки проволок (продолжительность отжига в зависимости от диаметра проволоки следует увеличить до нескольких секунд, сварной шов отшлифовать), правильности заправки прядевьющей машины, равномерности натяжения проволок в конусе свивки прядевьющей машины.

4. В процессе свивки обжимные плашки должны использоваться с целью формирования пряди, поэтому их диаметр должен соответствовать фактическому диаметру свиваемой пряди, длина канала плашек должна быть не менее длины шага свивки пряди. Твердость поверхности канала плашек должна быть не менее 55 Н11С.

5. Обжатие пряди должно осуществляться в роликовой волоке с диаметром ручьев роликов равным расчетному диаметру пряди. Настройку шага свивки и диаметра калиброванной пряди рекомендуется производить в «пусковом» режиме работы прядевьющей машины.

6. Подачу смазки в конус свивки следует осуществлять после настройки технологических параметров, смазочные обтиры устанавливать после обжимного узла.

7. Рихтовку калиброванной пряди предлагается осуществлять в традиционном двухплоскостном 10-ти роликовом рихтовальном устройстве. При этом диаметр ручья роликов должен соответствовать диаметру обрабатываемой пряди. Твердость поверхности роликов должна быть не менее 55 НЯС. Рихтованная прядь должна быть круглой, иметь гладкую поверхность. В случае появления ребристости поверхности пряди, рекомендуется изменить последовательность силовых обработок: сначала рихтовать сформированную в обжимных плашках прядь, а затем деформировать ее в роликовой волоке.

Калиброванные пряди затем отправляются в канатное отделение цеха и свиваются в канат.

8. При отработке конкретных режимов калибрующих обжатий, рекомендуется провести анализ изменения механических свойств и геометрии проволок до их свивки в прядь, после их свивки в пряди и канат. Для получения объективных данных о повышении работоспособности, по согласованию с потребителем необходимо провести анализ наработки подвижных канатов из калиброванных прядей.

В заключении сформулированы основные выводы по работе:

1. Показана целесообразность исследования процесса калибрующего обжатия многослойных прядей подвижных канатов в роликовой волоке.

2. Уточнена методика расчета передачи давления внутрь пряди, учитывающая влияние углов наклона контактных площадок и действие радиального и тангенциального давлений. Усовершенствована методика расчета ширины контакта проволок, учитывающая влияние смещенного металла и исходного положения точечного контакта проволок. На основе предложенных уточнений, разработана методика выбора эффективных режимов калибрующего обжатия прядей подвижных канатов, позволяющая оценивать развитость контактных площадок проволок в зависимости от степени обжатия пряди, а также особенности характера деформации пряди (резкий рост ширины вновь появившегося контакта при почти неизменной величине обжатия; образование арок; неодновременность появления новых контактов в слоях пряди и пр.). Показана этапность процесса деформации пряди.

3. Проведена оценка прочностных и пластических свойств проволок, количества перегибов и скручиваний, качества поверхности, гибкости и геометрии контакта проволок пластически обжатых прядей. Обобщение результатов экспериментальных исследований позволило сформулировать классификацию способов обжатия в диапазоне от конструктивного до полного заполнения сечения металлом. Рациональная величина обжатия прядей подвижных канатов, обеспечивающая снижение концентраторов напряжений и сохранение гибкости прядей, находится в диапазоне: (2=2,1-^4,6 «,=1,0-2,3 %; £=2,1-4,9 %.

4. С применением программного комплекса «БЕРОНМ-ЗО» проведено моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния обжимаемой витой многослойной пряди, двух проволок смежных слоев и проволоки верхнего слоя пряди, исследована геометрия формируемых контактов проволок. Моделирование позволило выявить закономерности деформации пряди (образование арок в слоях пряди и колец напряжений в проволоках, рост контактных поверхностей и пр.), а также характер распределения напряжений в пряди и ее элементах (высокий уровень сжимающих напряжений на участках контакта, минимальные по величине растягивающие напряжения в подповерхностных зонах, максимальное упрочнение верхнего контакта внешней проволоки пряди).

5. Разработаны практические рекомендации по применению калибрующих обжатий многослойных прядей подвижных канатов, принятые к использованию на ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (дифференциация прочности проволок в слоях пряди, выбор марки твердого сплава деформирующих роликов, настройка роликовой волоки и рихтовки).

6. Показано, что калибровка прядей подвижных канатов является эффективным, конкурентоспособным методом обработки, который улучшает напряженное состояние пряди, формирует благоприятные контактные условия, повышает точность изготовления прядей и канатов по диаметру.

Практические работы по калибрующему обжатию прядей открывают перспективное направление для агрегатного обжатия каната.

7. Повышение работоспособности подвижных канатов на основе применения калибрующего обжатия прядей достигается за счет улучшения эксплуатационных свойств канатов (благоприятные контактные условия и напряженное состояние при сохранении гибкости прядей), а также экономии энергоресурсов (уменьшения усилия вытяжки пряди), уменьшения затрат на ремонт оборудования и комплектацию обжимной клети.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- в монографии:

1. Обработка проволоки растяжением: монография / В.А. Харитонов,

A.Б. Иванцов, Т.А. Лаптева. - Магнитогорск: МГТУ, 2012. - 162 с.

- в статьях:

2. Харитонов В.А. Влияние малых степеней обжатия на формирование напряженного состояния каната / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Вып. 36. - С. 172-174.

3. Лаптева Т.А. Влияние знакопеременной деформации на формирование напряженного состояния и механических свойств канатной проволоки / Т.А. Лаптева // Образование. Наука. Производство: сб. науч. тр. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Вып.5. - С. 30-33.

4. Гимазетдинов Р.Ф. Способ изготовления канатов с пластически обжатым монолитным полимерным сердечником / Р.Ф. Гимазетдинов, Т.А. Лаптева // Образование. Наука. Производство: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011.-Вып. 6.-С. 15-18.

5. Харитонов В.А. Исследование изменений физико-механических свойств канатной проволоки и прядей при пластическом обжатии / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Образование. Наука. Производство: сб. науч. тр. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. - Вып.6. - С. 114-117.

6. Харитонов В.А. Моделирование процесса малого обжатия прядей /

B.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. - Вып. 37.-С. 176-179.

7. Харитонов В.А. Разработка методики управления процессом малого пластического обжатия прядей / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова. -2011. - Вып. 37. - С. 35-39.

8. Харитонов В.А. Выбор оптимальной степени пластического обжатия канатов на основе моделирования / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Материалы 69-й научно-технической конференции: сб. докл. - Магнитогорск: ФГОУ ВПО «МГТУ» 2012.-Т. 1.-С. 233-235.

9. Ишмухаметова Ф.М. Определение контактных напряжений между блоком и проволоками стального каната / Т.А. Лаптева, Ф.М. Ишмухаметова // Образование. Наука. Производство: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ФГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - Вып. 7. - С. 63-67.

Ю.Лаптева Т.А. Определение необходимой ширины контактной поверхности проволок верхнего повива обжатого каната / Т.А Лаптева. // Образование. Наука. Производство: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ФГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - Вып.7. - С. 67-70.

11. Лаптева Т.А. Математическое моделирование процесса обжатия пряди в роликовой волоке / Т.А. Лаптева // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрег. науч.-техн. конф. -Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2012. - С. 30-312.

12. Харитонов В.А. Расчет распределения деформаций по сечению пряди при круговом обжатии / В.А.Харитонов, Т.А. Лаптева // Вестник МГТУ им. Носова: - Магнитогорск: ФГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - №.4. - С. 47-51 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

13. Харитонов В.А. Особенности деформации проволок верхнего повива при обжатии пряди в роликовой волоке / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // труды всеросс. науч.-практ. конф. «Череповецкие научные чтения - 2011» -Череповец, 2012. - С.148-152.

14. Харитонов В.А. Методика определения ширины межпроволочного контакта при малом обжатии прядей / В.А.Харитонов, Т.А. Лаптева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2012. - № 4. - С. 6667 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

15. Харитонов В.А. Развитие теории и технологии пластического обжатия витых изделий / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // — М., 2013. - 47 с. Деп. в ВИНИТИ 14.02.2013, №6-В2013.

16. Харитонов В.А. Выбор режимов деформации при обжатии многослойных канатов в трехроликовых волоках / В.А. Харитонов, Т.А. Лаптева // Производство проката, 2013. - № 8. - С. 18-25 (рецензируемое издание, рекомендуемое ВАК РФ).

Подписано в печать 24.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 791

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»