автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Развитие научных и методологических принципов конструирования элементов механических систем на основе структурно-энергетической теории прочности материалов

I? О и , г

и .

о О 1С Г\ Ц Г« П О О

С? '.'Ч О Г." IV! П ) ! /1 г

на правах рукописи

АНЦУПОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 ДЕК 2013

Магнитогорск 2014

005544547

005544547

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

Официальные оппоненты: Горбатюк Сергей Михайлович, доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой «Инжиниринг технологического оборудования» НИТУ «МИСиС», г. Москва

Баранов Георгий Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры «Детали машин» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Никитин Александр Григорьевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт и технологические машины» ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г. Новокузнецк

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный

университет», г. Челябинск

Защита диссертации состоится «06» марта 2014 г. в 15— на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

E-mail: dsovet21211103@mail.ru

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

Автореферат разослан «А» /<? 2013 г.

Ученый секретарь .-«¿г^

диссертационного совета Жиркин Юрий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и степень ее разработанности. Одной из наиболее ажных народно-хозяйственных проблем, которая охватывает, в том числе, метал-ургические отрасли промышленности, является вопрос повышения надежности ме-анического оборудования, так как характеристики его безотказности и долговечно-ти определяют уровень технико-экономических показателей производственных редприятий. Практика показывает, что надежность, как способность механической истемы сохранять во времени работоспособное состояние, лимитируется главным бразом техническим состоянием ее элементов - деталей и узлов наиболее нагру-енных сборочных единиц, устройств и механизмов. Это связано с тем, что веду-ие процессы утраты их работоспособности - разрушение или недопустимая пла-тическая деформация; много- и малоцикловая объемная усталость; множество ви-ов поверхностного разрушения деталей при трении, являются причиной отказов рактически 100% механических систем и приводят к значительным экономическим отерям.

Расходы на замену элементов конструкций, выработавших свой ресурс по кри-ериям длительной статической и усталостной прочности, в три - шесть раз превы-:ают их первоначальную стоимость. Одновременно вследствие завышенных запа-ов прочности излишний расход металла составляет 40-45% от общей массы деталей узлов. До 90% механических систем отказывают по критериям поверхностной рочности (износостойкости) элементов подвижных сопряжений. На работы по вос-тановлению деталей и обеспечению работоспособности узлов трения различных агрегатов, в технически развитых странах ежегодно расходуется до 4...5% национального дохода. Общие затраты на ремонты в связи с объемным и поверхностным разрушением деталей в несколько раз превышают стоимость новой машины.

В таких условиях с одновременным возрастанием требований к быстроходности, грузоподъемности, производительности и энергоемкости современных машин, актуальной становится проблема повышения надежности механических систем на всех стадиях их жизненного цикла. Первостепенную значимость приобретают этапы проектно-конструкторской разработки, особенно стадия конструирования, на которой при сравнительном анализе вариантов конструкции деталей, узлов и компоновке машины, согласно ГОСТ 2.106-96 и нормативных рекомендаций, выполняют контрольную проверку (проверочные расчеты) надежности отдельных элементов и машины в целом.

Для проектной оценки надежности в настоящее время используют полученные на основе обработки многочисленных экспериментальных данных статистические модели параметрических отказов. Анализ известных эмпирических зависимостей В.В. Болотина, Б.В. Гнеденко, A.C. Проникова, И.Б. Герцбаха, C.B. Серенсена, В.П. Когаева, P.M. Шнейдеровича, A.A. Кузнецова, H.A. Махутова, В.М. Михлина, Д.Н. Решетова, B.C. Лукинского, Ю.Н. Дроздова, К.В. Фролова, В.М. Гребеника, К. Капура, Л. Ламберсона, Ф. Байхельта, В.М. Труханова, И.В. Крагельского, X. Тума, Г.Фляйшера, A.B. Чичинадзе и многих других ученых, описывающих процессы формирования отказов элементов машин в различных условиях объемного или поверхностного нагружения, показывает, что они представляют собой различные ва-

рианты детерминистических или вероятностных моделей типа «нагрузка S - сопротивление R ».

В качестве параметров «нагрузки» S, отражающих техническое состояние нагруженного элемента, принимают расчетные значения силовых, деформационных, энергетических, геометрических и других характеристик, определяемых в функции внешних воздействий. Параметрами «сопротивления» R являются их предельные (критические) значения, характеризующие сопротивление изделий внешнему нагружению и определяемые как критерии их работоспособности - прочности, жесткости, износостойкости и т.п. Проектная оценка надежности деталей по заданным критериям основывается на сравнении расчетных параметров «нагрузки» с их предельными величинами «сопротивления». Главным показателем надежности, определяемым с помощью модели «нагрузка - сопротивление» по выбранному критерию, является либо детерминистический коэффициент запаса n = R/S работоспособности, либо вероятность безотказной работы элемента P = P(S<R) - вероятность недостижения расчетным параметром S предельной величины R.

Такого рода модели отказов для оценки проектной надежности элементов по критериям длительной статической и усталостной прочности разработаны в рамках механического (статического) подхода, научной основой которого является механика сплошной среды, деформация которой описывается закономерностями теории упругости и пластичности, а также теории предельных состояний. В этом случае в качестве параметров S используют расчетные значения максимальных напряжений (нормальных, касательных, эквивалентных, амплитудных), деформаций или затраченной на деформирование энергии. В роли предельных критериев R выступают соответствующие пределы (прочности, текучести, ползучести, выносливости), предельные деформации (статические, накопленные за критическое число циклов) или предельные энергетические характеристики (критическая плотность энергии Гриф-фитса — Орована, скрытая, энергия наклепа Коффина - Мэнсона, полная рассеянная энергия И.Ф. Лашко, площадь петли гистерезиса В.Т. Трощенко и др.).

Однако, механические (статические) модели не учитывают ни текущее время протекания процесса повреждаемости (в модели участвует момент конечного мгновенного разрушения), ни структурные изменения реальных дефектных, неоднородных конструкционных материалов, особенно в деформируемых трением поверхностных слоях. Предельные теории не позволяют объяснить причины разрушения материалов при нагрузках и деформациях меньших критических значений. Параметры нагрузки S и критерии прочности R не являются свойствами материалов, а характеризуют процесс нагружения изделия и изменяются в широких пределах в зависимости от условий опыта, имеют крайне большое (более, чем двух-, трехкратное) рассеяние. Поэтому, применяемые в настоящее время модели, по мнению многих ученых не являются достоверными и не подтверждаются в большинстве случаев экспериментально без подбора соответствующих эмпирических коэффициентов.

Многочисленные исследования физической природы поведения твердых тел под нагрузкой С.Н. Журкова, В.Р. Регеля, А.И. Слуцкера, Э.Е. Томашевского, B.C. Ивановой, В.В. Федорова, В.Е. Панина, В.И. Владимирова, Л.И. Погодаева, Л.И. Бершадского Г.М. Бартенева, Л.И. Куксеновой, Л.М. Рыбаковой, Ю.Н. Дроздова, Д.Г. Громаковского, И.Д. Ибатуллина, A.B. Макарова, С.А. Полякова и др. описы-

вают разрушение как кинетический, развивающийся во времени процесс постепенной повреждаемости материалов и накопление дефектов их структуры на различных мсштабных уровнях.

В этом плане, при построении моделей отказов для проектной оценки надежно-ти нагруженных элементов на стадии конструирования машин, более перспектив-о, на наш взгляд, применение математических моделей «параметры повреждаемо-ти X, - критерии разрушения Х„р», которые описывают разрушение как развива-щийся во времени процесс постепенной повреждаемости структуры материалов тгруженных деталей и отражают кинетику изменения их энергетического состоя-ия. Энергетическим условием разрушения наиболее нагруженных объемов матери-ia - появлением в них трещин критического размера, является достижение пара-етром повреждаемости X, - затраченной в процессе деформирования удельной нергии внешних сил Ud, предельного значения Х„р. В качестве Х„р - критерия раз-ушения, используют одну из термодинамических характеристик: плотность энер-ии сублимации Qc, скрытую теплоту плавления Ls, энтальпию материала в твер-ом Штв или жидком AHs состоянии.

Однако практическое применение этих моделей для проектной оценки надеж -ости элементов механических систем осложняется рядом причин. Во-первых, в ермодинамических моделях сопоставляются две величины, различные по физиче-кому смыслу. Работа Ud внешних сил, изменяющаяся для одного и того же материла в широких пределах в зависимости от условий его протекания, является харак-еристикой процесса. Величины Qc, Ls, ДНтв, &Hs являются термодинамическими онстантами материала. Попытки их сопоставления, по мнению К.А. Осипова, B.C. Твановой, В.В. Федорова и др., с термодинамической точки зрения являются некор-ектными и находятся в противоречии с закономерностями механики разрушения вердых тел и началами термодинамики. Во-вторых, в предложенных гипотезах не ринимается во внимание очевидный факт превращения значительной доли работы внешних сил Ud в тепловую энергию. Ее большая часть (до 70...95% - при объемном нагружении и до 97...99,8% - при трении) рассеивается в окружающей среде посредством теплообмена. Меньшая часть приводит к саморазогреву материала и протеканию противоположных упрочнению процессов релаксационного типа (воз-рат, отдых), ведущих к аннигиляции (залечиванию) дефектов.

Эти обстоятельства учтены при создании современных структурно-нергетических теорий прочности, основанных на гипотезе об энергетической ана-[огии механического и термического вида разрушения структуры материалов тверда тел. Одной из экспериментально обоснованных и завершенных комплексных теорий, предложенных в рамках эргодинамической концепции деформируемых твердых тел, является термодинамическая теория прочности В.В. Федорова. Она построена на структурно-энергетическом анализе кинетического процесса повреждаемости и разрушения материалов. В ее основу положены общие законы термодинамики необратимых процессов, молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности материалов С.Н. Журкова с использованием фундаментальной зависимости Аррениуса, а также теории дислокаций в их

взаимной диалектической связи на базе основного закона природы — закона сохранения энергии.

Однако практическое использование современных теорий при разработке моделей проектных параметрических отказов нагруженных элементов механических систем на стадии их конструирования по критериям объемной или поверхностной прочности, требует либо предварительного проведения модельных или натурных испытаний опытных образцов, либо специальных экспериментальных исследований для получения тех или иных, входящих в модели, физических величин.

Несмотря на высокий уровень современных представлений о физической природе процессов повреждаемости и разрушения материалов, получить исчерпывающее теоретическое описание процессов формирования отказов деталей машин пока не удается. Вопрос о чисто аналитической оценке процесса деградации нагруженных элементов и прогнозирования показателей их безотказности и долговечности на стадии конструирования в физической теории надежности остается наиболее открытым. В научном плане эта задача требует развития теоретической базы и новых методологических принципов построения моделей проектных отказов деталей, узлов и механизмов на стадии конструкторской разработки для поиска корреляции между ожидаемым ресурсом изделий, свойствами материалов и условиями эксплуатации.

Решение указанных проблем на основе развития научной методологии конструирования технических объектов применительно к механическим системам металлургических агрегатов, составляет содержание настоящей работы

Объектом исследований в диссертации являются детали, узлы, устройства и механизмы металлургических машин, лимитирующие срок их службы, предметом исследований - научные и методологические принципы и методики их конструирования, модели проектной оценки показателей надежности и способы повышения безотказности и долговечности.

Цель диссертационной работы. Разработка методологии проектной оценки надежности элементов металлургических машин и выбор эффективных способов повышения их долговечности на основе развития структурно-энергетической теории повреждаемости и разрушения материалов.

Для достижения цели последовательно решаются следующие задачи:

1. Разработка универсального методологического подхода к постановке краевых задач для проектной оценки надежности элементов механических систем на основе моделирования процесса формирования их отказов по критериям кинетической прочности материалов.

2. Разработка методологии постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности в условиях объемного нагружения.

3. Построение методологии постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения.

4. Верификация теоретических разработок по результатам сравнительных экспериментальных и теоретических исследований процессов объемного и поверхностного разрушения образцов при стандартных испытаниях на лабораторных установках.

5. Проведение проектных исследований надежности и обоснование промышленной реконструкции привода вращения обжиговой печи 0-4,5хЬ-125 агрегата для производства клинкера с целью повышения долговечности по критериям объемной прочности его элементов и устранения внезапных отказов.

6. Повышение безотказности объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков на основе проектных исследований ресурса герметизирующих узлов и разработки новых модификаций его конструкции.

7. Проектная оценка и продление срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи для оценки ресурса элементов его подвижных сопряжений.

Тема диссертационной работы поддерживалась:

- грантами, полученными по научно-технической программе «Конкурс студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов Челябинской области» в 2005г, федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»;

- комплексным проектом Минобрнауки России по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства РФ № 218 от 9.04.10г. «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства», договор № 13X325.31.0061).

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработан универсальный методологический подход к проектной оценке надежности элементов механических систем на стадии конструирования без проведения модельных и натурных экспериментов, научную основу которого, в отличие от известных положений механики сплошной среды и теорий предельных состояний, составляют:

- общая концепция постановки краевых задач, как системы уравнений для оценки показателей их безотказности и долговечности, построенная на основе математической формализации базовых понятий теории надежности;

- основополагающее уравнение деградации (старения) исследуемого объекта, выведенное на основе энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материала для заданных условий однозначности - расчетной схемы нагружения, отличительных признаков, начальных и граничных условий.

2. В рамках общего подхода сформулирована методология решения краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных внешнему объемному нагружению, и разработана на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, основными отличиями которых являются:

- кинетическое уравнение повреждаемости деталей для расчета скорости роста плотности энергии дефектов структуры материалов, выведенное на основе термодинамической теории прочности;

- система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы) элементов по критериям объемной прочности материалов.

3. В рамках общего подхода сформулирована методология решения краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения, и разработана на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, отличительными особенностями которых являются:

- новый энерго-механический подход, построенный на синтезе базовых положений термодинамической теории прочности твердых тел и молекуляр-но-механической теории трения, на основе которого впервые установлено, что скорость разрушения поверхностных слоев определяется мощностью механической составляющей сил трения, коэффициентом поглощения внешней энергии и критической энергоемкостью материала;

- кинетическое уравнение деградации элементов сопряжений для расчета скорости разрушения (изнашивания) материалов поверхностных слоев, выведенное на основе энерго-механического подхода;

- статически определимая система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и гамма-процентного ресурса (срока службы) элементов сопряжений по критериям прочности материалов поверхностных слоев.

4. Разработаны модели проектных отказов, методики и алгоритмы расчета ожидаемого ресурса стандартных образцов для краевых условий следующих лабораторных экспериментов: при их испытаниях на одноосное растяжение; на усталостную прочность при симметричном цикле «растяжение - сжатие»; при испытании образцов на машине трения по стандартной схеме «ролик - колодка».

5. Разработана новая физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета среднего срока службы привода вращения обжиговой печи 0-4,5хЬ-125 агрегата для производства клинкера по критериям объемной прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни открытой зубчатой передачи.

6. Разработана новая физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания рабочих валков станов горячей листовой прокатки на основе постановки и решения однопараметрической краевой задачи теории надежности герметизирующих элементов.

7. Разработана не имеющая аналогов физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи теории надежности элементов подвижных сопряжений.

Теоретическая значимость исследований обоснована тем, что: - раскрыты проблемы использования известных полуэмпирических моделей для прогнозирования надежности элементов механических систем металлургических машин на стадии конструирования, связанные с необходимостью проведения дополнительных модельных или натурных экспериментов;

- изучен генезис процесса повреждаемости и разрушения материалов в процессе эксплуатационного нагружения деталей машин и установлены причинно - следственные связи показателей их надежности с параметрами внешнего воздействия и свойствами материалов;

- доказано научное положение о пропорциональности скорости деградации (старения) нагруженных элементов механических систем скорости накопления в локальных деформируемых объемах потенциальной составляющей внутренней энергии материала, определяющей степень поврежденности их структуры;

- создана единая универсальная методология проектной оценки надежности элементов механических систем на основе энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материалов для заданных условий однозначности - расчетной схемы нагружения, отличительных признаков, начальных и граничных условий;

- сформулирована универсальная методика конструирования класса деталей машин, подверженных внешнему объемному или поверхностному нагружению с требуемым уровнем безотказности и долговечности;

- изложена новая методика проектирования более долговечных конструкций промышленных узлов трения машин и агрегатов, с использованием более износостойких материалов и однослойных - полимерных или медьсодержащих, и двухслойных металл - полимерных антифрикционных покрытий.

Практическая ценность.

1. Разработано программное обеспечение для проектной оценки и повышения ресурса:

- стандартных образцов при их испытаниях в различных условиях объемного и поверхностного нагружения на лабораторных установках;

- наиболее нагруженных деталей привода вращения обжиговой печи, герметизирующих узлов плунжерных гидроцилиндров, элементов подвижных сопряжений золотниковых распределителей.

2. Выполнено проектное обоснование реконструкции привода обжиговой печи Б4,5хЬ125 для производства клинкера с повышенным сроком службы, которая внедрена в промышленное производство.

3. Разработана универсальная методика выбора материалов и антифрикционных покрытий для проектирования деталей трения машин повышенной долговечности.

4. Разработаны, апробированы и защищены патентами на изобретение и полезную модель новые варианты конструкции объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков, которые внедрены на станах горячей листовой прокатки ОАО «ММК».

5. Спроектированы, изготовлены и внедрены на станах горячей листовой прокатки ОАО «ММК» новые, защищенные патентами на изобретение и полезную модель, варианты конструкции золотниковых гидроаппаратов систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос.

Методы исследований. Применительно к проблематике диссертации результативно, с получением обладающих новизной результатов, использован комплекс базовых методов исследования:

- теории вероятностей и физической теории надежности;

- современной кинетической теории повреждаемости и разрушения твердых тел, базирующейся на основных положениях термодинамики, молекулярной кинетики (термоактивационном анализе) и теории дислокаций;

- молекулярно - механической теории трения и усталостного изнашивания;

- физического и математического моделирования,

- методы экспериментальных (лабораторных и промышленных) исследований.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Универсальный методологический подход, позволяющий на стадии конструирования формулировать краевые задачи теории надежности элементов механических систем машин и агрегатов в общей постановке для оценки показателей их безотказности и долговечности на основе структурно-энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материала для заданных условий однозначности.

2. Методология постановки краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных объемному нагружению, и разработанная на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, которая представляет алгоритм решения статически определимой системы уравнений для расчета скорости повреждаемости структуры материалов, вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы).

3. Методология постановки краевых задач класса деталей машин, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения, и разработанная на ее основе методика их конструирования с обеспечением требуемого уровня безотказности и долговечности, которая представляет алгоритм решения статически определимой системы уравнений для расчета скорости разрушения материалов поверхностных слоев, вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы).

4. Новый энерго-механический подход, построенный на синтезе базовых положений термодинамической теории прочности твердых тел и молекулярно-механической теории трения, на основе которого впервые установлено, что скорость разрушения поверхностных слоев определяется мощностью механической составляющей сил трения, коэффициентом поглощения внешней энергии и критической энергоемкостью материала.

5. Модели проектных отказов, методики и алгоритмы расчета ожидаемого ресурса стандартных образцов для краевых условий лабораторных испытаний на одноосное растяжение; на усталостную прочность при симметричном цикле «растяжение - сжатие»; испытаний образцов на машине трения по стандартной схеме «ролик - колодка».

6. Физико-вероятностная модель процесса формирования проектных отказов и методика расчета ожидаемого срока службы привода вращения обжиговой печи Б-4,5хЬ-125 агрегата для производства клинкера по критериям объемной прочности наиболее нагруженных элементов.

7. Модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания рабочих вал-

ков станов горячей листовой прокатки на основе постановки и решения однопара-метрической краевой задачи теории надежности герметизирующих элементов.

8. Физико-вероятностная модель процесса формирования отказов и методика расчета срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи теории надежности элементов подвижных сопряжений.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных в работе результатов и адекватность разработанной методологии, построенных на ее основе методик и моделей, обеспечивается использованием системного подхода, признанных целостных современных теорий, строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных и удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и лабораторного и промышленного эксперимента. В частности:

- использованы современные методики сбора и обработки исходных данных о долговечности стандартных образцов в лабораторных испытаниях, элементов привода вращения обжиговой печи, плунжерных гидроцилиндров и золотниковых гидрораспределителей в промышленных исследованиях, сформированные в виде статистически значимых выборок их значений.

- для экспериментальных исследований применялось сертифицированное оборудование (в том числе, прибор для измерения шероховатости «РегЛотйег 82 МАНЯ», инфракрасный термометр «СОЫОТЯОЬ Ж - Т4», электронные эталонные весы МЕ2158 1-го разряда высокой точности для измерения массы образцов, разрывная машина ИР 5113-100, машина трения СМТ-1 с тарировкой датчиков для измерения параметров внешнего нагружения);

- методология конструирования технических объектов построена на базовых положениях теории вероятностей, физической теории надежности, современной эр-годинамической теории повреждаемости и разрушения твердых тел, построенной на синтезе неравновесной термодинамики, молекулярной кинетики (термоактивацион-ном анализе) и теории дислокаций; молекулярно-механической теории трения и усталостного изнашивания, неоднократно проверенных в многочисленных исследованиях и опубликованных в трудах известных отечественных и зарубежных ученых;

- полученные теоретические результаты удовлетворительно согласуются с собственными экспериментальными данными и результатами других авторов по долговечности стандартных образцов, полученных в лабораторных условиях при испытаниях: на одноосное растяжение, переменное нагружение по симметричному циклу «растяжение - сжатие», по истиранию на машине трения. Диапазоны ошибок предсказания ресурса образцов не превышают - = (0,7...+ 30,3) % (по математическому ожиданию) и 8„ = (4,18 ..49,8) % (по среднему квадратическому отклонению); в промышленных испытаниях - средняя ошибка 8, <17%.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация посвящена развитию научных положений и разработке новых методологических принципов конструирования механических систем металлургических агрегатов на основе структурно-энергетического моделирования процесса повреждаемости и разрушения ма-

териалов наиболее нагруженных элементов, созданию на этой базе новых методик конструирования, моделей и алгоритмов для обеспечения требуемого уровня показателей их надежности по результатам теоретических исследований возможных способов снижения скорости деградации материалов (способов повышения долговечности), экспериментальным исследованиям и внедрению найденных проектных решений. Решение этих проблем соответствует паспорту специальности 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки, и отражает:

- в формуле специальности: «...разработку научных и методологических основ конструирования ... машин...»; «теоретические и экспериментальные исследования»;

- в области исследований: 1 пункт: «разработку научных и методологических основ проектирования и создания новых узлов машин» повышенной надежности и долговечности; 5 пункт: «разработку научных и методологических основ повышения ресурса и экономической эффективности узлов машин».

Реализация результатов. Разработанные в диссертации новые варианты конструкции привода обжиговой печи, объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания прокатных валков и золотниковых гидроаппаратов систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос, внедрены на ОАО «МЦОЗ», станах «2500» и «2000» горячей листовой прокатки ОАО «ММК».

Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе МГТУ в виде учебно-методических материалов (монографий, учебных пособий, расчетных и лабораторных практикумов) при подготовке студентов по направлению 1504.00.62 и 151000.68 - Технологические машины и оборудование и специальности 1504.04.65 - Металлургические машины и оборудование.

Апробация результатов. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на международных и всероссийских конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе: IV конгрессе прокатчиков (Магнитогорск, 2001г.); Х1ЛП международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2004г.); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, ЛГТУ, 2006г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 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 «ОАО ММК» (Магнитогорск, 2011г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 2011г.); X международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012г.); XII международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, БГТУ им. Д.Ф. Устинова (ВОЕНМЕХ), 2012г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 2012г.); межрегиональных научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ МГТУ им. Г.И. Носова за 1998-2013г. (г. Магнитогорск, 1999-2013г.г.).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 81 опубликованных работах, 55 из них включены в автореферат: 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК; в других изданиях -29 работ. Опубликовано 3 монографии. Патентами РФ защищены 7 технических решений.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 345 наименований и семи приложений (акты передачи, испытаний, использования результатов и внедрения) на 43 страницах. Общий объем диссертации составляет 371 страницу, включая 42 рисунка и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень ее разработанности, сформулирована цель и задачи исследований. Отражена научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, описаны методы исследований, степень достоверности и апробация результатов.

В первом разделе приведен анализ проблемы проектной оценки и обеспечения надежности механических систем при их конструировании с использованием моделей параметрических отказов деталей наиболее нагруженных сборочных единиц, узлов и подвижных сопряжений по критериям объемной или поверхностной прочности. Степень разработанности проблемы описана в общей характеристике работы, где отмечено, что:

- применяемые в настоящее время на стадии конструирования известные эмпирические модели отказов элементов машин типа «нагрузка - сопротивление» для оценки коэффициентов запаса прочности или вероятности недостижения «нагрузкой» их предельного значения «сопротивления» созданы в рамках механического (статического) подхода, научной основой которого является механика сплошной среды и теории предельных состояний. При таком подходе расчетные параметры «нагрузки» и их предельные значения «сопротивления» (критерии прочности), не являются свойствами материалов, а характеризуют процесс нагружения и изменяются в широких пределах в зависимости от условий опыта, имеют крайне большое (более чем двух-, трехкратное) рассеяние;

- модели не учитывают ни текущее время протекания процесса повреждаемости, ни структурные изменения реальных дефектных, неоднородных конструкционных материалов и, по мнению многих исследователей, не являются достоверными и не подтверждаются в большинстве случаев экспериментально без подбора соответствующих эмпирических коэффициентов;

- более перспективными при решении проблемы проектной оценки надежности элементов механических систем на стадии их конструирования представляются модели типа «параметры повреждаемости - критерии разрушения», разрабатываемые в рамках структурно-энергетических теорий прочности, которые описывают разрушение как кинетический, развивающийся во времени процесс накопления повреждений структуры материалов;

- несмотря на высокий уровень современных представлений о физической природе процессов повреждаемости и разрушения материалов, получить на этой основе исчерпывающее теоретическое описание процессов формирования отказов изделий пока не удается. Вопрос о чисто аналитической оценке процесса деградации нагру-

женных элементов и прогнозирования показателей их безотказности и долговечности на стадии конструирования по критериям кинетической прочности конструкционных материалов в физической теории надежности остается наиболее открытым;

- в научном плане эта задача требует развития теоретической базы и новых методологических принципов построения моделей проектных отказов деталей, узлов и механизмов на стадии конструкторской разработки для поиска корреляции между ожидаемым ресурсом изделий, свойствами материалов и условиями эксплуатации.

Для решения указанных проблем на основе развития научной методологии конструирования технических объектов применительно к механическим системам металлургических агрегатов, поставлена цель и сформулированы задачи, которые описаны в общей характеристике работы.

Во втором разделе, на первой стадии теоретических исследований, решена первая задача диссертации - разработан универсальный методологический подход к проектной оценке надежности элементов механических систем по критериям кинетической прочности материалов. Структуру подхода и его научную основу отражает единая исходная концепция постановки краевых задач в виде последовательности операций формулирования замкнутой системы уравнений для оценки показателей их надежности и основополагающего уравнения деградации (старения) исследуемых объектов. Предложенная концепция, с учетом математической формализации базовых понятий теории надежности, представляет совокупность следующих строго определенных, логически взаимосвязанных этапов.

I. Выбор контролируемого параметра технического объекта. На этой стадии, согласно стандартному определению термина «состояние объекта», назначается контролируемый параметр X,, изменение которого по определенному закону X, = /(/) от начальной величины Х0 до предельного значения х„р со скоростью X, =dX,ldt, позволяет моделировать (предсказывать) поведение (смену состояний) проектируемого изделия в течение всего периода его будущей эксплуатации в предполагаемых условиях нагружения.

II. Формулирование уравнения состояний изделия. Для возрастающего (+) или убывающего (-) со временем выбранного параметра X, уравнение состояний объекта представляется одной из случайных функций:

х,=х0±)х,-л, (I)

о

где Х0 - распределение случайного параметра X, в начальный момент времени t = t0, характеризующее исходное состояние объекта.

Уравнения (I) моделируют процесс деградации объекта во времени.

III. Формулирование условия работоспособности элемента. На данном этапе, в соответствии со стандартным определением термина «работоспособность объекта», математически формулируется условие его работоспособности, которое в общем виде отражается одним из неравенств:

x, = x0 + \xrdt<x„p или Х, = Х0-\X,-dt>xrp, (И)

о о

где хп - предельное значение параметра X,, устанавливаемое в нормативно-технической документации (НТД) или назначаемое из опыта эксплуатации подобных объектов.

Условия (II) отражают область всех возможных работоспособных состояний объекта.

IV. Вывод уравнений для оценки показателей безотказности объекта. На данной стадии с использованием понятия «функция распределения F(x)» формулируются зависимости для оценки вероятности выполнения условий работоспособности (II), которые определяют вероятность безотказной работы изделия на любой фиксированный момент времени t будущей эксплуатации:

P(l) = Р(Х, < Х„г ) = />((*„ + \хгЛ)< х„р) = F(x,¡p)или />(<) = ПХ, > х„р) = 1 - Р(( Jf„ -í X, ■ di) < *„,) = 1 -F(*„,) ■ (ПО

о О

Уравнения (III) отражают уровень безотказности объекта и определяют закон его надежности в интегральной (или дифференциальной /(<) = -dP(t)/dt) форме - закон формирования параметрических (по параметру X,) отказов объекта.

V. Формулирование уравнения перехода изделия в предельное состояние (состояние параметрического отказа). На данном этапе, в соответствии со стандартными определениями «предельное состояние» и «параметрический отказ», формулируются условия перехода объекта в состояние параметрического отказа в виде достижения параметром X, предельного значения:

x,=x0±\x,-dt = x„p. (IV)

о

Эти зависимости отражают область всех возможных предельных состояний объекта.

VI. Вывод уравнений для оценки показателей долговечности объекта. На этой стадии, в соответствии со стандартным определением понятия «гамма-процентный ресурс» tr, выводятся зависимости для его оценки решением уравнения (IV) относительно t = iy для заданного допустимого значения вероятности безотказной работы [р(0]=г и соответствующего ему значения квантили ["„,,(,,)] распределения по известному закону случайной величины X,. В общем виде эту зависимость можно представить некоторой функцией:

tr= л х0,х„ (V)

VII. Вывод кинетического уравнения деградации (старения) изделия. Кинетическое уравнение старения объекта формулируется на основе какой-либо теории или обобщении экспериментальных данных и устанавливает функциональную связь скорости изменения контролируемого параметра X, с геометрическими и микрогеометрическими параметрами изделия d, и д,, свойствами материала гт„и„ кинематическими V, силовыми F, энергетическими А, Т условиями нагружения и временем I. В общем виде ее можно представить в виде некоторой случайной функции:

X, =f(d„b„ с, ,!(,, V,F, А, Г, t,...). (VI)

С позиций теории надежности незамкнутая система уравнений (I)-{VI) представляет физико-вероятностную модель процесса формирования параметрических

(по параметру X,) отказов элементов механических систем, подверженных любому виду внешнего нагружения. С точки зрения математической физики, она отражает постановку краевой задачи теории надежности этих элементов в общем виде, решение которой требует четкого формулирования условий однозначности, выделяющих исследуемый объект из класса ему подобных.

Кроме того, для корректной постановки задач и вывода кинетического уравнения деградации изделий (VI), на основе термодинамической теории прочности твердых тел под нагрузкой В.В. Федорова в диссертации получено в явном виде упрощенное уравнение повреждаемости структуры конструкционных материалов для стационарных условий их нагружения. Эта теоретическая зависимость для оценки скорости й„ изменения плотности ие, потенциальной составляющей внутренней

энергии в локальных наиболее нагруженных объемах изделия характеризует скорость накопления в них различного рода дефектов. Для проектной оценки показателей надежности изделий на стадии их конструирования она представлена выражением:

йе=к1-Аа-стг-М-*1(6-С(Т)-у), (7)

где к„ - коэффициент перенапряжения межатомных связей:

ка = (6,47 -10 -*-НУ + 0,12 • 10'2 Г1; (7.а)

А0 - коэффициент влияния напряжений и температуры на скорость повреждаемости:

А0=у-и{а,Т)-(И-Ы0У^ ■ ехр(-£/(ст,Г)/(Д • Т)); (7.6)

и(сг,Т) - энергия активации процесса разрушения межатомных связей при данном напряжении сг и температуре Т:

и [а, Т) = и„ - Д и(т) - (М;2 - к\) /(18 • V • К(Т)) • <т:2; (7 .в)

Ди(т) - доля энергии активации, определяемая температурой наиболее нагретого участка образца Т:

&и(г) = 3-а0-К(Т)-Т/2; (7.г)

К(т) - коэффициент всестороннего сжатия материала при температуре Т:

К{Т) = Е(Т)1(Ъ-(\-2-»{Т))У, (7.д)

Е(т) и //(г) - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала при температуре Т;

0(7")- модуль упругости материала при температуре Т:

С(г)=£(Г)/(2.(1 + /4Г)». (7.е)

м\ - коэффициент эквивалентности напряженного состояния:

Л^=((1 + ,-)2+(1-/-)2)/4; (7-Ж)

г = атт /<ттах - коэффициент асимметрии цикла:

стт,„, сгтах, <г0-минимальное, максимальное и амплитудное напряжение цикла; ие0 - плотность потенциальной (скрытой) энергии материала детали в исходном (при г = 0) состоянии:

и,0=(0,071-ЯГ)2,4/(6-С-(6,47-1<Г6-ЯК +0Д2-10"2)2); (7.з)

(НУ —твердость материала по Виккерсу в исходном состоянии); ит = Ьит - приращение плотности (плотность) тепловой составляющей внутренней энергии:

по

Аит(1) = ит(1) = \р-с(ТЦ))-аТ\ (7.к)

о

р,- с(Т(1)) - плотность и теплоемкость материала при температуре Т; и0 - свободная энергия активации при Т = 0 К и <т0 = 0; к, Я, М0 - постоянная Планка, газовая постоянная и число Авогадро; а0 — коэффициент линейного теплового расширения; р(т) - коэффициент Пуассона материала при температуре Т; V - постоянный для данной марки стали коэффициент неравномерности распределения внутренней энергии по объему нагруженной детали.

Изложенные выше представления использованы для решения второй задачи -разработки методологии корректной постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности в условиях стационарного объемного нагружения.

В качестве контролируемого параметра X, состояния объекта принята случайная величина плотности энергии дефектов ие1, распределение которой согласно центральной предельной теореме теории вероятностей может быть принято нормальным с числовыми характеристиками йе1 и аи с.

В этих условиях постановка краевой задачи (1)-(У1) с учетом (7) для проектной оценки безотказности элементов механических систем по критериям объемной прочности материалов, включает систему определяющих уравнений: - уравнения состояний элемента (/):

+ СГ*,

(8)

- уравнения для оценки вероятности его безотказной работы(Ш): P(t) = P(ut,< ит)) = Ф((ие.-(x0+i-t))l + cr? • f2 );

- уравнения для оценки гамма - процентного ресурса (VI): ^ _ йе - А». -yj(Aii.-йе)2 ~([u„pir)?-о1е -»/Ht'yp.)]2 -о-цо ~ Ам.2)

1 "«2 -["„р(г)]1

- кинетическое уравнение деградации изделия (7): йе = A0-(kl ■ м\ -сг2 /(6-v G(T));

и условия однозначности:

- отличительные признаки и параметры исследуемого объекта, выделяющие его из класса других изделий: расчетная схема и режим нагружения объекта; назначенный ресурс t = tH при оценке вероятности безотказной работы P(t„); допустимое значение вероятности безотказной работы [/>(/)] = у при оценке гамма-процентного ресурса / = tr; доля плановых простоев машины Я и др.

- начальные условия, характеризующие исходное состояние объекта и представляющие совокупность значений всех параметров, входящих аргументами в уравнение (7), в начальный момент времени / = ?0 •

- граничные условия — уравнения и условия (7.а-к) для определения вспомогательных величин, необходимых для решения краевой задачи (8).

На основе решения поставленной краевой задачи в табл. 1 сформулирована методика конструирования элементов машин по критериям объемной прочности материалов для обеспечения установленного в техническом задании уровня их надежности и срока службы.

Таблица 1

Методика конструирования элементов машин с требуемым уровнем _надежности по критериям объемной прочности_

Операция 1 Построение ориентировочной расчетной схемы нагружения детали

Операция 2 Определение проектных размеров наиболее опасных сечений детали из выбранного материала по условиям прочности

Операция 3 Формулирование отличительных признаков и уточнение конструкции детали: формирование ее отдельных элементов - выточек, галтелей, фасок, шпоночных пазов и т.д.

Операция 4 Формирование начальных условий определение значений всех параметров, входящих аргументами в уравнение (7), в начальный момент времени t = <0 и уточнение значений внешних нагрузок, режимов их изменения и формирование блоков нагружения.

Операция 5 Формирование граничных условий - определение вспомогательных величин по уравнениям и условиям (7.а-к), необходимых для решения краевой задачи (8).

Операция 6 Расчет числовых характеристик йе, сгЛе, vlle = <т„ е / ii,, е скорости ие1 деградации (повреждаемости) элемента по условиям (7) системы (8)

Операция 7 Расчет вероятности безотказной работы изделия P(t) для назначенного ресурса 1 = 1„ по зависимости (III).

Операция 8 Расчет гамма-процентного ресурса ty для заданного допустимого значения вероятности безотказной работы [Р(/)] = Y по условиям (VI) системы (8).

Операция 9 Расчет гамма-процентного срока их службы ta у - (1 + П) ■ ty.

Операция 10 Если расчетный срок службы изделия не достигает значения, установленного в техническом задании, по п. 1-9 проверяется новый, улучшенный вариант изделия с изменением конструкции, условий нагружения, подбором нового материала и т.д.

Поскольку указанная последовательность расчетных операций представляет решение чисто теоретической краевой задачи, то очевидно, что их выполнение базируется только на корректно заданных исходных справочных данных. При этом отсутствует необходимость выполнения традиционного статистического анализа надежности известных аналогов для принятия того или иного вида распределения наработок до отказа исследуемого элемента, а также проведения экспериментальных исследований модельных или натурных образцов.

Решение третьей задачи теоретических исследований - построение методологии постановки и решения краевых задач и методики конструирования класса де-

талей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности, подверженных поверхностному нагружению в условиях стационарного внешнего трения, выполнено аналогичным образом согласно этапам общего подхода I- VII.

Отличительной особенностью методологии проектной оценки элементов подвижных сопряжений машин по критериям прочности материалов поверхностных слоев, являются два новых признака. Во-первых, в качестве параметра X, состояния деталей узлов трения обычно принимают изменяющийся при эксплуатации их линейный размер. Во-вторых, кинетическое уравнение (VII) для оценки скорости X его изменения (деградации изделий), равной скорости разрушения материалов поверхностных слоев Y, выведено на основе разработанного в диссертации энергомеханического подхода. Он сформулирован на основе термодинамического анализа процесса граничного трения, как процесса двойственной молекулярно-механической природы. Совместное решение основополагающих уравнений энергетического баланса процесса контактного взаимодействия и молекулярно-механической теории внешнего трения позволило получить зависимость для оценки числовых характеристик нормально распределенной случайной величины скорости X = Y разрушения поверхностных слоев элемента в виде:

- a' 'У '/мех -Рты 'Уск . а _ а -Уу'/мх-Рты-Кк ^

у~ AHS-Ue0-Aur ' * AHs-ue0-AuT

где а' = А01АТ - коэффициент перекрытия; А0 - номинальная площадь контакта и Ат - площадь трения элемента, определяемые расчетной схемой; v av - числовые коэффициента поглощения энергии материалом поверхностного слоя, определяемые по методике Б.В. Протасова в функции числовых характеристик параметров шероховатости поверхностей; f>ex - механическая составляющая коэффициента трения в установившемся режиме трения, определяемая по методике B.C. Комбалова в функции температуры установившегося режима, значение которой определяется по методике A.B. Чичинадзе; /;,„„ - максимальное значение номинального давления в зоне контакта; VCK - скорость относительного перемещения элементов.

Конечный результат теоретических исследований на этом этапе - методика конструирования класса деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности, подверженных поверхностному нагружению в условиях стационарного внешнего трения, получен решением краевой задачи (I)-(VI)- (9), с учетом (7.а-к), и представлен в табл. 2.

В третьем разделе представлено решение четвертой задачи диссертации - верификация теоретических разработок по результатам сравнительных экспериментальных и теоретических исследований процессов объемного и поверхностного разрушения образцов при стандартных испытаниях на лабораторных установках.

Для оценки адекватности методики, изложенной в табл. 1, в первой части третьей главы представлены результаты сравнения экспериментальных значений скорости повреждаемости наиболее нагруженных объемов материалов и среднего ресурса t3 стандартных образцов, найденных по результатам их испытаний на растяжение, с аналогичными значениями йе и I, рассчитанными по пунктам 3-9 указанной методики для краевых условий проведенного эксперимента.

Таблица 2

Методика конструирования элементов фрикционных сопряжений машин с требуемым уровнем надежности по критериям поверхностной прочности

Операция 1 Формирование расчетной схемы взаимодействия элементов, выбор материалов, определение формы и размеров элементов сопряжения в установленной при компоновке машины габаритной зоне расположения опоры

Операция 2 Формирование шести групп исходных данных, согласно начальным условиям задачи.

Операция 3 Расчет геометрических параметров сопряжения: площадей трения ATtl, их периметров г/12, площади контакта Аа, и коэффициентов перекрытия а, 2, давления ртах для выбранной расчетной схемы.

Операция 4 Расчет характеристик v, 2 и <т„i 2 коэффициента поглощения внешней энергии поверхностными слоями элементов по методике В.Б. Протасова

Операция 5 Расчет полного коэффициента трения / в период приработки по методике Крагельского - Михина.

Операция 6 Расчет температур Г12 поверхностных слоев трибоэлементов по методике A.B. Чичинадзе.

Операция 7 Расчет механической составляющей коэффициента трения fflex в установившемся режиме по методике B.C. Комбалова

Операция 8 Определение критической энергоемкости = АНs -ие0 - Дит локальных объемов поверхностных слоев, где ие0 и Дит по (7,з, к).

Операция 9 Расчет числовых характеристик у1 г и а^1>2 скорости разрушения поверхностных слоев по (9).

Операция 10 Расчет гамма-процентного ресурса ty по (VI), с учетом нормального закона распределения величины X,, и срока службы tay = (1 + П) • ty .

Операция 11 Если расчетный срок службы изделия не достигает значения, установленного в техническом задании, по п. 1-10 проверяется новый, улучшенный вариант изделия с изменением конструкции, условий нагружения, подбором нового материала, улучшением фрикционного взаимодействия элементов и т.д.

Для определения значений г(еэтах и 1Э, по методике ГОСТ 23.218-84 «Метод определения энергоемкости при пластической деформации материалов», проведены испытания на растяжение стальных образцов, рис. 1 .а.

Рис. 1. Результаты испытаний образцов на растяжение (а - образцы до и после испытаний; б - распределение относительной деформации 5, подлине образца)

Четыре образца из стали 25 и три образца из стали 40Х растягивали на машине ИР 5113-100 в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73, непрерывно регистрируя усилие F, полную деформацию и ее распределение по длине образца. Распределение деформаций по длине образца фиксировали по искажению отпечатков, рис. 1 .а, которые наносили на одну из граней в пределах базовой длины /0 алмазной пирамидкой по ГОСТ 2999-75 с определенным интервалом на стационарном твердомере Ernst NR3D. Для этого до и после испытаний измеряли диагонали отпечатков при помощи микроскопа Meiji IM 7200.

По результатам замеров (после испытаний каждого образца) полной площади диаграммы растяжения Е и распределения по длине образца относительных деформаций 8, диагоналей и соответствующих им температур Т,{8,), максимальное значение которой в месте разрыва фиксировали инфракрасным термометром «CONDTROL IR - Т4», вычисляли на каждом /-том участке следующие параметры, см. табл.3:

А/,. и S, - абсолютную деформацию и площадь поперечного сечения; А,- = F ■ Л/,- -полную работу внешней силы F = E/M (работу деформации); Qip - тепловую энергию, переданную за время tp деформации окружающей среде посредством теплообмена; MJ, =A,-Q, - приращение внутренней энергии структуры материала и среднюю в объеме V материала каждого -того участка скорость накопления плотности дефектов его структуры - й3 =(Ди,- - AuTi)/tp =(Д£/, IVу -р-с-Т,)/tp. Максимальная скорость й3тю1 (и соответствующий ей ресурс образца /э) определена как средняя в истинном разрушаемом объеме материала VKp = A£/,maxl(AHs-ие0) длиной lKp = VKp/Sp (Sp - площадь сечения в месте разрыва), см. участок №32, табл.3.

Таблица 3

Результаты обработки экспериментальных данных испытаний образца №1 из

материала Сталь 25

уч-ка Д/,, мм St, 2 ММ 4. Дж т„ °с а. Дж А U„ Дж Вт ■ э ^е тах

мм3 I3 "Р

1 0,1026 0,2390 72,556 6,454 29,63 0,2395 6,215 0,17 -

2 0,1089 0,2536 72,146 6,848 30,22 0,2583 6,590 0,18 -

-

31 0,6452 1,5034 48,625 40,592 80,58 2,2450 38,347 1,07 -

32 0,6763 1,5759 47,723 42,548 83,50 2,3790 40,169 1,12 0,046 Вт/мм

192 с

33 0,6452 1,5034 48,625 40,592 80,58 2,2450 38,347 1,07 -

-

64 0,1016 0,2367 72,622 6,391 29,54 0,2372 6,154 0,17 -

65 0,1001 0,2332 72,721 6,297 29,40 0,2337 6,063 0,17

Результаты сравнения экспериментальных меэтах и I3 значений с теоретическими - йе и /, при испытании семи образцов из стали 25 и 40Х, показали, что полученный диапазон ошибок - 8 = (0,73 ч- 5,08)%, говорит о достаточно высокой досто-

/; = 2240 с; /', = 2298 с;

?, - 4720 с; 1] - 4809 с;

/; = 7040 с; <¡ = 7234 с;

Й = 10640 с; 1',- 10411 с;

1', = 20400 с; (5 = 20177 с.

6.4 9,6 12.8 Время до разрушения образца, /-10',

верности методики проектной оценки надежности элементов машин по критериям объемной прочности.

Достоверность методики (табл.1) была также проверена сопоставлением теоретических результатов расчета ресурса образцов с экспериментальными данными (,э, полученными в известных исследованиях процесса повреждаемости и усталостного разрушения образцов при симметричном цикле «растяжения - сжатия» В.В. Федорова с коллегами. Результаты сравнения, рис. 2, показывают, что крайне малый диапазон ошибок предсказания экспериментального ресурса - 5 = (1.11 + 2,68)%, подтверждает ее достоверность в условиях усталостного разрушения. Для оперативного прогнозирования долговечности конструируемых элементов по критериям объемной прочности материалов, подверженных статическому или циклическому нагру-жению, разработаны типовые номограммы, рис. 2.6. Они позволяют по рассчитанному значению напряжения а, отложенному по оси абсцисс, и кривой, соответствующей рабочей температуре Т, по оси ординат найти значение искомого ресурса изделия в направлении указанных на рисунке стрело^_

Рис. 2. Оценка долговечности образцов а - теоретические (пунктир) и экспериментальные (точками) кинетические кривые повреждаемости образцов; б - номограмма для оценки ожидаемого ресурса изделий

Далее в третьем разделе представлены результаты верификации методики проектной оценки долговечности стандартных образцов по критериям поверхностной прочности материалов, изложенной в табл. 2. С этой целью был организован статистически значимый эксперимент на машине трения СМТ-1 по схеме «ролик - колодка» по истиранию (разрушению поверхностных слоев) колодок из различных антифрикционных материалов, применяемых в промышленных узлах трения - эластомеров и медьсодержащего сплава, о поверхность роликов из стали 40Х. Для изменения условий фрикционного взаимодействия на поверхность роликов наносили антифрикционные покрытия. Образцы колодок из исследуемых материалов и роликов с покрытиями показаны на рис. 3.

План эксперимента состоял из трех групп испытаний, в каждой из которых проводили по шестнадцать серий опытов по истиранию колодок из одинаковых (16-ти) антифрикционных материалов о ролики: без покрытий (первая группа); с покрытием из фторопласта Ф4 (вторая группа); с двухслойным латунь-

полимерным покрытием из Л63+Ф4 (третья группа),рис. 3, при фиксированных значениях нагрузки F„ = 200Я и скорости скольжения VCK =1,5 м/с.

ввв

СКН-26 Резина 3826 Ecoruber-H Ecoruber 2 65NBR В210 94 AU 925 80 NBR В246 95AUV149

ш ua^

- " " ---------- _ ~ . .. „„2 h_ECOPUR Ecopur Латунь Л63

Рис.3. Модификации колодок и роликов для лабораторных испытаний

без покрытия покрытие Ф4 покрытие Л63+Ф4

Каждый опыт в одной серии повторяли четыре раза, сохраняя постоянными условия трения и материалы образцов. Контакт деталей непрерывно охла-| ждали проточной водой. Для контроля его температуры использовали инфракрасный термометр «CONDTROL IR - Т4». Массу разрушенного материала ко-j лодок определяли на электронных эталонных весах ME215S 1-го разряда высокой точности перед испытаниями, во время пауз и по окончанию процесса. Кроме того, выборочно контролировали шероховатость поверхности роликов на установке «Perthometer S2 MAHR».

Сравнительный анализ всего объема экспериментальных (у- , 5J, и !■) и теоретических { j>i, (Ту и t,) значений скорости разрушения колодок и их ресурса показал, что диапазон ошибок предсказания этих величин составляет: ,5,-= (0,7... + 30,3) % С (по математическому ожиданию); да = (4,18...49,8) % (по среднему квадратическо-му отклонению); коэффициент вариации не превышает ку = 0,16 (в теоретических исследованиях), Ку = 0,21 (в экспериментальных). На наш взгляд, полученные результаты доказывают адекватность предложенной в табл.2 методики и теоретических предпосылок, положенных в основу общей методологии проектной оценки надежности элементов сопряжений по критериям усталостной прочности материалов поверхностных слоев.

Кроме того, результаты исследования долговечности различных антифрик-| ционных материалов колодок при их истирании машине СМТ-1 в различных условиях внешнего трения, позволили установить следующие наиболее эффективные способы продления их ресурса:

- использование в парах трения «сталь-пол им ер» для изготовления колодок из более износостойких, чем нитрильные каучуки, термопластов и термопластических эластомеров, в том числе с применением латунь-фторопластового (Л63+Ф4) покрытия с относительной долговечностью К, «3,82 и К, «5,62, соответственно;

- использование в парах трения «сталь - медьсодержащий сплав» двухслойного «Л63+Ф4» или однослойного из Ф4 антифрикционных покрытий с относительной долговечностью К, ~ 1.97 и К, & 1,56.

В четвертом разделе решена пятая задача диссертации - проведение проектных исследований надежности и обоснование промышленной реконструкции привода вращения обжиговой печи 0-4,5.хЬ-125 агрегата для производства клинкера с целью повышения долговечности по критериям объемной прочности его элементов и устранения внезапных отказов, рис.4.

/У„

Рис. 4. Общий вид 125-ти метровой печи и кинематическая схема привода: 1 - главный двигатель, АОЗ-4СЮМ-6У2, N = 315кВт, п = 985об!мин\2 - редуктор, ЦТ-2900-86,46, и = 86,46; 3 - муфта Ивачева; 4 - открытая зубчатая передача (4.1 - вал-шестерня, 4.2 — венец) и = 7,5; 5 - электродвигатель 4АР225, N = 30 кВт, л = 735 обIмин; 6 - редуктор Ц2У-315-16-21У2, и = 16,43; 7 - кулачковая муфта.

Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем.

1. Установлено, что причиной внеплановых простоев привода вращения обжиговой печи после примерно четырех лет безотказной работы, явились его внезапные отказы по критериям нарушения прочности ряда деталей. В первую очередь, по причине разрыва ближних к печи болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни 4.1 открытой зубчатой передачи, рис.4, затем траверсы крепления зубчатого венца 4.2, далее сварных швов ее крепления к корпусу печи и др.

2. Моделированием процесса повреждаемости материала болтов с использованием общей методики проектной оценки долговечности элементов (табл.1) установлена объективность возникновения описанных выше отказов:

- средний расчетный срок их службы для краевых условий нагружения, когда по исходной схеме они подвержены растяжению, не превышает (к4,1 года;

- по истечении указанного срока плотность энергии дефектов структуры материала достигает предельного значения иекр =10,4 Дж! ммъ, соответствующего энтальпии материала в жидком состоянии дн8 = 10,5 Дж/мм3, что и является объективной причиной разрушения болтов крепления и отказа привода.

3. Для устранения причин возникновения отказов предложены два эквивалентных, полностью разгружающих эти детали, варианта реконструкции привода - его перенос на противоположную от печи сторону, или смена направления вращения печи на противоположное. Экономически целесообразным оказался второй вариант.

4. Проектная оценка долговечности привода новой конструкции показала, что ожидаемый ресурс новой конструкции превышает I1012с « 4 ■ 104лет, что исключает возникновение его внезапных отказов с вероятностью, близкой к единице.

5. Предложенный вариант реконструкции привода внедрен в 2013 году на ОАО «МЦОЗ» группы компаний ОАО «ММК».

В пятом разделе решена шестая задача исследований - повышение безотказности объемных гидродвигателей промышленных механизмов уравновешивания прокатных валков на основе проектных исследований ресурса герметизирующих узлов и разработки новых модификаций его конструкции.

Результаты проведенных теоретических и промышленных исследований можно сформулировать в виде следующих заключений.

1. На основе анализа повреждений и причин отказов плунжерных гидродвигателей, общий вид которых и расчетная схема представлены на рис. 5, установлена объективная необходимость существенного повышения их долговечности, в первую очередь, за счет повышения поверхностной прочности (износостойкости) герметизирующих элементов 2 пар трения «плунжер 1- уплотнения 2».

2. Для описания процесса формирования отказов гидроцилиндров поставлена и решена однопараметрическая краевая задача (1)-(У1)-(9), с учетом (7) и (7.а-к), для оценки их долговечности по критерию поверхностной прочности материалов герметизирующих элементов. В качестве контролируемого параметра состояния X, сопряжения принят диаметр сжатого как при сборке пакета уплотняющих элементов -Х,=х,. При этом полагали, что пары трения «плунжер - уплотнения» большую часть времени, при сохранении натяга уплотнений, работают в стационарном режиме усталостного изнашивания в нормальных условиях эксплуатации. Поэтому на основе системы (1)-(У1)-(9) сформулирована математическая модель, описывающая физические закономерности процесса формирования отказов сопряжений «плунжер 1- уплотнения 2», и условия однозначности, которые включают отличительные признаки, характеризующие исследуемый тип сопряжений, рис.5, начальные и граничные условия.

Максимальные контактные напряжения ртах в уравнении (9) для оценки средней скорости у повреждаемости уплотняющих элементов 2, возникающие в контакте от силы Г,, рис.5.а,б, во время упругих вертикальных затухающих колебаний плунжера после прохождения концов полосы в клети, равны сумме напряжений:

Ртах = Ртах + Рсж ' ( 1 0)

где рутт - максимальные контактные напряжения в наиболее нагруженной точке «Е» контакта плунжера и уплотнений, рис.5, вид А. Они определены решением системы уравнений равновесия всех сил, действующих на плунжер: - силы трения со стороны подушек верхних валков, и q(y) - погонных реактивных нагрузок со стороны втулок 4 и 6. Использовано также условие равенства деформаций втулки 4 и уплотнения 2 в точке «Е», рис.5, вид А.

рсж - напряжения, возникающие от сжатия уплотнений при сборке на заданную величину, определяемые из закона сохранения их объема, рис.5, вид А.

Рис. 5. Общий вид (а) и схема взаимодействия элементов гидроцилиндра (б); 1-плунжер; 2-уплотняющие элементы;

3-крышка; 4-нажимная втулка; 5-грязесъемник; 6 -втулка направляющая

Вид А Вив А

Каткапушш 1 с/Яугаг< Хатипнуыф ирптси* 1

>

1а,

Е

3. В соответствии с табл.2 разработана методика решения краевой задачи и проведены теоретические исследования среднего ресурса г, и срока службы 1а, различных вариантов конструкции гидроцилиндров, табл.4.

Таблица 4

Результаты теоретических исследований износостойкости и долговечности

£ §. о Материал плунжера - сталь 40Х Средняя скорость разрушения уплотнений }-\0~\м/с Средний ресурс , ч Срок службы Относительная долговечность К,,

Материал уплотнения

1 группа - плунжер без покрытий

1 СКН-26 1,40 2,48 9,3-10,6 1

2 Ф4 0,69 5,00 18,7-21,4 2,0

3 ЕсоПоп 1 0,48 7,17 26,9-30,7 2,9

4 ЕсошЬег 2 0,44 7,94 29,8-34,0 3,2

5 Есориг 0,38 9,20 44,3-50,6 3,8

2 группа - покрытие Ф4

6 СКН-26 1,17 2,97 11,2-12,7 1,2

7 Ф4 0,579 6,00 22,5-25,7 2,4

8 ЕсоАоп 1 0,410 8,43 31,6-36,0 3,4

9 ЕсошЬег 2 0,347 10,01 37,5-42,9 4,0

10 Есориг 0,291 11,94 44,8-51,2 4,8

3 группа - покрытое Л63+Ф4

11 СКН-26 0,985 3,53 13,2-15,1 1,4

12 Ф4 0,488 7,11 26,7-30,5 2,9

13 ЕсоАоп 1 0,339 10,17 38,1-43,5 4,1

14 ЕсогиЬег 2 0,293 11,87 44,5-50,9 4,8

15 Есориг 0,241 14,38 53,9-61,6 5,8

4 группа - покрытие Д16+Ф4

16 СКН-26 1,04 3,33 12,5-14,3 1,3

17 Ф4 0,537 6,46 24,2-27,7 2,6

18 ЕсоЙоп 1 0,377 9,18 34,4-39,2 3,7

19 ЕсогиЬег 2 0,331 10,50 39,4-45,0 4,2

20 Есориг 0,270 12,85 48,2-55,1 5,2

Эти варианты спроектированы на основе результатов лабораторного эксперимента с применением уплотнений из наиболее износостойких материалов и плакирования плунжеров антифрикционными покрытиями. Результаты компьютерного эксперимента представлены в таблице 4 и на рис.6.

Рис. 6. Относительная

долговечность вариантов конструкции гидроцилиндров в зависимости от материалов колодок и условий контактного взаимодействия плунжера и уплотнений

№ опыта ■ таблице 4.3

4. Наиболее долговечные варианты конструкции гидроцилиндров, разработанные в компьютерном эксперименте (см. табл.4, выделенные строки, и рис.6), рекомендованы к испытаниям на промышленных станах. Для формирования на рабочей поверхности плунжеров антифрикционных покрытий была разработана и введена в промышленную эксплуатацию установка «ПР-16К-20», устанавливаемая вместо резцедержателя станка модели 16К20, рис.7. На сварном основании 6 смонтированы все основные элементы: 1 - электродвигатель; 2- ременная передача; 3 -узел подшипников; 4- ведущий вал передачи; 5- плакирующий круг; 7 - узел слитко-подачи; 8 - защитный кожух.

Длительные промышленные исследования долговечности предложенных вариантов конструкций ГЦ СУВ, защищенных патентами на изобретения и полезную модель, проведенные в рамках ряда хоздоговорных НИР и НИОКР, показали следующее.

В условиях стана 2500 горячей листовой прокатки, наиболее долговечным вариантом является конструкция гидродвигателей с герметизирующими элементами из полиуретана Есориг и плунжерами, на поверхность которых нанесено двухслойное покрытие из «Л63+Ф4», рис.8.а. Срок службы этой модификации более чем в три раза превышает срок службы исходного варианта конструкции.

Рис.7. Общий вид установки для плакирования плунжеров

Рис.8. Опытные партии плунжеров с двухслойным покрытием:

а - «Л63 + Ф4»; б - «Д16 + Ф4»

б

Для условий эксплуатации стана 2000 горячей листовой прокатки, наиболее эффективной является конструкция, где уплотняющие элементы изготовлены из полиуретана Есориг, а на поверхность плунжера нанесено двухслойное антифрикционное покрытие «Д16+Ф4», рис. 8.6. Срок службы этой модификации более чем в два раза превышает срок службы исходного варианта конструкции.

Эти устройства, ряд из которых защищен патентами, прошли промышленные испытания на станах и внедрены с экономическим эффектом 4,72 млн. руб./год. Он рассчитан в предположении двукратного повышения срока их службы за счет повышения производительности станов и сокращения ремонтных расходов. Затраты -1,8 млн. руб, срок окупаемости-(0,6...0,8) года.

В шестом разделе решена седьмая задача исследований - проектная оценка и продление срока службы золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос на основе постановки и решения комплексной двухпараметрической краевой задачи для предсказания ресурса элементов его подвижных сопряжений.

Результаты проведенных теоретических и промышленных исследований заключаются в следующем.

1. На основе анализа повреждений и причин отказов гидрораспределителей систем гидросбива окалины станов горячей листовой прокатки, общий вид которых и расчетная схема нагружения элементов представлены на рис. 9, установлена объективная необходимость существенного повышения их долговечности за счет повышения поверхностной прочности (износостойкости) элементов.

2. Для описания процесса формирования отказов золотниковых распределителей поставлена и решена двухпараметрическая краевая задача (1)-(У1)-(9), с учетом (7) и (7.а-к), для оценки их долговечности по критерию работоспособности элементов сопряжений. В качестве контролируемых параметров состояния золотниковых распределителей гидроудаления окалины (ЗРГ) приняты средний внутренний диаметр уплотнений 2 - Х2, = х21, посаженных на золотник 1 с натягом, полагая, что в контакте с уплотнением 2 золотник 1 не изнашивается, и средний зазор в сопряжениях «золотник 1- втулки 3» - А-(1_3), =Зс(1_3),, рис.9. При этом полагали, что пары трения золотниковых распределителей гидроудаления окалины большую часть времени, при сохранении натяга в герметизирующих узлах, работают в стационарном режиме усталостного изнашивания в нормальных условиях эксплуатации. Поэтому на основе системы (1)-(У1)-(9) разработана математическая модель, описывающая физические закономерности процесса формирования износовых отказов ЗРГ по выбранным параметрам, и условия однозначности, которые включают отли-

чительные признаки, характеризующие начальные и граничные условия.

исследуемый тип сопряжения, рис.9,

А

Рис.9. Расчетная схема нагруже-aSZ^ém I .A f- f- ¿, ния элементов распределителя и

общий вид в «закрытом» положении; (1 - золотник; 2 - уплотнения; 3 -направляющие втулки; 4 - корпус, «а-б-в-г» - проходные отверстия)

I Штх Ыы л щкшиап Ш ? 1 юдтсШ 0..К НПа

Максимальные контактные напряжения р°1ах, действующие в наиболее нагруженных точках линий А-В контактов золотника 1 с втулками 3, рис. 9, определяли по методике Крагельского - Алисина для пар трения «вал - втулка с зазором»:

pU= I'"". • (П)

ж ■ л3 ■ sin (р0

Максимальные напряжения р>пшх, действующие в наиболее нагруженных точках линий А-С контактов золотника 1 с уплотнениями 2, рис. 9, определяли суммой напряжений:

pL*=PL**+P„' О2)

гДе Ратт = Ртах - Е21Ei ~ максимальное давление в зоне контакта золотника 1 с уплотнением 2, определяемое из условия равенства относительных упругих деформаций втулок 3 - е3 = _р°„,„/£3, и уплотнений 2 - е2 = руатт /Ег, в точках «А», рис. 9, сечений А-А;

/?„ - напряжения, возникающие при сборке от сжатия пакета уплотнений, и определяемые по известной зависимости для соединений с гарантированным натягом.

3. В соответствии с табл.2 разработана методика решения краевой задачи теории надежности ЗРГ по выбранным параметрам и проведены теоретические

4

Эпюра напряжений 6 контактах золотника te бтулкапи 3IA-AI

исследования по оценке среднего срока службы

^сл2/ ^ ^сл(1-з)/ различных модификаций конструкции золотниковых гидроаппаратов, табл.5.

Таблица 5

Результаты аналитического исследования долговечности гидрораспределителей

различных конструкций по критерию износостойкости трибосопряжений

№ опыта Материал золотника- сталь 45 Эффективность покрытия, Эд, Средний срок службы '«2/.9"» Средний срок службы 'сл(1-3)1> сут Относительная долговечность К14 Относительная долговечность

Материал уплотнений и втулок Эффективность материала, Эи

1 группа - без покрытия

1 Резина 3826 1,0 1 16,38 1,0 ■

2 Н-Есориг 1,34 1 22,00 - 1,34 ■

4 94АШ25 1,67 1 27,30 - 1,67 -

3 80ШЯВ246 1,78 1 29,19 - 1,78 -

5 Есориг 1,86 1 30,49 - 1,86 -

6 95АиУ149 2,08 1 34,00 - 2,08

7 БрАЖ 9-4 1 - 189,79 - 1,0

2 группа - покрытие Ф4

8 Резина 3826 1,0 1,26 20,69 - 1,26 -

9 Н-Есориг 1,34 1,27 27,79 - 1,70 -

10 94АШ25 1,67 1,27 34,49 - 2,11 -

11 80НВЯВ246 1,78 1,26 36,87 - 2,25 -

12 Есориг 1,86 1,26 38,51 - 2,35 -

13 95АОТ149 2,08 1,26 42,95 - 2,62 -

14 БрАЖ 9-4 - 1,26 - 239,73 - 1,26

3 группа - покрытие Л63+Ф4

15 Резина 3826 1,0 1,57 25,64 - 1,57 -

16 Н-Есориг 1,34 1,57 34,43 - 2,10 -

17 94АШ25 1,67 1,57 42,73 - 2,61 -

18 80№КВ246 1,78 1,57 45,68 2,79 -

19 Есориг 1,86 1,56 47,72 - 2,91 -

20 95А11У149 2,08 1,56 53,21 3,25

21 БрАЖ 9-4 - 1,56 - 297,01 - 1,56

4 группа - покрытие Д16+Ф4

22 Резина 3826 1,0 1,43 23,47 - 1,43 -

23 Н-Есориг 1,34 1,44 31,52 - 1,93 -

24 94АШ25 1,67 1,43 39,12 - 2,39 -

25 80№1Ш246 1,78 1,43 41,82 - 2,55 -

26 Есориг 1,86 1,44 43,69 - 2,67 -

27 95АиУ149 2,08 1,43 48,72 - 2,98 -

28 БрАЖ 9-4 1,43 - 271,92 " 1,43

Новые варианты конструкции ЗРГ спроектированы на основе результатов лабораторного эксперимента с применением уплотнений из наиболее износостойких материалов и плакирования золотников антифрикционными покрытиями. Результаты компьютерного эксперимента представлены в табл. 5 и на рис. 10.

Для оценки эффективности применения в конструкции ЗРГ того или иного материала уплотнений, в табл. 5 приведены значения коэффициента эффективности материала - Эм, =/сл2(2_6)//сл2(1). Аналогично введен коэффициент эффективности применения того или иного покрытия Эп/ = Кп 1ЭМ,.

4. Наиболее долговечные варианты конструкции золотниковых гидроаппаратов, спроектированные в компьютерном эксперименте (см. табл.5, выделенные строки, и рис.10), рекомендованы к испытаниям на промышленных станах.

Коэффициент повышения

I групп» 6о покрытия

3 группа 4 группа

покрытие Л63+<М покрытие Д|6-чМ

2,1 2,1

м

10 и 12 13 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 Л опыта ■ таблице 42

I 1 груши 2 групп» 3 группа 4 группа

без покрытия покрытие<М покрипк покрытое ЛЮКИ Д16-Ф4

№ опыта в таблице 1.2

Рис. 10. Коэффициенты повышения долговечности конструкций распределителей: а - по критерию работоспособности уплотнений; б - критерию работоспособности элементов сопряжений «золотник - втулки» Для нанесения антифрикционных покрытий на поверхность золотников 1 в условиях производства использована приставка 2, рис.11, описанная в пятом разделе.

Многолетние испытания долговечности различных вариантов конструкции ЗРГ, проведенные в рамках хоздоговорных работ и соглашения о творческом содружестве, показали следующие результаты. Для условий эксплуатации стана 2000 горячей прокатки, наиболее долговечным вариантом является конструкция распределителя с золотником, плакированным двухслойными покрытиями («МЗ+Ф4» или «Д16+Ф4»), рис.11, и комбинированным уплотнением из эластомеров «95Al.IV 149+Есориг». Срок службы новых модификаций конструкции ЗРГ превышает срок службы исходных в 1,5 - 2,0 раза.

Рис. 11. Процесс нанесения двухслойных покрытий

а - «МЗ + Ф4»; б - «Д16 + Ф4»

Для условий стана 2500 горячей листовой прокатки, наиболее долговечным вариантом является конструкция ЗРГ с золотником, плакированным двухслойным медьсодержащим покрытием («Л63+Ф4» или «М1+Ф4»), рис.12, и уплотнением из эластомера «95Аи\' 149» марки N118? - 8009. Срок службы предложенных модификаций конструкции золотниковых распределителей превышает срок службы исходной не менее чем в 2,5 - 3,0 раза.

Эти конструкции, ряд из которых защищен патентами, прошли промышленные испытания и внедрены на станах с ожидаемым экономическим эффектом более 1,5 млн. руб./год, рассчитанным из предположения двукратного повышения их срока службы за счет сокращения затрат на ремонты и повышения производительности станов, при вложениях -1,1 млн. руб. и сроке их окупаемости - полтора года.

Рис.12. Золотники с двухслойными

металл-полимерными покрытиями

Мм

-

б - «М1+Ф4»

а - «Л63+Ф4»

Предложенные методики использованы для проектирования и повышения долговечности множества, отмеченных в диссертации, деталей раз- |р нообразных механизмов металлургических машин:

- волочильного инструмента при алмазно-электролитическом выглаживании рабочей поверхности, рис. 13, и нанесении на поверхность заготовки полимерного антифрикционного покрытия, (патент № 2220852);

- прокатных валков при нанесении полимерных покрытий на их поверхность (патент № 69423 и №23467), рис. 14.а;

- дисковых ножей с антифрикционным покрытием (патент № 69437);

- вкладышей универсальных шпинделей прокатных станов с использованием фторопластовых вставок для улучшения фрикционного взаимодействия, рис. 14.6;

- штоков гидравлических вставок фиксации подушек прокатных валков, рис. 14.в;

Рис.13. Схема выглаживания индентором 1 поверхности волоки 2

Рис.14. Элементы металлургического оборудования повышенной долговечности - наиболее ответственных деталей двигателей большегрузных транспортных средств коксохимического производства, рис. 14.г, и других изделий, промышленные испытания которых в цехах ОАО «ММК» подтвердили повышение их срока службы не менее чем в 1,5-3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С единых теоретических позиций, построенных на базовых положениях физической теории надежности, теории вероятностей, термодинамики необратимых процессов и кинетической термофлуктуационной теории повреждаемости и разрушения конструкционных материалов, получены следующие основные результаты.

1. Разработан универсальный методологический подход к проектной оценке надежности элементов механических систем по критериям кинетической прочности материалов, научную основу которого составляют:

1.1 - общая концепция постановки краевых задач, как системы уравнений для оценки показателей их безотказности и долговечности, построенная на основе математической формализации базовых понятий теории надежности;

1.2 - основополагающее уравнение деградации (старения) исследуемого объекта, выведенное на основе энергетического описания кинетики повреждаемости и разрушения структуры материала для заданных условий однозначности — расчетной схемы нагружения, отличительных признаков, начальных и граничных условий.

2. В рамках общего подхода построена методология решения краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных внешнему объемному нагружению, и разработана на ее основе методика их конструирования с требуемым уровнем безотказности и долговечности, для реализации которой сформулированы в явном виде:

2.1- кинетическое уравнение повреждаемости деталей для расчета скорости роста плотности энергии дефектов структуры материалов, выведенное на основе термодинамической теории прочности;

2.2 - система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и ожидаемого гамма-процентного ресурса (срока службы).

3. Из общего подхода выделена методология решения краевых задач теории надежности класса деталей машин, подверженных поверхностному нагружению в условиях внешнего трения, и создана на ее основе методика их конструирования с требуемым уровнем безотказности и долговечности, для реализации которой сформулированы в явном виде:

3.1 - кинетическое уравнение деградации элементов сопряжений для расчета скорости разрушения (изнашивания) материалов поверхностных слоев, выведенное на основе нового энерго-механического подхода, построенного на синтезе базовых положений термодинамической теории прочности твердых тел и молекулярно-механической теории трения;

3.2 - статически определимая система уравнений для расчета вероятности безотказной работы и гамма-процентного ресурса (срока службы).

4. Проведены сравнительные экспериментальные и теоретические исследования процессов объемного и поверхностного разрушения стандартных образцов при испытаниях в лабораторных условиях, на основе которых получены следующие результаты:

4.1 - подтверждена адекватность методики проектной оценки надежности элементов машин по критериям объемной прочности на основе сравнения расчетных значений ресурса образцов с экспериментальными результатами, полученными в условиях стандартных испытаний на одноосное растяжение на разрывной машине ИР 5113-100 с ошибкой ¿ = (0,73 + 5,08)%; на переменное нагружение по симметричному циклу «растяжение - сжатие» с ошибкой 8 = (1.11 + 2,68)%;

4.2 - подтверждена адекватность методики проектной оценки надежности деталей узлов трения по критериям прочности (износостойкости) поверхностных слоев на основе сравнения расчетных значений ресурса сопряжений «ролик - колодка» с экспериментальными, полученными в условиях стандартных испытаний на машине трения СМТ-1 - диапазон ошибок предсказания ресурса колодок составляет 8; = (0,7...+30,3) % (по математическому ожи-

данию); 5а =(4,18...49,8) % (по среднему квадратическому отклонению); коэффициент вариации не превышает А"к=0,16 (в теоретических исследованиях), Ку =0,21 (в экспериментальных);

4.3 - результаты исследования долговечности различных антифрикционных материалов колодок при их истирании машине СМТ-1 в различных условиях внешнего трения позволили установить следующие наиболее эффективные способы продления их ресурса:

- использование в парах трения «сталь-полимер» для изготовления колодок из более износостойких, чем нитрильные каучуки, термопластов и термопластических эластомеров, в том числе с применением латунь-фторопластового (Л63+Ф4) покрытия с относительной долговечностью К, и 3,82 и К, « 5,62, соответственно;

- использование в парах трения «сталь - медьсодержащий сплав» двухслойного «Л63+Ф4» или однослойного из Ф4 антифрикционных покрытий с относительной долговечностью К, » 1,97 и К, = 1,56;

5. На основе технического диагностирования, аналитической оценки ресурса и проектных исследований возможности повышения долговечности привода вращения обжиговой печи Г)-4,5хЬ-125 агрегата для производства клинкера, получены следующие результаты:

5.1 - установлено, что причиной внеплановых простоев привода после примерно четырех лет безотказной работы, стало возникновение его внезапных отказов по критериям нарушения прочности (последовательного разрушения) деталей: болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни открытой зубчатой передачи, затем траверсы крепления зубчатого венца, далее сварных швов ее соединения с корпусом печи;

5.2 - теоретический анализ подтвердил, что средний расчетный срок его службы по критериям кинетической прочности фундаментных болтов не превышает I я 4,1 года, так как по его истечении плотность энергии дефектов структуры достигает критического значения разрушения материала;

5.3 - предложен экономически целесообразный вариант реконструкции привода со сменой направления вращения печи, ожидаемый расчетный ресурс которого превышает / * 10йс * 4104 лет и исключает возможность возникновения его внезапных отказов с вероятностью, близкой к единице;

5.4 - новый вариант привода внедрен в начале 2013 года на ОАО «МЦОЗ» группы компаний ОАО «ММК», оборудование которого по настоящее время находится в работоспособном состоянии.

6. На основе экспериментальных и теоретических исследований долговечности объемных гидродвигателей промышленных систем уравновешивания рабочих валков станов, а также проектного анализа возможности повышения срока их службы, получены следующие результаты:

6.1 - установлена объективная необходимость существенного повышения их ресурса, в первую очередь, за счет повышения поверхностной прочности (износостойкости) уплотняющих элементов;

6.2 - с этой целью на основе проектных исследований ресурса пар трения «плунжер-уплотнения», сконструированных с учетом выводов лабораторного

эксперимента, к промышленным испытаниям рекомендованы наиболее долговечные модификации плунжерных гидроцилиндров;

6.3 - промышленные испытания предложенных вариантов на станах 2500 и 2000 горячей листовой прокатки, показали, что наиболее эффективным вариантом является конструкция с уплотнениями из полиуретана Ecopur и плунжерами с покрытием из «Л63+Ф4» или «Д16+Ф4, срок службы которых более чем вдвое превышает срок службы исходной конструкции;

6.4 - экономический эффект от внедрения новых конструкций исполнительных гидроцилиндров составляет более 4,5 млн. руб/год при вложениях - 1,76 млн. руб. и сроке их окупаемости - менее года.

7. На основе экспериментальных и теоретических исследований долговечности золотниковых гидроаппаратов промышленных систем удаления окалины с поверхности горячекатаных полос, а также проектного анализа возможности повышения срока их службы, получены следующие результаты:

7.1 - установлена объективная необходимость существенного повышения их долговечности за счет повышения поверхностной прочности (износостойкости) элементов подвижных сопряжений;

7.2 - с этой целью на основе проектных исследований ресурса подвижных сопряжений распределителей, сконструированных с учетом выводов лабораторного эксперимента, к промышленным испытаниям рекомендованы наиболее долговечные модификации золотниковых гидроаппаратов;

7.3 - промышленные испытания предложенных вариантов на станах 2500 и 2000 горячей листовой прокатки показали, что наиболее долговечным вариантом является конструкция распределителя с уплотнениями из эластомера «95AUV149» (или полиуретана «95AUV149+ Ecopur») и золотниками с покрытием из «Л63+Ф4», «М1+Ф4» или «Д16+Ф4», срок службы которых более чем вдвое превышает срок службы исходной конструкции;

7.4 - экономический эффект от внедрения новых конструкций золотниковых распределителей составляет —1,5 млн. руб. в год при вложениях - 1,1 млн. руб. и сроке их окупаемости - 1,5 года.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Статьи, опубликованные в eedyitfuxрецензируемых научных журналах и изданиях,

рекомендованных ВАК РФ

1. Antsupov A.V. Methodology of maschine elements' reliability prediction by means of various criteria (Методология прогнозирования надежности элементов машин по различным критериям) / A.V. Antsupov, A.V. Antsupov Gun), V.P. Antsupov // Dependability, 2013. - №3 (46). - P. 15-23.

2. Antsupov A.V. Designed assessment of machine element reliability due to efficiency criteria (Проектная оценка надежности элементов машин по критериям работоспособности) / A.V. Antsupov, A.V. Antsupov (Jun)> V.P. Antsupov // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2013.- №5 (45).- 62-66.

3. 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.

4. Методология вероятностного прогнозирования безотказности и ресурса трибосопряжений / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), A.C. Губин и др. // Известия Са-

марского научного центра Российской академии наук - 2011. - т. 13. - № 4(3), - С. 947-950.

5. Научные и методологические основы прогнозирования надежности трибосо-пряжений на стадии их проектирования / A.B. Анцупов, М.В. Чукин, A.B. Анцупов (мл.) и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2011. - №4. - С. 56-61.

6. Прогнозирование надежности трибосопряжений на основе термодинамического анализа процесса трения / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл), М.Г. Слободян-ский и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2010. - №3. - С. 54-60.

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

8. Методика прогнозирования надежности и оценка износостойкости деталей узлов трения металлургического оборудования / A.B. Анцупов, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.) и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. - 2007. - №1. - С.80-83.

9. Расчет интенсивности изнашивания волочильного инструмента / В.П. Анцупов, A.B. Анцупов, М.В. Налимова и др. // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - №5. - С.26-32.

Ю.Аналитическая оценка и повышение фрикционной надежности опорных валков листовых станов / A.B. Анцупов (мл.), A.B. Анцупов, В.П. Анцупов и др. // Производство проката. - 2007. - №11. - С.39-43.

11 .Трибодиагностика материалов опорных и рабочих валков листовых станов / A.B. Анцупов (мл.), A.B. Анцупов, В.П. Анцупов и др. // Производство проката. -2008.-№3.-С.41-44

12.Теоретическое обоснование повышения срока службы подшипниковых узлов роликов первой секции MHJI3 / В.П. Анцупов, С.Н. Кадиниченко, A.B. Анцупов и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2006. - №1. - С.60-63.

13.Трибодиагностика серийного волочильного инструмента и оценка ресурса его работы / В.П. Анцупов, О.В. Семенова, A.B. Анцупов и др.// Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2006. -№1. - С.63-65.

14.Методика оценки срока службы гидроцилиндров уравновешивания рабочих валков листовых станов / В.П. Анцупов, A.A. Баженов, A.B. Анцупов и др. // Изв. вузов. Машиностроение. - 2006. - №6. - С.50-56.

15.Трибодиагностика серийного волочильного инструмента и улучшение его качественных показателей / В.П. Анцупов, О.В. Семенова, A.B. Анцупов и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2006.- №12. - С.47-50.

16.Расширение технологических возможностей метода плакирования гибким инструментом / В.И. Кадошников, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов и др. // Вестник машиностроения. — 2003. - №10. — С.64-66.

Монографии

17.Анцупов A.B. Обеспечение надежности узлов трения машин на стадии проектирования: Монография / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов // Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013.- 293с.

18.Оценка, исследование и повышение фрикционной надежности волочильного инструмента / A.B. Анцупов, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), Семенова О.В. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - 173с.

19.Анцупов А. В. Проектирование технологии производства сталемедной проволоки с полимерным покрытием: Монография.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2005.- 130с.

Изобретения, защищенные патентами РФ

20.Пат. 2381077 Российская Федерация, МПК B05D. Способ формирования износостойкого покрытия [Текст] / Анцупов В.П., Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Шинкевич С.П.; Заявитель и патентообладатель ООО «Строймашкомплект» (RU). -№2008141852/12; заявл. 21.10.2008; опубл. 10.02.2010 в Бюл. №4 С. 598.: ил.

21.Пат. 68081 Российская Федерация, МПК F15B. Гидравлический распределитель [Текст] / Чумиков A.M., Анцупов A.B. (мл.), Казаков О.В., Анцупов В.П., Овсов Е.М., Шинкевич С.П., Анцупов A.B.; Заявитель и патентообладатель ООО " Магнитогорский металлургический комбинат " (RU). - №2007125374/22; заявл. 04.07.2007; опубл. 10.11.2007 в Бюл. №31. С. 863.: ил.

22.Пат. 69425 Российская Федерация, МПК В21В. Гидроцилиндр устройства для регулирования раствора валков прокатной клети [Текст] / Анцупов В.П., Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Шинкевич С.П.; Заявитель и патентообладатель ООО «Строймашкомплект» (RU). - № 2007117316/22; заявл. 08.05.2007; опубл. 27.12.2007 в Бюл. №36. С. 1088.: ил.

23.Пат. 69593 Российская Федерация, МПК F15B. Гидравлический распределитель [Текст] / Анцупов В.П., Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Шинкевич С.П.; Заявитель и патентообладатель ООО "Строймашкомплект" (RU). - №2007117317/22; заявл. 08.05.2007; опубл. 27.12.2007 в Бюл. №36. С.1150.: ил.

24.Пат. 53190 Российская Федерация, МПК В21В. Гидроцилиндр устройства для регулирования раствора валков прокатной клети [Текст] / Посаженников Г.Н., Носов B.JL, Шинкевич С.П., Анцупов В.П., Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Баженов A.A.; Заявитель и патентообладатель ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (RU). - № 2005136570; заявл. 24.11.2005; опубл. 10.05.2006 в Бюл. №13. С.1132.: ил.

25.Пат. 114890 Российская Федерация, МПК В21В. Гидроцилиндр устройства для регулирования раствора валков прокатной клети [Текст] / Анцупов В.П., Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Шинкевич С.П., Губин A.C., Русанов В.А.; Заявитель и патентообладатель Анцупов Александр Викторович (RU). - №2011140556/02; заявл. 05.10.2011; опубл. 20.04.2012 в Бюл. №11. С.36.: ил.

26.Пат. 2220852 Российская Федерация, МПК В32В. Композиционный слоистый материал и способ его изготовления [Текст] / A.B. Анцупов, И.В. Ситников, М.В. Чукин, Ю.А. Щербо ; Заявитель и патентообладатель: Анцупов А.В (RU), Ситников И.В. (RU), Чукин M.B. (RU), Щербо Ю.А. (RU). - №2001129235/02; заявл. 30.10.2001; опубл. 10.01.2004 в Бюл. №1. С.685.: ил.

Публикации в других изданиях

27.Методология вероятностной оценки элементов машин по различным критериям / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: Межрегион, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та, 2012.- С. 28-34.

28.Проектная оценка повреждаемости материалов и долговечности образцов при испытании их на разрывной машине / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), М.Г. Слободянский и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: Международный, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Выпуск 2 - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013.- С. 70-76.

29.Верификация методики прогнозирования долговечности деталей машин при симметричном цикле «растяжения-сжатия» / A.B. Анцупов, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.) и др.// Механическое оборудование металлургических заводов: Международный. сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Выпуск 2 - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013.- С.84-86.

30.Повышение долговечности привода вращающейся печи агрегата для производства клинкера / A.B. Анцупов, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.) и др.//Механическое оборудование металлургических заводов: Международный, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Выпуск 2 - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013.-С.103-109.

31 .Экспериментальная оценка долговечности образцов при стандартных испытаниях на растяжение / A.B. Анцупов, М.Г. Слободянский, A.B. Анцупов (мл.) и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: Международный, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. Выпуск 2 - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013,- С. 27-35.

32.Анцупов A.B. Научные и методологические основы прогнозирования параметрической надежности трибосопряжений на стадии проектирования // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Международный сб. науч. тр. / под ред. H.H. Огаркова. Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2011.-С. 36-39.

33.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.

34.Методика повышения срока службы подшипниковых узлов / В.П. Анцупов, С.Н. Калиниченко, A.B. Анцупов и др. // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: Сб. науч. трудов международной научно-техн. конф. Липецк, 2006. - С. 14-17.

35.Повышение долговечности деталей механического оборудования и технологического инструмента фрикционным плакированием / С.И. Платов, В.П. Анцупов, A.B. Анцупов и др. // Актуальные проблемы прочности: Материалы XLIII Международной конференции - Витебск, 2004. - С.303-308.

36.Анцупов A.B. Методология постановки краевых задач теории надежности трибосистем / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й межрегиональной научно-технической конференции.- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та, 2013.- С. 378-382.

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

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

39.Описание и моделирование процессов формирования износовых отказов пар трения / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения: Международный сб. науч. тр. / под ред. H.H. Огаркова. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008.-С.] 64-170.

40.Структурно-энергетическая интерпретация взаимосвязи процессов трения и изнашивания / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр./ под ред. Платова С.И. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 233-240.

41.Модель параметрической надежности исполнительных гидроцилиндров / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион, сб. науч. тр. / под ред. Платова С.И. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С. 252-257.

42.Выбор износостойких материалов при проектировании узлов трения / В.П. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), A.B. Анцупов и др. // Материалы 67-й научно-технической конференции: сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. -Т.]. - С.197-200.

43.Прогнозирование показателей надежности трибосопряжений / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов(мл.), A.C. Губин и др. // Материалы 68-й научно-технической конференции: сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010,- С.262-264.

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

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

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

47.Моделирование процесса изнашивания трибосопряжений / A.B. Анцупов, М.Г. Слободянский, A.B. Анцупов (мл.) и др. // Современные технологии в машиностроении: Сб. статей XIV международной научно-практической конференции. -Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С.290-294.

48.Методика прогнозирования надежности плунжерных гидроцилиндров по критерию износостойкости уплотнений / A.B. Анцупов, A.C. Губин, В.А. Русанов и др. // 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.

49.Обобщение моделей концептуального подхода для оценки показателей износостойкости трибосистем / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.А. Русанов и др. //

Механическое оборудование металлургических заводов: Межрегион, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та, 2012,-С. 67-73.

50.Оценка долговечности и повышение срока службы золотниковых распределителей / A.B. Анцупов, В. А. Русанов, В.П. Анцупов и др. // Механическое оборудование металлургических заводов: Межрегион, сб. науч. тр. / под ред. Корчунова А.Г. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. тех. ун-та, 2012,- С. 44-52.

51.Проектирование золотниковых распределителей повышенной долговечности по критерию износостойкости уплотняющих элементов / A.B. Анцупов, В.А. Русанов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов // Материалы 5-й междунар. заоч. научно-практ. конференции «Инновации в науке» сб. докл. - Новосибирск, 2012. - С. 53-62.

52. Анцупов A.B. Аналитическая трибодиагностика и оценка надежности узлов трения на стадии их проектирования / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов // Трибология и надежность: Сб. научн. тр. XII международной конференции 24-26 октября 2012 г., Санкт-Петербург / под общей ред. проф. К.Н. Войнова.- СПб.: «БГТУ» ИМ. Д.Ф. Устинова (BOEHMEX).- С.51-62.

53.Оценка долговечности и повышение срока службы гцдроцилиндров уравновешивания прокатных валков / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов, A.C. Губин // Безопасность и живучесть технических систем: Труды IV Всероссийской конференции. В 2т./ Науч. ред. В.В. Москвичев.- Красноярск: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 2012,- Т.2.- С. 20-24.

54.Оценка долговечности нагруженных деталей по кинетическому критерию прочности A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й научно-технической конференции. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - Т.]. - С. 137141.

55.Методология аналитической оценки надежности технических объектов / A.B. Анцупов, A.B. Анцупов (мл.), В.П. Анцупов и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й научно-технической конференции. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - Т.1. - С. 141-144.

Подписано в печать 02.12.2013. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.2,0. Тираж 100 экз. Заказ 698.

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

ФГБОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

На правах рукописи

0520145^655

АНЦУПОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Магнитогорск

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................9

1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МАШИН НА СТАДИИ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКОЙ РАЗРАБОТКИ.................................25

1.1. Регламентируемые виды мероприятий по отработке изделий на надежность на стадии разработки......................................................25

1.2. Методика проектного расчета экономического показателя надежности машины при оценке ее эффективности и качества.................................30

1.3. Научные основы и анализ современных моделей проектных отказов нагруженных элементов механических систем.....................................35

1.3.1. Общие принципы построения феноменологических моделей отказов деталей машин по предельным критериям прочности на стадии конструирования......................................................................35

1.3.2. Надежность элементов при статическом режиме нагружения.......40

1.3.3. Проектная оценка надежности элементов по критериям малоцикловой усталости............................................................47

1.3.4. Проектные расчеты показателей надежности элементов по критерию многоцикловой усталости..............................................50

1.3.5. Модели отказов деталей машин по критериям фрикционной усталости материалов при трении.................................................55

1.3.6. Проблемы проектной оценки надежности деталей по предельным критериям прочности на стадии конструирования машин...................63

1.4. Кинетический подход к проблеме повреждаемости и разрушения материалов и энергетические теории прочности...................................65

1.4.1. Сущность и основное содержание кинетического подхода к проблеме разрушения конструкционных материалов.........................65

1.4.2. Термодинамическая теория прочности твердых тел...................72

1.5. Методы по обеспечению надежности элементов механических систем и проблемы их выбора на стадии конструирования.................................76

1.6. Выводы, цель и задачи исследований...........................................81

2. НАУЧНЫЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО КРИТЕРИЯМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ.......................85

2.1. Методологические основы проектной оценки надежности технических объектов на стадии конструкторской разработки..................................85

2.1.1. Математическая формализация базовых понятий теории надежности.............................................................................85

2.1.2. Общая концепция построения физико-вероятностных моделей параметрических отказов элементов механических систем..................91

2.1.3. Методология постановки краевых задач для проектной оценки безотказности и долговечности нагруженных элементов.......................93

2.2. Научные основы проектных исследований кинетики разрушения материалов элементов механических систем......................................102

2.2.1. Физическая модель процесса разрушения материалов в поле внешних сил...........................................................................102

2.2.1.1. Структурная модель материала....................................104

2.2.1.2. Механизм повреждаемости и разрушения структуры материалов........................................................................104

2.2.1.3. Структурно-энергетическая интерпретация процесса.........107

2.2.1.4. Термодинамическое условие разрушения материалов.........115

2.2.2. Кинетическое уравнение повреждаемости материалов элементов механических систем...............................................................118

2.3. Постановка и решение краевых задач проектной оценки надежности элементов в условиях объемного нагружения.................................................123

2.3.1. Методология построения физико-вероятностных моделей отказов по критериям объемной прочности..............................................123

2.3.2. Краевая задача для проектной оценки надежности элементов в условиях стационарного объемного нагружения..............................126

2.3.3. Методика конструирования деталей машин с требуемым уровнем безотказности и долговечности по критериям объемной прочности......129

2.4. Постановка и решение краевых задач проектной оценки надежности элементов в условиях поверхностного нагружения (внешнего трения).........131

2.4.1. Особенности методологии построения физико-вероятностных моделей проектных отказов деталей узлов трения...........................132

2.4.2. Постановка и решение краевых задач для проектной оценки надежности элементов фрикционных сопряжений...........................136

2.4.2.1. Физическая модель (механизм) усталостного разрушения поверхностных слоев............................................................137

2.4.2.2. Энерго-механическая концепция усталостного поверхностного разрушения элементов сопряжений..........................................139

2.4.2.3. Вывод кинетического уравнения повреждаемости деталей узлов трения на основе энерго-механического подхода.................140

2.4.2.4. Постановка краевой задачи теории надежности элементов «стационарных» сопряжений................................................150

2.4.2.5. Методика конструирования элементов узлов трения с требуемым уровнем безотказности и долговечности.....................154

2.5. Выводы по второму разделу......................................................156

3. ВЕРИФИКАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ...........................................................................158

3.1. Исследование повреждаемости и долговечности образцов в условиях одноосного растяжения.................................................................158

3.1.1 Экспериментальное определение скорости повреждаемости и ресурса образцов по результатам испытаний на растяжение...................159

3.1.2. Теоретическая оценка моментов отказа образцов при их растяжении на разрывной машине..............................................................165

3.1.3. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов для оценки адекватности расчетной методики.....................................171

3.2. Достоверность проектной оценки долговечности образцов по критериям усталостной прочности................................................................173

3.3 Экспериментальные и теоретические исследования долговечности стандартных пар трения по критериям поверхностной прочности (износостойкости) элементов.........................................................176

3.3.1. Экспериментальная оценка долговечности элементов пар трения по критериям поверхностной прочности...........................................176

3.3.2. Теоретическая оценка ресурса элементов сопряжений для краевых условий эксперимента...................................................................184

3.3.3. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов............................................................................189

3.3.3.1. Оценка адекватности модели отказов элементов сопряжений по критериям поверхностной прочности.......................................191

3.3.3.2. Анализ эффективности предложенных способов повышения долговечности фрикционных сопряжений.................................194

3.4. Выводы по четвертому разделу.................................................195

4. ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕКОНСТРУКЦИИ ПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ ОБЖИГОВОЙ ПЕЧИ Б-4,5ХЬ-125 ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЛИНКЕРА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ................198

4.1. Описание исходной конструкции привода и анализ причин появления внезапных отказов.......................................................................198

4.2. Проверочный расчет долговечности привода исходной конструкции по критериям прочности фундаментных болтов.....................................200

4.2.1. Кинематическая схема привода исходной конструкции............200

4.2.2. Схема нагружения вала-шестерни открытой зубчатой передачи и исходные данные для расчета.....................................................201

4.2.3. Оценка долговечности привода по критериям прочности болтов крепления подшипниковых опор вала-шестерни......................................202

4.2.3.1. Традиционный расчет по критерию статической прочности..202

4.2.3.2. Расчет долговечности привода по критерию кинетической прочности и обоснование его реконструкции..............................205

4.3. Суть предлагаемых решений по реконструкции привода..................207

4.4. Анализ работоспособности и расчет ожидаемого срока службы привода обжиговой печи новой (предлагаемой) конструкции............................208

4.4.1. Кинематическая схема привода новой конструкции..................208

4.4.2. Схема нагружения вала-шестерни открытой зубчатой передачи и исходные данные для расчета.....................................................209

4.4.3. Расчет долговечности привода новой конструкции по критерию кинетической прочности............................................................212

4.4.4. Промышленная реализация теоретических исследований..........214

4.5. Выводы по четвертому разделу.................................................214

5. ПРОЕКТНЫЙ АНАЛИЗ И ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОДВИГАТЕЛЕЙ УРАВНОВЕШИВАНИЯ РАБОЧИХ ВАЖОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ......................................................216

5.1. Описание конструкции, анализ повреждений и причин отказов плунжерных гидроцилиндров уравновешивания прокатных валков..........216

5.2. Разработка методики проектной оценки долговечности плунжерных гидроцилиндров по критерию поверхностной прочности уплотнений.......220

5.2.1. Постановка однопараметрической краевой задачи для прогнозирования срока службы исполнительных гидроцилиндров........220

5.2.2. Формулирование условий однозначности..............................221

5.2.3. Методика проектной оценки долговечности исполнительных гидроцилиндров.......................................................................228

5.3 Теоретические исследования долговечности промышленных гидроцилиндров уравновешивания валков.........................................230

5.3.1. Организация компьютерного эксперимента...........................231

5.3.2. Теоретическая оценка долговечности различных вариантов конструкции промышленных гидроцилиндров.........................................233

5.4. Промышленная реализация полученных результатов на станах горячей листовой прокатки.......................................................................244

5.4.1. Цель и организация промышленных исследований..................244

5.4.2. Описание способа и устройства для плакирования плунжеров....245

<

5.4.3. Экспериментальные исследования долговечности гидроцилиндров

на стане 2500 горячей прокатки...................................................247

5.4.4. Промышленные исследования долговечности гидроцилиндров на стане 2000 горячей прокатки........................................................249

5.4.5. Оценка экономической эффективности проведенных исследований.........................................................................250

5.5. Выводы по пятому разделу.......................................................251

6. ПРОЕКТНАЯ РАЗРАБОТКА ЗОЛОТНИКОВЫХ ГИДРОАППАРАТОВ СИСТЕМ ГИДРОСБИВА ОКАЛИНЫ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ.................................254

6.1. Описание конструкции, анализ повреждений и причин отказов распределителей гидросбива окалины...............................................254

6.2. Разработка методики проектной оценки долговечности золотниковых гидрораспределителей..................................................................257

6.2.1. Постановка двухпараметрической краевой задачи для прогнозирования срока службы распределителей............................257

6.2.2. Формулирование условий однозначности..............................259

6.2.3. Методика проектной оценки долговечности золотниковых гидрораспределителей.............................................................264

6.3. Теоретические исследования долговечности золотниковых гидроаппаратов...........................................................................265

6.3.1. Организация компьютерного эксперимента...........................266

6.3.2. Прогнозирование долговечности различных вариантов конструкции гидрораспределителей..........................................................268

6.4. Промышленная реализация теоретических результатов на станах горячей листовой прокатки............................................................281

6.4.1. Цель и организация промышленных исследований..................281

6.4.2. Промышленные исследования долговечности распределителей на стане 2500 горячей прокатки......................................................282

6.4.3. Экспериментальные исследования срока службы золотниковых распределителей стана 2000 горячей прокатки...............................285

6.4.4. Оценка экономической эффективности проведенных исследований.........................................................................287

6.5. Выводы по шестому разделу....................................................287

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................290

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................295

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Проектное обоснование реконструкции привода обжиговой

печи агрегата для производства клинкера ОАО «МЦОЗ».........................328

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Повышение долговечности механизма

гидроуравновешивания прокатных валков стана 2500 г/п.........................332

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Повышение долговечности механизмов уравновешивания

рабочих валков 5 и 6 клетей стана 2500 горячей прокатки...........................336

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Совершенствование конструкции узлов гидроприводов

стана 2000 горячей прокатки...............................................................344

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Разработка конструкции плунжерных распределителей

гидросбива окалины повышенной надежности стана 2500 ЛПЦ 4...............354

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Разработка конструкции золотниковых распределителей

гидросбива окалины повышенной долговечности на стане 2000 г/п.............362

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Акт использования результатов исследований в учебном процессе.......................................................................................371

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение требуемого уровня надежности механического оборудования, заложенного на стадии проектно-конструкторской разработки, и его сохранение в течение установленного в техническом задании периода эксплуатации, является одной из актуальных проблем черной металлургии, так как показатели его безотказности и долговечности определяют уровень технико-экономических показателей промышленных предприятий. Металлургические машины, представляющие в основной части механические системы, являются изделиями машиностроительного производства, к которым применимы стандартные термины, определения, подходы и порядок отработки изделий на надежность, регламентируемые ГОСТ 27.002-89 и нормативными рекомендациями «Надежность машиностроительной продукции: Практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению» [1,2].

Практика показывает, что надежность, как способность механической системы сохранять во времени работоспособное состояние, лимитируется главным образом техническим состоянием ее составных частей (элементов) - наиболее нагруженных деталей, звеньев, подвижных и неподвижных сопряжений, механизмов и приводов. Это связано с тем, что ведущими процессами утраты их работоспособности являются протекающие с различной скоростью процессы старения, связанные с необратимыми изменениями физико-механических свойств материалов. Причиной их возникновения является постепенное накопление до критического значения различного рода повреждений (дефектов) структуры наиболее нагруженных объемов материалов деталей под действием статических и динамических внешних эксплуатационных нагрузок. К наиболее распространенным разрушительным процессам, приводящим к отказам механических систем (постепенным и внезапным, которые можно трактовать как постепенные, протекающие с большой скоростью) относятся:

- потеря целостности тела детали или его недопустимая пластическая деформация;

- много- и малоцикловая объемная и контактная усталость;

< к

- множество форм много- и малоцикловой усталости при трении: контактная фрикционная усталость, фрикционная термоусталость, фреттинг-усталость, ударно-абразивная усталость и др.

Последствия недостаточной надежности современных машин приводит к значительным экономическим потерям. Расходы на замену элементов конструкции, выработавших свой ресурс по критериям длительной и усталостной прочности, в три шесть раз превышают первоначальную стоимость изделия. При этом одновременно вследствие завышенных запасов прочности излишний расход металла составляет 40-45% от общей массы деталей и узлов. До 90% механических систем отказывают по критериям износостойкости рабочих поверхностей подвижных сопряжений. На работы по восстановлению изношенных деталей, обеспечению работоспособности узлов различных агрегатов, снижению интенсивности изнашивания оборудования в технически развитых странах ежегодно расходуется до 4...5% национального дохода. Затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи поверхностным разрушением деталей узлов трения в несколько раз превышают стоимость новой машины.

В таких условиях с одновременным возрастанием требований к быстроходности, грузоподъемности, производительности и энергоемкости современных машин, актуальной становится проблема повышения надежности механических систем металлургического производства на всех стадиях их жизненного цикла: проектирования, конструирования, изготовления, испытаний и отладки опытного образца, постановки на серийное производство. В этом плане при создании конкурентноспособных машин первостепенную значимость приобрет