автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Совершенствование оборудования и технологии для кислородной резки металлопроката на базе современных представлений теории тепломассопереноса и динамики движения связанных механических систем

Общие выводы и результаты работы.

1. Широко применяемый при производстве сварных конструкций, машин и аппаратов процесс кислородной резки не отвечает современным требованиям промышленности по главным показателям: производительности и точности.

На основе анализа основных составляющих механизированной кислородной резки с использованием современной теории механики реагирующих сред и тепломассопереноса разработана комплексная физико-математическая модель процесса, на базе которой проведена серия компьютерных экспериментов. Это позволило изучить основные закономерности процессов, пространственную динамику формирования полости реза и наметить пути устранения этих недостатков.

2. Основываясь на теории Вагнера, выведено уравнение кинетики окисления стали при кислородной резке. Показано, что процесс окисления можно отождествлять с прохождением электрического тока по электролиту и использовать для его описания закон Фарадея. Установлено, что процессы окисления и эвакуации расплавленного металла из полости реза имеют волновой характер. Определяющими факторами интенсификации процесса окисления и повышения скорости резки являются повышение температуры разрезаемого металла и давления режущего кислорода.

3. Компьютерные эксперименты подтвердили наличие отставания лобовой кромки реза, ограничивающего скорость резки и снижающего ее точность и выявили, что причинами отставания являются: воздействия тепловых полей, формируемых подогревающим пламенем интенсифицирующим скорость окисления в верхней части реза и снижающаяся теплопроводность при более высоких температурах смываемого расплава в нижней части реза. Повышению скорости резки при повышенных давлениях способствует применение в режущем инструменте сверхзвуковых сопел, выполненных по типу сопел Лаваля. Установлено, что оптимальным для резки стали толщиной до 150 мм являются скорости кислородной струи с числом Маха 2-2,5 при числе нерасчетности 0,4-1,0 и давлении 12-14 атм.

4. В результате проведенных компьютерных экспериментов, моделирующих процесс нагрева металла кольцевым пламенем, выявлено наличие пространственного температурного минимума по оси резака, наличие которого сдерживает начало процесса резки. Неравномерность температуры нагрева уменьшается по мере нагрева листа, уменьшения диаметра кольцевого отверстия и приближения пламени к оси резака. Для уменьшения времени нагрева предложены многоканальные сопла с углом наклона 8-10° к оси режущего кислорода, а также рекомендовано применение, наряду с ацетиленом, горючих газов с наибольшей температурой пламени, таких как пропилен и МАФ-газ, которые в 1.3 раза нагревают металл быстрее, чем пропан и природный газ.

5. Разработана динамическая модель погрешностей движения механического привода и конструкции портальной машины, на основе которой преложена методика расчета погрешностей движения резака, учитывающая важнейшие составляющие отклонений от заданной траектории. Получены уравнения, позволяющие определять скорость резки на линейных и криволинейных участках в зависимости от установленной динамической точности подвижных элементов, циклических составляющих, кинематических ошибок приводов, массы портала и кривизны контура. Предложены решения по снижению кинематических и динамических погрешностей элементов машины.

6. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны режущие устройства для газопламенной кислородной резки металлов, обеспечивающие повышение скорости резки в 1,2 - 1,3 раза снижающие время предварительного нагрева на 20%. Исходя из условия исключения теплового взрыва, определены размеры каналов подогревающего пламени, при которых критические объемы смеси исключают ее внутриканальное воспламенение и гарантируют безотказную работу режущего устройства.

7. Пересмотрены требования ГОСТа 5614 по высшему классу точности на машины термической резки и введен в действие новый ГОСТ 26940, ужесточающий требования в 2,0 раза, разработан новый типоразмерный ряд машин для освоения в серийном производстве, обеспечивающий в полной мере потребности современных заготовительных производств. Сконструирована, изготовлена и освоена в серийном производстве базовая модель портальной машины с улучшенными динамическими свойствами, позволяющая в 2 раза повысить точность машины.

8. Предложена концепция ускоренного обновления машин термической резки заготовительных производств металлообрабатывающих предприятий, позволяющая методом ревитализации имеющихся МТР в 1,3 раза повысить их производительность и в 2 раза - точность, при этом затраты на обновление снижаются в 2 раза по сравнению с закупкой новых машин.

9. Разработаны новые технологии кислородной резки: технология резки крупномодульной рейки длиной до 6 м из стали, толщиной стали 110 мм, обеспечивающая получение точности ±1 мм, технология кислородной резки тонкого металла толщиной 2-6 мм и технология высокопроизводительной резки толстого металла толщиной до 500 мм.

1. Н.И.Никифоров, С.П.Нешумова, И. А. Антонов. Справочник молодого газосварщика и газорезчика. Москва, Высшая школа, 1990 г., 1-239 с.

2. Н.И.Никифоров, К.В.Васильев, A.A.Трофимов. Оборудование для газопламенной и плазменно-дуговой резки. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т., М., Машиностроение, 1979 г., т.4, с.283-308.

3. Н.И.Никифоров, А.Х.Смирнов. Комплексное решение проблем сварки в гражданском и промышленном строительстве РФ. Жилищное строительство, № 3, 1996 г., Стройиздат, г.Москва, с.26-28.

4. Н.И.Никифоров "Исследование влияния плазменной дуги на формообразование реза и разработка способов улучшения макрогеометрии получаемых кромок". Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., М., МВТУ им.Н.Э.Баумана, 1977 г., с. 1-20.

5. К.В.Васильев, Л.О.Кохликян, Н.И.Никифоров. "К оценке точности плазменно-дуговых резов", "Сварочное производство", 1969 г., № 3, с.50-51.

6. К.В.Васильев, Л.О.Кохликян, Н.И.Никифоров. "О системе оценки качества плазменно-дуговых резов". Труды ВНИИАвтогенмаш. Выпуск 16., "Машиностроение", 1969 г., с.58-76.

7. Н И.Никифоров. Исследование влияний параметров плазмотрона на геометрию плазменно-дугового реза. Тезисы Конференции. Достижения науки и практики., г.Кишинев, 1973 г., с.16-17.

8. К.В.Васильев, Н.И.Никифоров. "Исследование плазменной дуги методом секционного каналового калориметрирования", "Сварочное производство", № 3, 1972 г., с. 12-14.

9. Н.И.Никифоров, К.В.Васильев, И.Н.Матюнин. О поведении режущей дуги при плазменно-дуговой резке металлов. Сборник трудов ВНИИАвтогенмаш, Выпуск XXI, Москва, 1976 г., с. 52-61.

10. К В.Васильев, Н.И.Никифоров. Исследование режущей дуги методом скоростной фоторегистрации. "Автоматическая сварка", №6, 1975 г., с.18-22.

11. Н.И.Никифоров, К.В.Васильев, Е.В.Говорин. Оптимизация геометрических параметров плазменно-дугового реза. "Химическое и нефтяное машиностроение", № 4, 1976 г., с.26-27.

12. Н.И.Никифоров. "Плазмотрон", А С. № 392892, 07.05.1973 г. Н.И.Никифоров и др. "Плазмотрон", А С. № 518101, Б.И. № 22, 1975 г.

13. H.И.Никифоров и др. "Способ плазменно-дуговой резки". А С. № 498133, Б.И. №1. 1976 г.

14. Н.И.Никифоров и др. "Способ плазменно-дуговой резки". АС. № 583572., 15.09.1977 г.

15. Н.И.Никифоров. "Устройство для плазменно-дуговой резки": А С. № 583573, 1977 г.

16. К.В.Васильев, Н.И.Никифоров. Особенности воздушно-плазменной резки металла, погруженного в водяную ванну. Экспресс-информация, ЦИНТИХимнефтемаш, 1984 г., с.1-6.

17. Н.И.Никифоров и др. "Результаты компьютерных и натурных экспериментов по высокоскоростной кислородной резке металлов", Автоматическая сварка, № 5, 2000 г., с.21-24.

18. N.I.Nikiphorov, R.F.Krektuleva. " Mathematical modeling of oxygen cutting", Welding International., 1998, 12(10)797-800.

19. Н.И.Никифоров, С.П.Нешумова, И.А.Антонов. Справочник газосварщика и газорезчика, Москва, Высшая школа, 1997 г., 1-240.

20. Н.И.Никифоров, О.Е.Капустин, Ю.К.Родин. "Новые представления о механизме горения применительно к сварочной горелке", "Сварочное производство", № 5, с.33-36, 1999 г.

21. Н.И.Никифоров, О.Е.Капустин, Ю.К.Родин. "К расчету геометрии каналов подогревающего пламени в резаке". "Тяжелое машиностроение", № 31, с. 12-14, 1999г.

22. Н.И.Никифоров, А.В. Тихомиров, Г.П.Волков. "Режущие устройства для механизированной кислородной резки металлов", "Тяжелое машиностроение", № 3, с. 15-17, 1999 г.

23. КВ.Васильев, НИ.Никифоров. "Прогрессивные технологии газотермической обработки в городском хозяйстве", Материалы международной научно-технической конференции, г.Санкт-Петербург, 22-23 сентября 1998 г., с.377-380.

24. И.А.Антонов, Н.И.Никифоров, С.П.Нешумова. "Новая система ацетиленоснабжения потребителей", "Сварочное производство", № 3, с.20-22, 1993 г.

25. Н.И.Никифоров, A.B.Тихомиров, Е.П.Кудрявцев, А.Г.Фролов. "Динамика погрешностей движения портальных машин термической резки листовых материалов", "Тяжелое машиностроение", № 3, с.2-4, 1999 г.

26. Н.И.Никифоров, A.B.Тихомиров, Е.ПКудрявцев, А.Г.Фролов. "Повышение точности машин термической резки", "Тяжелое машиностроение", №3,1999 г., с.4-8.

27. И.А.Антонов, O.K.Пик, Н.И.Никифоров, Г.К.Сухинин. "Узел перемещения резака машины для термической резки" A.C. № 1174201 СССР. МКИ В 23 К 7/02. Опубл. В Б.И. Л» 31, 1985 г.

28. О.К.Пик, Н.И.Никифоров, Г.К.Сухинин. "Новый трехрезаковый блок для интенсификации процесса кислородной резки", Сб. "Интенсификация автогенной отработки, термической резки и напыления", с.5-14, 1988 г.

29. Н.И.Никифоров и др. "Устройство для механизированной плазменно-дуговой резки мерных заготовок", Б.И. № 4, 1978 г.

30. Н.И.Никифоров. "Машина для термической резки проката". A.C. № 517419. Б.И. №22,1976 г.

31. Н.И.Никифоров. "Новые конструктивные решения для автоматизации и механизации термической резки". "Конверсия в машиностроении", № 6, 1998 г., Москва, ТОО "Информконверсия", с.58-65.

32. Н.И.Никифоров. "Новые прогрессивные решения автоматизации и механизации термической резки". Международная Конференция "Сварка и родственные технологии в XXI век". Тезисы докладов, г.Киев, 1998 г., с.80-81.

33. Н.И.Никифоров, П.П.Калитин. "Проблемы качества и обязательная сертификация оборудования и аппаратуры для газопламенной обработки металлов". "Химическое и нефтяное машиностроение", № 5, 1999 г., с.23-25.

34. Н.И.Никифоров, ГИКарасева, А.А.Трофимов. "Машины стационарные портальные для термической резки листового металла. Общие технические требования". ГОСТ 26940-86. Госкомитет СССР по стандартам, Москва, 1986 г.

35. Н.И.Никифоров, О.К.Пик, Л.Н.Понкратова. "Оптимальные условия применения пленочной водяной завесы при термической резке". Сб. "Автоматизация исовершенствование процессов газопламенной обработки металлов", Труды ВНИИАвтогенмаш, с. 86-95, 1989 г.

36. Н.И.Никифоров и др. "Устройство для термической резки". Патент РФ № 1532219, 1993 г.

37. Л.Г.Откидач, Н.И.Никифоров. "Устройство для защиты от шума светового излучения и аэрозолей к горелкам для термической обработки". Патент РФ № 1771906, 1993 г.

38. Н.И.Никифоров, К.В.Васильев. 'ВНИИАвтогенмаш и научно-технический прогресс автогенной техники. Развитие и актуальные проблемы автогенной техники". Сб.научных трудов ВНИИАвтогенмаш, изд-во "Техинпресс", 2000, с.5-12.

39. Н.И.Никифоров, К.В.Васильев. "Актуальные разработки ВНИИАвтогенмаш для машиностроения, промышленности и строительства". Сб. "Пути развития сварочных технологий на предпритиях города Москвы". Тезисы конференции 4-5 декабря 1997 г. ДРДЗ, с.6-8.

40. Н.И.Никифоров, Г.К.Сухинин. "Кислородная резка тонколистовой стали". "Тяжелое машиностроение", № 3, с. 18,1999 г.

41. Н.И.Никифоров и др. "Резак для кислородной резки". Патент РФ № 2113948, 1998 г.

42. К.В.Васильев, Л.О.Кохликян, Н.И.Никифоров. "Расчет глубины зоны термического влияния при плазменно-дуговой резке". "Автоматическая сварка", № 11, с.29-31,1971 г.

43. К.В.Васильев, Н.И.Никифоров. "Методика технико-экономического анализа процесса плазменно-дуговой резки". Труды ВНИИАвтогенмаш, М., 1985, с.59-67.