автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Прогнозирование и повышение долговечности гидроцилиндров уравновешивания прокатных валков по критерию износостойкости уплотняющих элементов

005053406

Губин Алексей Сергеевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УПЛОТНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургическое машиностроение). Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ОКТ 2012

Магнитогорск - 2012

005053406

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре «Механическое оборудование металлургических заводов»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Анцупов Александр Викторович

Официальные оппоненты:

Кутлубаев Ильдар Мухаметович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», кафедра «ГМиТТК»

Раскатов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, ФГА-ОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н.Ельцина», кафедра «Металлургические и роторные машины»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-уральский государ-

ственный университет», (г. Челябинск)

Защита состоится 11 октября 2012г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова

Автореферат разослан «¿25Т> 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем производства горячекатаного листа, является вопрос повышения надёжности вспомогательного оборудования прокатных станов, в частности, гидравлических приводов, обеспечивающих точное позиционирование и высокую скорость перемещения рабочих органов многообразных механических систем. В качестве исполнительных устройств различных гидроприводов широко используют объемные гидродвигатели - плунжерные гидроцилиндры, уровень надежности которых, определяет общую эксплуатационную надежность и долговечность гидравлических систем и, следовательно, уровень технико-экономических показателей прокатного стана.

Поскольку почти 80% всех отказов плунжерных гидроцилиндров составляют постепенные отказы, связанные с износом уплотнений, направляющих втулок, или плунжеров, актуальной народнохозяйственной проблемой является прогнозирование моментов отказов гидросистем по критериям износостойкости элементов исполнительных цилиндров, а также разработка способов снижения интенсивности их изнашивания и повышения долговечности гидравлической системы в целом.

Объектом исследования в данной работе являются гидроцилиндры систем уравновешивания рабочих валков (ГЦ СУ В) станов горячей листовой прокатки.

Предмет исследования — показатели их износостойкости и долговечности.

Техническая и научная проблемы заключаются в следующем:

- во-первых, в настоящее время момент отказа гидроцшшндров по критерию износостойкости, в первую очередь, уплотнений, четко не определен и оценивается ориентировочно из опыта работы, а зачастую, по моменту появления утечек масла из-за возникновения их абразивного износа, нарушения герметичности и отказа цилиндра по этой причине;

- во-вторых, постоянно возрастающие требования к увеличению производительности стана, точности проката и снижению ремонтных и аварийных простоев, вызывают необходимость разработки новых конструктивных решений, направленных на повышения износостойкости и ресурса элементов гидроцилиндров;

- в-третьих, в современной литературе отсутствуют аналитические методики, позволяющие прогнозировать значения показателей их надежности на стадии проектирования по критерию износостойкости их элементов без проведения модельных или натурных экспериментов. Дня их создания необходим анализ известных подходов и моделей к оценке износостойкости и долговечности технических объектов, разработанных в рамках современных достижений теории надежности и трибологии.

В связи с вышеизложенным считаем, что решение в работе указанных научно-технических задач, направленных на повышения долговечности ГЦ СУВ, является весьма важным и актуальным для теории и практики листопрокатного производства.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка методики прогнозирования долговечности и способов повышения срока службы плунжерных гидроцилиндров на основе моделирования процесса изнашивания уплотняющих элементов.

Достижение цели в работе подразумевает выполнение следующих задач.

1. Разработать физико-вероятностную модель постепенных отказов и методику прогнозирования долговечности ГЦ СУВ по критерию износостойкости уплотняющих элементов.

2. Исследовать износостойкость различных материалов уплотнений и возможные способы повышения их долговечности в лабораторных условиях.

3. Выполнить теоретические исследования долговечности конструкций промышленных гидроцилиндров, спроектированных на основе наиболее эффективных способов, установленных в лабораторных испытаниях, и рекомендовать лучшие из них к использованию на действующих станах.

4. Провести промышленные испытания- долговечности предложенных решений, оценить их технико-экономическую целесообразность и внедрить наиболее эффективные конструкции гидроцилиндров на станах горячей листовой прокатки.

Основные положения, выносимые на защиту и отражающие личный вклад автора.

1. Математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов.

2. Физико-вероятностная модель процесса формирования отказов плунжерных гидроцилиндров по критерию износостойкости уплотняющих элементов.

3. Методика прогнозирования срока службы плунжерных гидроцилиндров уравновешивания рабочих валков.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов плунжерных гидроцилиндров, позволяющая впервые прогнозировать показатели их износостойкости в предполагаемых условиях эксплуатации.

2. Разработана физико-вероятностная модель параметрической надежности ГЦ СУВ, построенная на основе кинетического уравнения изнашивания уплотняющих элементов и позволяющая впервые, еще на стадии проектирования, исследовать процесс формирования их износовых отказов, проследить за изменением уровня показателей безотказности и оценить их ресурсные характеристики.

3. Разработана методика прогнозирования долговечности ГЦ СУВ, позволяющая впервые предсказывать срок их службы на стадии проектирования с заданной вероятностью.

Практическая ценность заключается в возможности использования следующих результатов.

1. Методики и алгоритма для аналитического прогнозирования показателей износостойкости уплотняющих элементов и срока службы ГЦ СУВ в заданных условиях эксплуатации.

2. Способов повышения долговечности ГЦ СУВ, суть которых в одновременном использовании уплотнений из более износостойких материалов (Ф4, ЕсоАоп, ЕсогиЪег, Есориг) и плунжеров, плакированных однослойными и двухслойными антифрикционными покрытиями (Ф4, Л63+Ф4, Д16+Ф4).

3. Новых конструкций промышленных гидроцилиндров с уплотнениями из полиуретана Есориг с покрытиями на плунжерах из Л63+Ф4 для стана 2500 г/п, и Д16+Ф4 — для стана 2000 г/п (патент на полезную модель №114890), внедренных на станах с повышенным более, чем вдвое сроком службы.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ МГТУ им.

Г.И. Носова за 2007-201 Ог. (г. Магнитогорск, 2008-2011г.г,); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара 2007г.); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010г.), XIV Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010г.), XI Международной научно-технической конференции молодых работников (Магнитогорск, 2011г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара 2011г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ в научных технических изданиях, в том числе три из них, рекомендованные ВАК, и один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, приложения на 43 листах, содержит 113 страниц машинописного текста, 18 рисунков, 16 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена научно - техническая проблема прогнозирования и повышения надежности ГЦ СУВ станов горячей листовой прокатки, обоснована ее актуальность. Сформулирована цель и задачи исследований.

В первой главе дан анализ повреждений и причин, приводящих к отказам ГЦ СУВ станов горячей листовой прокатки, рассмотрен общий методологический подход к прогнозированию надежности трибосопряжений по критерию износостойкости элементов, проведен критический анализ современных физических и математических моделей процесса изнашивания поверхностей трения и расчетных методик для оценки показателей износостойкости.

Приведением к единой форме большого класса моделей А. Фогта, В.Д. Кузнецова, И.В. Крагельского, С.Б. Ратнера, Дж.Ланкастера, Е.Финкина, А.Кризи, А.И. Свириденка, Е. Робинса, А.С. Проникова, Г. Фляйшера, Д. Мура и др., которые в настоящее время составляют основной расчетный базис для оценки показателей износостойкости, установлено следующее.

Все они являются полуэмпирическими, построенными с использованием одного из трех показателей: линейной интенсивности изнашивания, фактора износа или энергетической интенсивности, которые связывают одну из характеристик износостойкости с параметрами внешнего трения и определяются на основе модельных или натурных экспериментов.

Наиболее перспективной, для прогнозирования износостойкости и надежности трибосопряжений, является модель В.В. Федорова, построенная в рамках термодинамического подхода, в основу которой положена структурно-энергетическая концепция повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. Им предложена расчетная зависимость для оценки скорости изнашивания трибоэлементов, которая определяется отношением скорости накопления внутренней энергии дефектов структуры материалов к величине их критической энергоемкости - базовой характеристике материала. Однако и в этом случае долю преобразованной внешней энергии в изменение энергии дефектов структуры, предлагается определять экспериментально.

Очевидно, что такого рода зависимости не универсальны и не пригодны для оценки износостойкости и долговечности сопряжений ГЦ СУВ на стадии их проектирования. Однако в ряде работ C.B. Федорова, В.П. Анцупова и др. на основе совместного решения основополагающих уравнений структурно-энергетической и

молекулярно-механической теорий трения, получена аналитическая зависимость для оценки показателей износостойкости трибосопяжений. Этот подход позволил наметить направление для разработки методики прогнозирования долговечности ГЦ СУВ на стадии их проектирования.

Далее в первой главе представлено описание возможных способов повышения износостойкости пар трения «плунжер - уплотнения», которые предложены для повышения долговечности ГЦ СУВ.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований, представленные в общей характеристике работы.

Во второй главе показано решение первой задачи исследований: разработана методика прогнозирования долговечности ГЦ СУВ по критерию износостойкости уплотняющих элементов, как последовательное решение следующих подзадач:

2.1- формирование общей схемы параметрических отказов гидроцилиндров;

2.2 - разработка модели процесса изнашивания элементов пар трения «плунжер - уплотнения» и вывод кинетического уравнения повреждаемости уплотнений;

2.3 - создание физико-вероятностной модели параметрической надежности исполнительных гидроцилиндров;

2.4 — построение на основе этой модели собственно методики прогнозирования срока их службы по критерию износостойкости уплотняющих элементов с заданным уровнем вероятности.

Ниже представлено их решение.

2.1. Общая схема параметрических отказов гидроцилиндров построена на основе известного методологического подхода и включает семь этапов.

На первом этапе в качестве параметра л'( состояния гидроцилиндра выбран исходный внутренний диаметр сжатого как при сборке уплотнения, увеличивающийся при его изнашивании во время работы.

На втором этапе сформулировано уравнение состояний «стационарного» сопряжения «плунжер - уплотнения», описывающее поведение (смену состояний) ГЦ СУВ в процессе эксплуатации:

Xt=X0+Yt=X0+Y-t, (1)

где х0 - нормальное распределение случайной величины параметра х, в момент времени т = t0, характеризующее исходное состояние сопряжения;

rt и у = У, Н = const - случайные величины линейного (диаметрального) износа и скорости линейного изнашивания уплотняющих элементов, распределенные по нормальному закону;

На третьем этапе сформулировано условие работоспособности ГЦ СУВ по выбранному параметру на любой момент времени Т = t :

X,=X0+Yrt<x„p. (2)

Последнее неравенство отражает область всех возможных работоспособных состояний пары трения ГЦ СУВ, возникающих при его эксплуатации.

Предельное значение хпр параметра х, при проектировании ГЦ СУВ приняли

равным минимально возможному диаметру плунжера для обеспечения постоянной герметичности сопряжения и предупреждения абразивного износа.

На четвертом этапе выведено уравнение для оценки безотказности исполнительного цилиндра как вероятность выполнения условия работоспособности (2):

Р{1)=Р(Х,<хлр) = Ф(ипр(1)) = Ф

\

(3)

где 'и (1) - значение квантили нормального нормированного распределения параметра состояния х, в произвольный момент времени Т = /; Ф —функция Лапласа.

=(*0тах +*0шж)/2 и с,0 = (х0шзх -х0тш)/6 - числовые характеристики параметра х, = Х0 состояния трибосопряжения на начальный момент времени Г = /0;

х0ш2Х =х0+3-схх0 и х0шіп =х0-3-ах0 - максимальное и минимальное значения проектного размера х0 уплотняющих элементов в сжатом как при сборке состоянии, определяемые границами полей допусков, установленных конструктором.

На пятом этапе сформулировано уравнение перехода гидроцилиндра в предельное состояние (состояние параметрического отказа) в виде равенства параметра X, предельному значению:

X = Х, + У = * или хлр-(*о+У'0 г . (4)

2 ,2 " "Р^1

У '

Уравнение отражает область всех его возможных предельных состояний.

На шестом этапе выведены уравнения для оценки показателей долговечности (ресурсных характеристик) гидроцилиндра в виде зависимости по определению гамма-процентного ресурса, как решение уравнения (4) относительно / при заданном допустимом значении вероятности безотказной работы )] = у и соответствующем ему табличном значении квантили ^ ]:

УпР 'У~-\](Упр -У? -СУ2 ~К,(г)12 -^)-(УпР -К^)]2 -о-'о)

(5)

'пр(г) J иУ

где упр - хпр -х0 - математическое ожидание предельной величины линейного

(диаметрального) износа уплотнений;

На седьмом этапе разрабатывается математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов. С этой целью используется известная зависимость для определения скорости изнашивания элементов «стационарных» сопряжений, полученная на основе термодинамического подхода к молекулярно-механической теории трения. В данном случае она использована в качестве кинетического уравнения повреждаемости уплотняющих элементов, записанного в общем виде:

^=2-у2-/ма-ртт-У„ _ (6)

необходимого для оценки числовых характеристик у и скорости У, входящих

во все уравнения общей схемы (1) - (5) формирования износовых отказов ГЦ СУВ.

2.2. Модель процесса изнашивания уплотняющих элементов в паре трения «плунжер 1- уплотнения 2» ГЦ СУВ, общий вид которого представлен на рис. 1 (слева), построена для расчетной схемы, рис.1.а,б, которая отражает их взаимодействие при возникновении силы ^ во время упругих вертикальных затухающих колебаний плунжера после прохождения концов полосы в клети.

Вид А

Калвап плотера 1С Спу*хй і

Котхтпуаерз 1 с упатепмп 2

Iа,

г/ 4І 7 ^

Г

Рис. 1. Общий вид и расчетная схема нагружения элементов гидроцилиндра уравновешивания валков (1 - плунжер; 2 - уплотнения; 3 - фланец; 4 - втулка нажимная; 5 - шайба; 6 - втулка направляющая) Максимальные контактные напряжения Ртах, входящие в условие (6), определены суммой напряжений:

где - максимальные контактные напряжения, действующие в наиболее нагруженной зоне точки «Е» контакта плунжера и уплотнений. Они определены решением системы уравнений равновесия всех сил, действующих на плунжер: г, - со стороны подушек верхних валков и погонных реактивных нагрузок q{y) со сторрны втулок 4 и 6 с использованием условия равенства деформаций втулки 4 и уплотнения 2 в точке «Е», рис.1;

р - напряжения, возникающие от сжатия уплотнений при сборке на заданную величину, определяемые из закона сохранения их объема.

Коэффициент v2 преобразования внешней энергии в изменение внутренней энергии наиболее нагруженных объемов материала уплотняющих элементов в уравнении (6) определяли по зависимости Б.В. Протасова:

v2=y(l+e). (б.б)

((1 -til)IE2)2n.Rf2)

где fj12tEl2~ коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов поверхностных слоев плунжера и уплотнения; 2j - средняя арифметическая высота микронеровностей профиля поверхностей плунжера и уплотнения.

Механическую составляющую коэффициента трения в условии (6) определяли в функции физико-механических характеристик 0(Г) = (1- /л2(Т))1 Е(Т) материала контактных объемов уплотнений для установившегося режима (при Т = const) по линеаризованным зависимостям Н.М. Михина:

-КР '(/W ■ве(Т))ь . (6.В)

где а,е,Ь - постоянные, характеризующие вид напряженного состояния контактных объемов уплотнения; а3ф, /л, Е - коэффициент гистерезисных потерь, коэффициент Пуассона и модуль упругости материала уплотнений; д^ - комплексный параметр шероховатости поверхности плунжера после приработки.

Температуру поверхностных слоев элементов в установившемся режиме трения находили по методике A.B. Чичинадзе:

—fi'Pm'Va[-_ + Тп, (6.г)

1-2 А^] 2 ■ (^2 ' т2

где т12 (Л, 2, а, 2) - параметры, определяемые геометрическими характеристиками трибоэлементов; АТ12 - площади трения; Я, 2, аи2 — коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи материалов плунжера и уплотнений.

/ - коэффициент трения в период приработки, определяемый по известной методике Н.М. Михина:

' +/5 +а.а^.{рт.А*.гУ> <б-Д>

0'

f = c-*o ' -ТГ

здесь а,Ь,с,с1,е, к - постоянные, характеризующие вид напряженного состояния контактных объемов уплотнения; т , р — касательное напряжение и коэффициент упрочнения молекулярной связи; ртгх - максимальное значение контурного (номинального при отсутствии волнистости) контактного давления по (б.а).

Критическую энергоемкость материала уплотнений в уравнении (6) определяли по методике В.В. Федорова:

Аи,. =ДН*-ит„ (6.е)

где AH¡¡ = jp ■с -dT ' энтальпия плавления материала; _ j р ,с .¿¡j - плот-

о о

ность тепловой составляющей внутренней энергии контактных объемов уплотнений при установившейся температуре Т2', р ,с - плотность и теплоемкость материала;

Числовые характеристики J и о^ скорости линейного изнашивания Y,

как случайной величины, определяются по уравнению (6) в функции числовых характеристик механической составляющей коэффициента трения fMa и <jf

• ^' V2 ' /мех -Ри^-К*. ■ . (7)

A U„ У Аие.

где /мех и а определяются по уравнениям (б.в) в функции числовых характеристик комплексного параметра шероховатости Апр, <тА поверхности плунжера, которые, в свою очередь, находятся по диапазону справочных данных для приработанных поверхностей по правилу «трех сигм».

Совокупность уравнений (б.а-е) - (7) определяет математическую модель процесса изнашивания уплотняющих элементов ГЦ СУ В.

2.3. Физико-вероятностная модель параметрической надежности ГЦ СУВ представляет собой систему уравнений (1)-(5) общей схемы формирования их изно-совых отказов и уравнений (б.а-е) - (7) математической модели процесса изнашивания уплотняющих элементов. Она служит для решения двух задач теории надежности:

- прямой - прогнозирования вероятности безотказной работы p(t) = p(x, <хпр) гидроцилиндров для установленного (назначенного) ресурса t в соответствии уравнением (3);

- обратной - прогнозирования ресурсных характеристик ГЦ СУВ в виде уравнения (5) для определения гамма-процентного ресурса ty ■

2.4. Методика прогнозирования долговечности ГЦ СУВ формулируется на основе физико-вероятностной модели и представляет последовательность выполнения математических операций с использованием следующих уравнений:

- зависимостей (б.а-е) и (7) для оценки числовых характеристик скорости изнашивания уплотняющих элементов;

- уравнения (5) для определения гамма-процентного ресурса;

- уравнения для определения гамма-процентного срока службы:

tcr^'rKPon-h) W

при заданной суточной производительности стана Рст и среднем времени t3 затухания колебаний плунжера после прохождения концов полосы в очаге деформации.

В конечном итоге методика позволяет оценить (предсказать) возможный срок службы ГЦ СУВ с заданной вероятностью у на стадии их проектирования в предполагаемых условиях эксплуатации.

В третьей главе показано решение второй задачи диссертации, где представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований долговечности стандартных пар трения «ролик — колодка» по критерию износостойкости колодок, изготовленных из различных материалов уплотнений, при их изнашивании на машине трения СМТ-1 в различных условиях фрикционного взаимодействия, табл.1.

Таблица 1

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных _по коэффициенту повышения долговечности_

3 Материал Коэфф. Материал Коэфф.

р к • ролика- Пок- повышения >д С к ролика- Пок- повышения

>> Е- OI о, и CJ « - сталь 4 ОХ ры- долговечности С О. -сталь 40Х рытие долговечности

Материал колодки тие Kh ки о. U % О % Материал колодки Kn

1 СКН-26 1 1 16 Ecoruber — Н 3,1 2,6

2 Ф4 1,6 1,4 ¡Г1Ш1 Ecoruber 2 3,9

3 65NBRB210 1,1 1,1 2 18 Ecoflon 1 Ф4 3,0 2,6

4 BRA - Simrit 1,6 1,2 19 Ecoflon 2 2,9 2,5

1 5 PTFE GM201 б/п 1,8 13 20 Ecopur ^УЗ.б™:;-

6 Ecoruber - H 2,0 1,5 21 CKH-26 2,5 2,6

Ecoruber 2 2,1 2,2 22 Ф4 4,0

8 Ecoflon 1 1,9 1,4 23 55NBR B210 2,8 2,9

9 Ecoflon 2 1,8 1,4 24 BRA - Simrit 3,9 ЗД

10 Ecopur 2,3 ....... 3 25 PTFE GM201 Л63+ 4,2 3,5

11 CKH-26 1,5 1,8 26 Ecoruber - H Ф4 4,8 3,8

Ф4 siiv-:/^::::-:^: 2,6 2,4 27 Ecoruber 2

2 13 65NBRB210 Ф4 1,8 1,9 28 Ecoflon 1 4,6 3,8

14 BRA - Simrit 2,5 2,2 29 Ecoflon 2 4,5 3,7

15 PTFE GM201 2,7 2,3 30 Ecopur \. i- 5,65s •:;.

Эксперимент состоял из трех этапов. На каждом этапе проводили десять серий опытов (повторяя каждый 4 раза) по изнашиванию однотипных пар трения, объединенных в первую, вторую и третью группу, соответственно, см. табл.1. В каждой группе серии отличались друг от друга материалами колодок и условиями трения, которые изменяли, формируя на поверхности роликов тонкие пленки покрытий из антифрикционных материалов методом плакирования гибким инструментом.

В первой группе из десяти серий опытов, элементы пар трения «ролик-колодка» изнашивали в непосредственном контакте (без покрытий). Во второй группе поверхность роликов плакировали тонким слоем фторопласта Ф4, а в третьей - двухслойным материалом «латунь Л63 + фторопласт Ф4». Во время истирания образцов их контакт непрерывно охлаждали проточной водой, контролируя его температуру инфракрасным термометром «СОЖ)Т1ЮЬ Ж - Т4».

Для каждой серии опытов (при заданном предельном износе колодки у„р = 0,15 мм ) определяли средний (из четырех опытов) экспериментальный ресурс -

Г3 , и средний расчетный 7 - по методике прогнозирования долговечности ГЦ СУВ (6.а-е)-(7)-(5), адаптированной для граничных условий изнашивания пар «ролик -колодка», рис.2.

Для количественной оценки эффективности того или иного способа повышения долговечности по сравнению с первой, базовой серией пар трения «ролик - колодка», где колодки изготовлены из наименее износостойкого, ре-зино-тканевого материала СКН-26, а условия трения реализуются при охлаждении водой, вводятся коэффициенты повышения долговечности: экспериментальный - к3-. = <? /<7 и теоретический - кп = /, , где г - номер серии, табл. 1.

□ Средний расчетный ресурс ПСредихй экспериментальный ресурс

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и расчетных значений среднего ресурса стандартных пар трения «ролик колодка»

Основные результаты исследований заключаются в следующем.

Подтверждена адекватность методики прогнозирования долговечности стандартных пар трения. Сравнение экспериментальных и расчетных значений среднего ресурса показали, что диапазон рассеяния ошибок составляет =(0,6...33,07)%; наиболее вероятные их значения не превышают г,-= 17%; значения коэффициента вариации не превышают: в экспериментальных исследованиях - Ку =0,19, В теоретических исследованиях - Ку =0,21-

Наиболее эффективными способами повышения ресурса стандартных пар трения являются: использование для изготовления колодок более износостойких, чем СКН-26, материалов - Ф4, ЕсогиЬег 2 или Есориг, или их использование с одновременным применением однослойного покрытия из Ф4 или двухслойного покрытия «Л63+Ф4».

Выделенные способы (см. табл.1) предложены для оценки их эффективности при теоретическом прогнозировании долговечности промышленных ГЦ СУВ.

В четвертой главе представлено решение третьей задачи исследований, где с целью проектирования более долговечных промышленных ГЦ СУВ, на основе раз-

работанной методики (6.а-е)-(7)-(5)-(8), рассчитан предполагаемый средний срок службы новых вариантов конструкций, предложенных с учетом рекомендаций лабораторного эксперимента.

Результаты компьютерного эксперимента в виде совокупности расчетных значений прогнозируемого среднего ресурса ¡. и диапазонов возможных значений срока службы ¡а . всех исследуемых вариантов конструкций, коэффициентов эффективности эМ1 материала уплотнений и покрытий эП1, а также коэффициентов повышения долговечности к,,, представлены в табл.2.

Таблица 2

Результаты теоретического исследования долговечности гидроцилиндров раз-

№ опыта Материал плунжера -- сталь 40Х Эффектив ность покрытия, ЭП і Средний ресурс, ТІ, ч Средний срок службы, Іс, і ' °УТКИ Коэффициент долговечности Кг І

Материал уплотнения Эффективность материала, Эи,

1 группа - без покрытия

1 СКН-26 1 - 2,48 9,3-10,6 1

2 ..і/ГЬ'їгй1-.; 18,7-21,4 2,0

ЕсоПоп 1 . їЗ; і:,; 26,9-30,7 2,9

4 : ЕсогиЬег 2 ■ ї; ; - в: 7,94 :ї 29,8-34,0 ..............

Нсориг 3,8 Т.. 9,20 44,3-50,6 3,8

2 группа - покрытие Ф4

6 СКН-26 1 1,20 2,97 11,2-12,7 и

7 Ф4 2,0 1,20 6,00 22,5-25,7 2,4

8 ЕсоАоп 1 2,9 1,17 8,43 31,6-36,0 3,4

9 ЕсогиЬег 2 3,2 1,25 10,01 37,5-42,9 4,0

ДО З Есориг : ."■'"■:'3 Д. 1,26 11,94 44,8-5 ІД 4,8

3 группа - покрытие Л63+Ф4

11 СКН-26 1 1,40 3,53 13,2-15,1 1,4

12 Ф4 2,0 1,45 7,11 26,7-30,5 2,9

13 ЕсоАоп 1 2,9 1,41 10,17 38,1-43,5 4,1

14 ЕсогиЬег 2 3,2 1,50 11,87 44,5-50,9 4,8

15 Нсориг : ; : :: 3,8 ■ 1,52..... 14,38 53,9-61,6 5,8

4 группа - покрытие Д16+Ф4

16 СКН-26 1 1,30 3,33 12,5-14,3 1,3

17 Ф4 2,0 1,30 6,46 24,2-27,7 2,6

18 ЕсоАоп 1 2,9 1,28 9,18 34,4-39,2 3,7

19 ЕсогиЬег 2 3,2 1,31 10,50 39,4^5,0 4,2

[20 І-хориг \ 3,8 1,37 і.-;," 12,85 48,2-55,1 5,2

На основе проведенных теоретических исследований установлено:

- ошибка предсказания срока службы промышленных гидроцилиндров применяемой конструкции, полученная сравнением расчетных и измеренных на стане данных, не превышает 17%, что говорит о высокой достоверности разработанной методики оценки долговечности ГЦ СУВ;

- первым эффективным способом повышения срока их службы является применение новых, более износостойких, материалов уплотнений - Ф4, ЕсоЯоп 1,

ЕсогиЬег 2 и Есориг, позволяющим прогнозировать повышение их долговечности соответственно в 2,0 - 3,8 раз (см. табл. 2) за счет снижения в условии (6) коэффициента поглощения энергии дефектов и'е=У2-/ме1-рша и повышения

их критической энергоемкости Дие., обусловленной ростом энтальпии материалов, при переходе от СКН-26 к Есориг. Это объясняется более благоприятным, чем у СКН-26, сочетанием физических и термодинамических свойств

(р,Е,АН3У,

- вторым эффективным способом продления их срока службы является применение износостойких материалов уплотнений с одновременным плакированием поверхности плунжера фторопластом Ф4, позволяющим прогнозировать повышение их долговечности в 2,4 - 4,8 раз как за счет смены материалов уплотнений, так и за счет дополнительного снижения работы механической составляющей сил трения из-за уменьшения показателя шероховатости Д^ и

касательных напряжений тмех =/мех ■ ртах после плакирования поверхности

плунжера Ф4;

- третьим эффективным способом продления срока службы промышленных гидроцилиндров является применение наиболее износостойких материалов уплотнений с одновременной модификацией поверхности плунжера гибким инструментом и подачей в контакт двухслойных металл - полимерных покрытий.

Он позволяет прогнозировать повышение их долговечности в 2,9 - 5,8 раз за счет более интенсивного снижения работы механической составляющей сил трения тмех при «двойном» плакировании и благоприятного сочетания физических и термодинамических свойств Е, АН5) латунного покрытия.

Наиболее эффективные способы, установленные в компьютерном эксперименте (см. табл.2), рекомендованы к испытаниям на промышленных станах.

В пятой главе показано решение четвертой задачи диссертации, где представлены результаты промышленных испытаний новых, предложенных на основе теоретических исследований, конструкций исполнительных гидроцилиндров, содержащих уплотняющие элементы из более износостойких материалов и плунжеры, на поверхность которых нанесены различные антифрикционные покрытия.

Для нанесения антифрикционных покрытий на поверхность плунжеров исполнительных гидроцилиндров введена в промышленную эксплуатацию приставка «ПР-16К-20» к токарным станкам модели 16К20, общий вид которой и схема плакирования представлены на рис.3. Приставка включает следующие основные узлы: электродвигатель 1; клиноременную передачу 2; подшипниковый узел 3 ведущего вала 4; плакирующий круг 5 в защитном кожухе 8; узел слиткоподачи 7. Элементы смонтированы на сварной раме 6, которая крепится вместо резцедержателя станка.

Смысл процесса формирования покрытия гибким инструментом заключается в следующем, рис.3.б. Гибкие элементы плакирующего круга 2 переносят расплавленные трением частицы бруска 4 с его торца на очищенную от окислов и загрязнений поверхность плунжера 1, которые формируют на ней тонкую, прочно сцеплен-

ную с основой, пленку покрытия 3. Параметры обработки: натяг лг, частоты вращения плунжера и круга щ и п2, усилие прижатия бруска, диаметр о//{ плакирующего

круга и др., выбираются для заданных размеров плунжера - его диаметра он и длины ьп.

а б

Рис.3. Общий вид установки и схема плакирования плунжеров Длительные промышленные исследования долговечности новых различных вариантов конструкций ГЦ СУВ, проведенные в рамках ряда хоздоговорных работ, позволили установить следующее.

Для условий эксплуатации стана 2500 горячей листовой прокатки, наиболее эффективным вариантом является конструкция, где уплотняющие элементы изготовлены из полиуретана Есориг, а на поверхность плунжера нанесено двухслойное антифрикционное покрытие «Л63+Ф4», рис.4.а, со сроком службы, более, чем втрое, превышающим срок службы исходной конструкции.

Для условий эксплуатации стана 2000 горячей листовой прокатки, наиболее долговечной является конструкция по патенту №114890, где уплотняющие элементы изготовлены из полиуретана Есориг, а на поверхность плунжера нанесено двухслойное антифрикционное покрытие «Д16+Ф4», рис. 4.6, со сроком службы, более, чем вдвое, превышающим срок службы исходной конструкции.

Рис.4. Опытные партии плунжеров с двухслойным покрытием: а - «Л63 + Ф4»; б - «Д16 + Ф4»

Эти конструкции прошли промышленные испытания и внедрены на станах с ожидаемым экономическим эффектом более 4,5 млн. руб./год, рассчитанным из предположения двукратного повышения их срока службы за счет сокращения только затрат на ремонты, без учета повышения производительности станов, при вложениях -1,76 млн. руб. и сроке их окупаемости - менее года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги проведенного диссертационного исследования, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов плунжерных гидроцилиндров, позволяющая прогнозировать показатели их износостойкости в предполагаемых условиях эксплуатации.

2. На ее основе разработана физико-вероятностная модель (ФВМ) параметрической надежности ГЦ СУВ по критерию износостойкости уплотняющих элементов, позволяющая еще на стадии проектирования исследовать процесс формирования их износовых отказов и оценить уровень ресурсных характеристик.

3. На базе ФВМ сформулирована методика прогнозирования долговечности плунжерных гидроцилиндров, позволяющая с ошибкой §-{ <17% предсказать срок

их службы на стадии проектирования с заданной вероятностью и проанализировать возможные способы его повышения в предполагаемых условиях эксплуатации.

4. На основе экспериментальных (на машине трения) и теоретических (по разработанной методике) исследований по изнашиванию в различных условиях стандартных пар трения «стальной ролик — колодка из материалов уплотнений», установлены следующие, возрастающие по степени эффективности способы повышения их долговечности:

- использование для изготовления колодок более износостойких, чем применяемый СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с коэффициентом повышения долговечности соответственно К(э =1,6,

К3, = 2,1 и К] = 2,3;

- применение для изготовления колодок более износостойких, чем СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с одновременным плакированием поверхности роликов однослойным покрытием из фторопласта Ф4 с коэффициентом повышения долговечности соответственно К' =2,6, К? = 3,4 и к* =3,6;

- применение для изготовления колодок более износостойких, чем СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с одновременным плакированием поверхности роликов двухслойным покрытием из «латунь ЛбЗ+фторопласт Ф4»с коэффициентом повышения долговечности соответственно к° =4,0, К,' =5,3 и К? = 5,6;

5. Теоретические исследования повышения долговечности промышленных гидроцилиндров с использованием предложенных способов, позволили рекомендовать к внедрению следующие наиболее эффективные конструкции:

- «плунжер с двухслойным покрытием Л63+Ф4 - уплотнения из полиуретана Ecopur», с прогнозируемым сроком службы, более, чем втрое превышающим срок службы исходной конструкции.

- «плунжер с двухслойным покрытием Д16+Ф4 - уплотнения из полиуретана Ecopur», с прогнозируемым сроком службы, более, чем в два раза превышающим срок службы исходной конструкции;

6. Предложенные в теоретических исследованиях эффективные варианты конструкций гидроцилиндров испытаны и внедрены на станах 2500 г/п и 2000 г/п ОАО «ММК» с ожидаемым экономическим эффектом более 4,5 млн. руб. в год за счет сокращения ремонтных расходов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: Издания, рекомендованные ВАК.

1. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), Губин A.C. и др. Прогнозирование надежности трибосопряжений на основе термодинамического анализа процесса трения // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. №3. - С. 54-60.

2. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Губин A.C. и др. Прогнозирование безотказности трибосопряжений по критерию износостойкости на стадии их проектирования // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №11. - С.38-45.

3. Анцупов A.B., Анцупов А.В.(мл.), Губин A.C. и др. Методология вероятностного прогнозирования безотказности и ресурса трибосопряжений // Известия Самарского научного центра «Надежность» РАН-2011 -т. 13.-№ 4(3),-С. 947-950.

Прочие издания.

4. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Губин A.C. и др. Прогнозирование показателей надежности трибосопряжений // Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл.-Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 262 - 264.

5. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), Губин A.C. и др. Методика аналитической оценки надежности трибосопряжений по критерию износостойкости // Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин»: Сб. докл.- Пенза, 2010. - С. 123-126.

6. Анцупов A.B., Губин A.C., Русанов В.А. и др. Методика прогнозирования надежности плунжерных гидроцилиндров по критерию износостойкости уплотнений // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-й научно-технической конференции - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011.-Т.2.- С.141-143.

7. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Губин A.C. и др. Оценка и повышение износостойкости поверхности трения фрикционных сопряжений // Актуальные проблемы трибологии: Сб. трудов международной научно-технической конференции. В 3-х томах —Москва: Издательство «Машиностроение», 2007. Т. 2. С.20-28.

8. Анцупов В.П., Анцупов A.B., Губин A.C. и др. Структурно-энергетический подход к оценке фрикционной надежности материалов и деталей машин // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - Т. 1. С.258-262.

9. Анцупов A.B., Анцупов А.В.(мл.), Губин A.C. и др. Описание и моделирование процессов формирования износовых отказов пар трения // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Международный сб. науч. тр./ Под ред. Огаркова H.H. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. С. 164-170.

10. Анцупов A.B., Анцупов А.В.(мл.), Губин A.C. и др. Структурно-энергетическая интерпретация взаимосвязи процессов трения и изнашивания // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр./ Под ред. Платова С.И. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 233240.

11. Анцупов A.B., Анцупов А.В.(мл.), Губин A.C. и др. Модель процесса изнашивания трибосопряжений на основе термодинамического анализа их состояния// Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С.264-268.

12. Анцупов A.B., Анцупов А.В.(мл.), Губин A.C. и др. Аналитическая оценка показателей износостойкости трибосопряжений // Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин»: Сб. докл.-Пенза, 2010 С. 119-123.

13. Анцупов A.B., Слободянский М.Г., Губин A.C. и др. Моделирование процесса изнашивания трибосопряжений // Современные технологии в машиностроении: Сб. статей XTV международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. С.290-294.

14. Анцупов A.B., Губин A.C. Повышение долговечности гидроцилиндров уравновешивания валков НШСГП // Тезисы докладов XI международная научно-техническая конференция молодых работников ОАО «ММК»: Сб. тез. докладов. Магнитогорск, 2011. С.58-59.

15. Патент на полезную модель РФ 114890 от 2012.04.20, В21В 31/32. Гидроцилиндр устройства для регулирования раствора валков прокатной клети / В.П. Анцупов, A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), С.П. Шинкевич, A.C. Губин, В.А. Русанов.

Подписано в печать 30.08.2012. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 544

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЛУНЖЕРНЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ

1.1. Описание конструкции, анализ повреждений и причин отказов гидроцилиндров уравновешивания валков

1.2. Общий методологический подход к прогнозированию надежности трибосопряжений по критерию износостойкости их элементов

1.3. Анализ известных математических моделей процесса изнашивания трибосопряжений

1.4. Методы обеспечения надежности систем уравновешивания рабочих валков

1.5. Выводы, цель и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЛУНЖЕРНЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ УПЛОТНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Общая схема процесса формирования износовых отказов исполнительных гидроцилиндров и ее графическая интерпретация

2.2. Моделирование процесса изнашивания уплотняющих элементов исполнительных гидроцилиндров

2.2.1. Физическая модель процесса повреждаемости и разрушения поверхностей трения

2.2.2. Математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов

2.3. Блок-схема физико-вероятностной модели параметрической надежности исполнительных гидроцилиндров

2.4. Методика прогнозирования долговечности исполнительных гидроцилиндров

2.5. Выводы по второму разделу

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ УПЛОТНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РЕСУРСА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

3 Л. Экспериментальные исследования износостойкости и долговечности пар трения «ролик - колодка» при их изнашивании на машине трения

3.2. Теоретические исследования износостойкости и долговечности стандартных пар трения

3.3. Оценка адекватности методики прогнозирования ресурса пар трения «ролик - колодка»

3.4. Анализ долговечности стандартных пар трения, изношенных в различных условиях фрикционного взаимодействия

3.5. Выводы по третьему разделу

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ ИХ ПРОМЫШЛЕННОЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Организация компьютерного эксперимента для исследования долговечности гидроцилиндров на станах горячей листовой прокатки

4.2. Прогнозирование долговечности гидроцилиндров исходной конструкции и промышленная проверка расчетных данных

4.3. Теоретические исследования долговечности гидроцилиндров различных конструкций и рекомендации по повышению их срока службы в промышленных условиях

4.4. Выводы по четвертому разделу

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ НА

СТАНАХ ГОРЯЧЕЙ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ

5.1. Цель и организация экспериментальных исследований

5.2. Описание способа и устройства для плакирования плунжеров

5.3. Экспериментальные исследования долговечности гидроцилиндров на стане 2500 горячей прокатки ЛПЦ

5.4. Промышленные исследования долговечности гидроцилиндров на стане

2000 горячей прокатки'ЛИЦ

5.5. Оценка экономической эффективности проведенных исследований

5.6. Выводы по пятому разделу 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 103 ПРИЛОЖЕНИЯ

В настоящее время одной из важнейших проблем производства горячекатаного листа, является вопрос повышения надёжности вспомогательного оборудования прокатных станов. Ужесточение требований к точности размеров горячекатаных полос вызывает необходимость использования гидравлических приводов, обеспечивающих точное позиционирование и скорость перемещения рабочих органов (элементов) многообразных механических систем. В качестве исполнительных устройств различных гидросистем - перевалки валков, загрузочных и подъёмно - поворотных столов, моталок, кантователей, стендов ревизии валков, уравновешивания прокатных валков и др., широко используют объемные гидродвигатели - плунжерные гидроцилиндры. В настоящее время на прокатном стане для решения различных производственных задач применяют сотни типоразмеров плунжерных цилиндров стандартного исполнения, уровень надежности которых определяет общую эксплуатационную надежность и долговечность гидравлических систем, и, следовательно, уровень технико-экономических показателей прокатного стана.

Поскольку почти 80% всех отказов плунжерных гидроцилиндров составляют постепенные отказы, связанные с износом уплотнений, направляющих втулок или плунжеров, актуальной народнохозяйственной проблемой является прогнозирование моментов отказов гидросистем по критериям износостойкости элементов исполнительных цилиндров, а так же разработка способов снижения интенсивности их изнашивания и, следовательно, повышения надежности гидравлической системы в целом.

Объектом диссертационных исследований являются гидроцилиндры систем уравновешивания рабочих валков (ГЦ СУВ) станов горячей листовой прокатки, а предметом исследований - показатели их износостойкости и долговечности.

Техническая и научная проблемы заключаются в следующем:

- во-первых, в настоящее время момент отказа гидроцилиндров по критерию износостойкости, в первую очередь уплотнений, четко не определен и оценивается ориентировочно из опыта работы, а зачастую, по моменту появления утечек масла из-за возникновения их абразивного износа, нарушения герметичности уплотняющих узлов и отказа цилиндра по этой причине;

- во-вторых, постоянно возрастающие требования к увеличению производительности стана, точности проката и снижению длительности ремонтных и аварийных простоев, вызывают необходимость разработки новых конструкторских решений, направленных на повышение износостойкости и долговечности гидроцилиндров;

- в-третьих, в современной литературе отсутствуют аналитические методики, позволяющие прогнозировать срок службы ГЦ СУВ и его повышение на стадии их проектирования. Для их разработки необходим анализ современных подходов и моделей к оценке износостойкости и долговечности триботехниче-ских объектов в рамках современных достижений теории трибологии и надежности.

Очевидно, для определения показателей долговечности трибосопряжений гидроцилиндров, необходимо создание вероятностной модели их отказа, в основу которой должны быть положены закономерности, адекватно описывающие физическую природу процесса изнашивания уплотняющих элементов. В частности, разработанный в настоящее время общий методологический подход к оценке надежности триботехнических объектов при их проектировании, на основе кинетического уравнения повреждаемости поверхностей трения, может быть использован при создании физико-вероятностной модели их отказов и построения методики прогнозирования и повышения долговечности ГЦ СУВ.

В тоже время, современные модели процесса изнашивания элементов различных трибосопряжений, созданные, например, в рамках структурно-энергетического подхода и термодинамической теории разрушения, могут явиться основой для разработки кинетического уравнения повреждаемости (изнашивания) пар трения ГЦ СУВ.

Предлагаемая современной теорией и практикой эксплуатации различных трибосопряжений широкая номенклатура способов повышения износостойкости поверхностей трения, позволяет оценить возможность их использования для продления ресурса гидроцилиндров уравновешивания прокатных валков на стадии их проектирования и эксплуатации.

В данной работе для построения физико-вероятностной модели отказов плунжерных гидроцилиндров уравновешивания прокатных валков по критерию износостойкости уплотняющих элементов, разрабатывается структурно-энергетическая модель процесса изнашивания их' поверхностей. Условием разрушения (изнашивания) материала поверхностного слоя является термодинамический критерий, согласно которому диспергирование материала поверхностного слоя происходит при достижении плотностью внутренней энергии критического для данного материала значения. Это научное положение позволяет разработать общую структурную схему, а на ее основе физико-вероятностную модель формирования постепенных (износовых) отказов ГЦ СУВ, что, в свою очередь, позволяет построить чисто аналитическую методику прогнозирования их долговечности.

Для повышения надежности и долговечности исполнительных цилиндров, в диссертации выполняются теоретические и лабораторные исследования износостойкости материалов уплотняющих элементов и оценка эффективности различных методов повышения ресурсных характеристик с разработкой рекомендаций для их практического использования и внедрения.

Таким образом, целью данной работы является разработка методики прогнозирования долговечности и способов повышения срока службы плунжерных гидроцилиндров на основе моделирования процесса изнашивания уплотняющих элементов.

Достижение цели в работе подразумевает выполнение следующих задач.

1. Разработать физико-вероятностную модель постепенных отказов и методику прогнозирования долговечности ГЦ СУВ по критерию износостойкости уплотняющих элементов.

2. Исследовать износостойкость различных материалов уплотнений и возможные способы повышения их долговечности в лабораторных условиях.

3. Выполнить теоретические исследования долговечности конструкций промышленных гидроцилиндров, спроектированных на основе наиболее эффективных способов, установленных в лабораторных испытаниях, и рекомендовать лучшие из них к использованию на действующих станах.

4. Провести промышленные испытания долговечности предложенных решений, оценить их технико-экономическую целесообразность и внедрить наиболее эффективные конструкции гидроцилиндров на станах горячей листовой прокатки.

Диссертация выполнялась на кафедре механического оборудования металлургических заводов Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова и станах горячей прокатки полос ОАО «ММК» в рамках проведения ряда хоздоговорных работ по тематике исследований.

5.6. Выводы по пятому разделу

1. Проведены промышленные испытания новых, предложенных на основе теоретических исследований, конструкций исполнительных гидроцилиндров, содержащих уплотняющие элементы из более износостойких материалов и плунжеры, на поверхность которых нанесены различные антифрикционные покрытия.

2. Установлено, что для условий эксплуатации стана 2500 горячей листовой прокатки, наиболее эффективным вариантом является конструкция, где уплотняющие элементы изготовлены из полиуретана Есориг, а на поверхность плунжера нанесено двухслойное антифрикционное покрытие «Л63+Ф4», со сроком службы, более, чем втрое, превышающим срок службы исходной конструкции. I

3. Установлено, что для условий эксплуатации стана 2000 горячей листовой прокатки, наиболее эффективным вариантом является конструкция, где уплотняющие элементы изготовлены из полиуретана Есориг, а на поверхность плунжера нанесено двухслойное антифрикционное покрытие «Д16+Ф4», со сроком службы, более, чем вдвое, превышающим срок службы исходной конструкции.

4. Показано, что экономический эффект при предполагаемом 2-кратном повышении срока службы исполнительных гидроцилиндров только за счет сокращения затрат на ремонты, без учета повышения производительности станов, составляет более 4,5 млн. руб. в год при вложениях - 1,76 млн. руб. и сроке их окупаемости - менее года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги проведенного диссертационного исследования, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем. ■

1. Разработана математическая модель процесса изнашивания уплотняющих элементов плунжерных гидроцилиндров, позволяющая прогнозировать показатели их износостойкости в предполагаемых условиях эксплуатации.

2. На ее основе разработана физико-вероятностная модель (ФВМ) параметрической надежности ГЦ СУВ по критерию износостойкости уплотняющих элементов, позволяющая еще на стадии проектирования исследовать процесс формирования их износовых отказов и оценить уровень ресурсных характеристик.

3. На базе ФВМ сформулирована методика прогнозирования долговечности плунжерных гидроцилиндров, позволяющая с ошибкой 5-( < 17% предсказать срок их службы на стадии проектирования с заданной вероятностью и проанализировать возможные способы его повышения в предполагаемых условиях эксплуатации.

4. На основе экспериментальных (на машине трения) и теоретических (по разработанной методике) исследований по изнашиванию в различных условиях стандартных пар трения «стальной ролик - колодка из материалов уплотнений», установлены следующие, возрастающие по степени эффективности способы повышения их долговечности:

- использование для изготовления колодок более износостойких, чем применяемый СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с коэффициентом повышения долговечности соответственно к; = 1,6, к; = 2,1 и к; = 2,з;

- применение для изготовления колодок более износостойких, чем СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с одновременным плакированием поверхности роликов однослойным покрытием из фторопласта Ф4 с коэффициентом повышения долговечности соответственно К* = 2,6, Кэ( = 3,4 и Кэ{ = 3,6;

- применение для изготовления колодок более износостойких, чем СКН-26, материалов уплотняющих элементов - Ф4, ЕсогиЬег 2 и Есориг, с одновременным плакированием поверхности роликов двухслойным покрытием из «латунь ЛбЗ+фторопласт Ф4»с коэффициентом повышения долговечности соответственно К* = 4,0, К,э = 5,3 и К,э = 5,6 ;

5. Теоретические исследования повышения долговечности промышленных гидроцилиндров с использованием предложенных способов, позволили рекомендовать к внедрению следующие наиболее эффективные конструкции:

- «плунжер с двухслойным покрытием Л63+Ф4 - уплотнения из полиуретана Есориг», с прогнозируемым сроком службы, более, чем втрое превышающим срок службы исходной конструкции.

- «плунжер с двухслойным покрытием Д16+Ф4 - уплотнения из полиуретана Есориг», с прогнозируемым сроком службы, более, чем в два раза превышающим срок службы исходной конструкции;

6. Предложенные в теоретических исследованиях эффективные варианты конструкций гидроцилиндров испытаны и внедрены на станах 2500 г/п и 2000 г/п ОАО «ММК» с ожидаемым экономическим эффектом более 4,5 млн. руб. в год за счет сокращения ремонтных расходов.

1. Иоффе A.M., Кукушкин О.Н., Листопадов И.Б., Мазур И.А. Исследование переходных процессов в гидросистеме противоизгиба и уравновешивания валков непрерывного широкополосного стана // Теория и практика металлургии, 2004, №5.- С. 19-24}

2. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: М38 машиностроение. Надежность машин. T.IV-3 / В.В. Клюев, В.В.Болотин, Ф.Р. Соснин и др.; 2003. 592с.

3. Проников A.C. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 560с.

4. Решетов Д.Н., Иванов A.C., Фадеев В.З. Надежность машин: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1988. - 235с.

5. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М. Машиностроение, 1984.-312с.

6. Абрамов О.В. Розенбаум А.Н. Прогнозирование состояния технических систем. М.: Наука, 1990. - 126с.

7. Михлин В.М. Прогнозирование технического состояния машин-М.: «Колос», 1976.- 288с.

8. Анцупов A.B., Чукин М.В., Анцупов A.B.(мл.) и др. Научные и методологические основы прогнозирования надежности трибосопряжений на стадии их проектирования // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2011. №4 - С. 56-61.

9. Анцупов A.B., Анцупов A.B.(мл.), Анцупов В.П. Методология прогнозирования надежности трибосопряжений // Трение и смазка в машинах и механизмах. -2012. -№2. С.3-9.

10. ГОСТ 20911 89 Техническая диагностика. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1990.-12с.

11. Надежность и эффективность в технике. Справочник. Н17 В Ют / Ред. совет: B.C. Авдуевский (пред.) и др. М.: Машиностроение, Т.1: Методология, организация, терминология, 1987. - 218с.

12. ГОСТ 27.002 89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1990 - 37с.

13. ГОСТ 27674-88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. М.: Издательство стандартов ,1988. - 89с.

14. ГОСТ 30858 2003 Обеспечение износостойкости изделий. Трибо-технические требования и показатели. Принципы обеспечения. Общие положения. - Москва: Стандартинформ, 2005. - 7с.

15. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент.: Издательство «Фан» УзССР, 1979. - 168с.

16. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент.: Издательство «Фан» УзССР, 1985. - 165с.

17. Артемов И.И., Синицкий В.Я., Сорокин С.А. Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем. Монография.- Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004.-374с.

18. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения. Самара.: СГТУ, 2000.-268с.

19. Федоров C.B. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. Калининград: КГТУ, 2003. - 409с.

20. Польцер Г., Майснер Ф. Основы трения и изнашивания.- М.: Машиностроение, 1984.-264с.

21. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография Самара: Самар. Гос. техн. ун-т, 2008-387с.

22. Буше H.A. Трение, износ и усталость в машинах. М.: Транспорт, 1987.- 223с.

23. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. Москва -Киев.: Машгиз, 1963. - 139с.

24. Протасов Б.В. Энергетические соотношения в трибосопряжении и прогнозирование его долговечности. Саратов.: Саратовский университет, 1979. - 152с.

25. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

26. Дроздов Ю.Н. Ключевые инварианты в расчетах интенсивности изнашивания при трении // Машиноведение. 1980. №2. - С.93-99.

27. Дроздов Ю.Н., Фролов К.В. Теоретико-инвариантный метод расчета интенсивности поверхностного разрушения твердых тел при трении // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982.- №5. - С, 138-146.

28. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин. С-Пб.: Академия транспорта Российской Федерации, 2006.- 608с.

29. Погодаев Л.И., Чулкин С.Г. Моделирование процессов изнашивания материалов и деталей машин на основе структурно-энергетического подхода // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. №5. С.94-103.

30. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / A.B. Чичинад-зе, Э.М. Берлингер, Э.Д. Браун и др.; Под общ. Ред. A.B. Чичинадзе- М.: Машиностроение, 2003.-576с.

31. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Кн.1. / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978 - 400с.

32. Справочник по триботехнике: В 3-х т.Т.1: Теоретические основы. / Под общ. Ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе М.: Машиностроение, 1989 - 400с.

33. Крагельский И.В. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин / Под ред. И.В. Крагельского. -М.: Изд-во стандартов., 1979 100 с.

34. Р 50-95-88 Обеспечение износостойкости изделий: основные положения. М.: Изд-во стандартов, 1989.- 24с.

35. Логинов А.Р. Метод оценки характеристик фрикционной усталостиматериалов // Исследования по триботехнике: Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. -М.: Научно-исследовательский институт информации по машиностроению, 1975.-С. 217-225.

36. Махутов Н.А., Сосновский JI.A., Марченко А.В. О построении кривой фрикционной усталости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 1998.-№.12.- т. 64. С.36-39.

37. Крагельский И.В., Комбалов B.C., Логинов А.Р., Сачек Б.Я. Современные методы прогнозирования износа узлов трения Обз. инф. «Межотраслевые вопросы науки и техники». М.:ГОСНИТИ, 1979, вып. 15. - 31с.

38. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: «Наука», 1977. 218с.

39. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение. 1977. 526 с.

40. Комбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. М.: Наука, 1983. - 136с.

41. Комбалов B.C. К вопросу о показателях износостойкости материалов и изделий из них // Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. -М.: Издательство «Наука», 1982. С.252-256.

42. Комбалов B.C. Развитие теории и методов повышения износостойкости поверхностей трения деталей машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998, №6. - С.35-42.

43. Ратнер С.Б. О показателе истирания резины и его связи с коэффициентом трения // ДАН СССР, 1952,- т. 87.-№5. С. 743-746.

44. Lancaster J. К. The formation of surface: Films ft the transition betveen mild and severe metallic //Wear.-Proc. Roy. Soc.,- Ser. A.-1963.-vol. 273. P. 466483.

45. Finkin E.F. A theory for the effect of film thickness and normal load the friction of thin films // Tras. ASME.,Ser. F. 1969,- vol. 91.-№. - P.293-302.

46. Crease A.B. Design data for wear performance of rubbing bearing Surfaces // Tribology. 1973.-vol.6.-№l. - P. 15-20.

47. Robbins E.J. Tribology for the atomic and space industries // Ind. Atom. Et spat.,- 1974,-№2.

48. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Томск.: Полиграфиздат - т.4, 1947.-542с.

49. Фляйшер Г.К вопросу о количественном определении трения и износа // Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. -М.: Наука, 1982. - С. 285-296.

50. Фляйшер Г.К связи г^ежду трением и износом // Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М.: Наука, - 1971. С. 163169.

51. Фляйшер Г. Энергетический метод определения интенсивности износа // Исследования по триботехнике: Под общ. ред. A.B. Чичинадзе.- М.: Научно-исследовательский институт информации по машиностроению, 1975. С. 277-291.

52. Грегер Г., Кобольд Г: Расчет износа на основе гипотезы аккумулирования энергии при трении // Исследования по триботехнике: Под общ. ред. A.B. Чичинадзе.- М.: Научно-исследовательский институт информации по машиностроению, 1975.-С. 187-195.

53. Мур Д. Основы применения трибоники. М.: Мир, 1978. - 487с.

54. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем. Киев: Общ. Знание, 1990.-31с.

55. Федоров В.В. Эргодинамика и синергетика деформируемых тел // ФХММ, 1988, №1.С.32-36.

56. Федоров В.В. Эргодинамическая концепция разрушения // Проблемы прочности, 1991, №8. С. 48-58, №10. - С.31-35.

57. Федоров В.В., Мошков А.Д., Бершадский С.М. и др. Основы эргоди-намики и синергетики деформируемых тел. Раздел 3. Ташкент, 1992. - Деп. в ВИНИТИ, №2351-В93.

58. Федоров В.В. Термодинамический метод описания изнашивания материалов при внешнем трении // Проблемы трения и изнашивания: Сб.-Киев,1972. С.24-30.

59. Федоров В.В., Хачатурян C.B., Коршунов C.B. Исследование взаимной связи закономерностей износа металлов с энергетическими характеристиками процесса внешнего трения // Вестник ЦНИИ МПС, 1977. №5. С. 30-34

60. Федоров В.В., Чекурова Г.А., Коновалова Г.М. и др. О структурных параметрах и характеристиках прочности металлов // Известия АН СССР. Металлы, 1988.- №2. С. 131-136.

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

62. Анцупов В.П. Теория и практика плакирования изделий гибким инструментом: Монография.- Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 1999. 241 с.

63. Сулима В.А., Шуло?. В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. -240с.

64. Кершенбаум В.Я. Механотермическое формирование поверхности. -М.: Машиностроение, 1987. 232 с.

65. Надежность в машиностроении: Справочник 1 / Н17 Под общ. ред. В.В. Шашкина, Г. П. Карзова. СПб.: Политехника, 1992. - 719 с.

66. Горяинова A.B., Божков Г.К., Тихонова М.С. Фторопласты в машин-строении. М.: Машиностроение, 1971. - 233с.

67. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л.: Химия, 1972.-240 с.

68. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. Вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 576с.

69. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Изд-во «Высшая школа»,1972. 368с.

70. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), Губин A.C. и др. Прогнозирование надежности трибосопряжений на основе термодинамического анализа процесса трения // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. №3. С. 54-60.

71. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Губин A.C. и др. Прогнозированиебезотказности трибосопряжений по критерию износостойкости на стадии их проектирования // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №11. -С.38-45.

72. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Губин A.C. и др. Прогнозирование показателей надежности трибосопряжений // Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010.-С. 262-264.

73. Анцупов A.B., Анцупов A.B.(мл.), Губин A.C. и др. Методология вероятностного прогнозирования безотказности и ресурса трибосопряжений // Известия Самарского научного центра Российской академии наук 2011. - т. 13.-№4(3),- С. 947-950.

74. Анцупов A.B., Анцупов A.B.(мл.), Губин A.C. и др. Модель процесса изнашивания трибосопряжений на основе термодинамического анализа их состояния// Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С.264-268.

75. Громаковский Д.Г., Ибатуллин И.Д. Опора надежности и качества // Оборудование и инструмент для профессионалов. Сер. Металлообработка,-Харьков: Центринформ.-Вып.2(75). -2006. С.6-12.

76. Громаковский Д.Г., Ибатуллин И.Д., Барынкин Е.В. и др. Энергетическая модель повреждаемости, материалов // XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» труды: том 1.- Самара: СамГТУ, 2006. С.88-93.

77. Громаковский Д.Г., Ибатуллин И.Д., Дынников A.B. Кинетическая концепция прочности и новые методы оценки остаточного ресурса по усталости и изнашиванию // Международная конф. «Ашировские чтения» докл..-Самара: СамГТУ, 2002. С. 111-113.

78. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. М.: Физматгиз, 1958. - 424с.

79. Журков С. Н. Проблемы прочности твердых тел. // Вестник АН СССР. 1957, №11,С.78-82.

80. Журков С.Н., Нурзуллаев Б.Н. Временная зависимость прочности при различных режимах нагружения // Журнал технической физики. 1953, вып. 10. С. 1677-1689.f

81. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1974.- 560с.

82. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов.- М.:1. Металлургия, 1975.-456с.

83. Хохлов В.М. Проектирование износостойких узлов трения скольжения. Брянск: ООО «ВИМАХО», 2004. - 52с.

84. Хохлов В.М. Расчет'площадей контакта, допускаемых напряжений, износа и износостойких деталей машин. Брянск, БГТУ, 1999. - 104с.

85. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / A.B. Чи-чинадзе, A.JI. Левин, М.М. Бородулин, Е.В. Зиновьев; Под общ. ред. A.B. Чи-чинадзе 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988.- 328с.

86. Охлопкова A.A., Петрова П.Н., Попов С.Н. и др. Полимерные композиционные материалы триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. Хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008.- т. LII. С.147-152.

87. Охлопкова A.A., Петрова П.Н., Гоголева О.В. Разработка полимерных композитов триботехнического назначения для нефтегазового оборудования // Нефтегазовое дело, 2009. С. 1-8.

88. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Байбарацкая М.Ю., Мамаев O.A. Полимерные композиционные материалы в трибологии. М.: ООО «Недра Бизнесцентр», 2004.- 262с.

89. Уплотнения и уплотнительная техника: / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова.- М.: Машиностроение, 1994.-448с.

90. Анцупов В.П., Анцупов A.B., Губин A.C. и др. Структурно-энергетический подход к оценке фрикционной надежности материалов и деталей машин // Материалы 66-й научно-технической конференции: Сб. докл. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. T.l. С.258-262.

91. Анцупов В.П., Анцупов A.B.(мл.), Губин A.C. и др. Выбор износоiстойких материалов при проектировании узлов трения // Материалы 67-й научно-технической конференции: Сб. докл. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. Т.1. С. 197-200.

92. Анцупов A.B., Губин A.C. Повышение долговечности гидроцилиндров уравновешивания валков НШСГП // Тезисы докладов XI международная научно-техническая конференция молодых работников ОАО «ММК»: Сб. тез. докладов. Магнитогорск, 2011. С.58-59.

93. Патент на полезную модель РФ 114890 от2012.04.20, В21В 31/32. Гидроцилиндр устройства для регулирования раствора валков прокатной клети / В.П. Анцупов, A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), С.П. Шинкевич, A.C. Губин, В.А. Русанов.