автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вероятностное прогнозирование долговечности и повышения ресурса опорных валков моделированием искажения текущего профиля от износа

Слободянский Михаил Геннадьевич

ВЕРОЯТНОСТНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ОПОРНЫХ ВАЛКОВ МОДЕЛИРОВАНИЕМ ИСКАЖЕНИЯ ТЕКУЩЕГО ПРОФИЛЯ ОТ ИЗНОСА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2011

11 5 СЕН 2011

4852946

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

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Анцупов Виктор Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Макаров Александр Николаевич

Защита состоится 13.10.2011г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

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

Автореферат разослан «_»_2011г.

кандидат технических наук Мазур Николай Викторович

Ведущая организация: ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ»

им. академика А.И. Целикова

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем производства горячекатаного листа, является вопрос повышения безотказности и долговечности опорных валков, так как их работоспособностью, в том числе, определяются технико-экономические показатели работы станов горячей листовой прокатки: расход валкового материала, качество прокатываемой полосы, производительность стана и др.

Поскольку основной причиной отказов опорных валков является искажение их исходной профилировки вследствие неравномерного изнашивания рабочей поверхности по длине бочки, актуальным становится вопрос изыскания резервов повышения их надежности.

Техническая и научная проблемы заключаются в следующем.

Во-первых, момент отказа опорных валков при их проектировании и эксплуатации устанавливается ориентировочно, по массе или длине прокатанных полос, без учета основных конструктивных и технологических параметров прокатки, определяющих длительность их работы. Это не позволяет с достаточной точностью прогнозировать искажение текущего профиля опорных валков от износа и аналитически оценивать их технический ресурс для заданных условий эксплуатации.

Во-вторых, для продления ресурса опорных валков с целью снижения норм их расхода и увеличения производительности стана, возникает необходимость в предварительном анализе и оценке эффективности различных способов повышения их износостойкости и выработке практических рекомендаций по применению тех или иных конструктивных и технологических решений.

В связи с вышеизложенным считаем, что решение в данной работе указанных научно-технических задач для обеспечения безотказности и долговечности опорных валков, является весьма важным и актуальным для теории и практики листопрокатного производства.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационных исследований является разработка методики вероятностного прогнозирования надежности опорных валков на основе моделирования процесса их изнашивания и оценка эффективности различных способов повышения их ресурса при сохранении качества

прокатываемых полос.

Для реализации указанной цели в работе последовательно решаются следующие задачи:

1. Разработка аналитической модели процесса изнашивания элементов сопряжений, для последующего ее использования при описании механизма разрушения поверхности опорных валков в межвалковом контакте.

2. Проведение теоретических и лабораторных исследований по изнашиванию образцов из валковых материалов на машине трения СМТ-1 с целью верификации модели и выявление влияния наиболее значимых факторов на показатели износостойкости.

3. Создание модели параметрических отказов опорных валков по критерию износостойкости и точности прокатываемых полос.

4. Проведение теоретических исследований и оценка эффективности возможных методов повышения износостойкости и долговечности опорных валков.

5. Разработка практических рекомендаций по применению результатов теоретических исследований в промышленных условиях и оценка технико-экономической эффективности предлагаемых конструктивных и технологических решений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика вероятностного прогнозирования показателей безотказности и долговечности опорных валков.

2. Модель процесса формирования текущего профиля опорных валков при их изнашивании в межвалковом контакте.

3. Методики аналитической оценки эффективности различных способов повышения долговечности опорных валков.

Научная новизна.

1. Разработана методика прогнозирования показателей безотказности и долговечности опорных валков по критериям точности текущего профиля и обеспечения требуемого уровня поперечной разнотолщинности прокатываемых полос, что отличает её от известных.

2. Создана модель процесса формирования текущего профиля опорных валков при их изнашивании в межвалковом контакте на основе структурно-энергетической теории трения, отличительным признаком которой является использование термодинамического условия разрушения объемов поверхностного слоя.

3. Разработаны новые методики прогнозирования максимально возможного ресурса опорных валков на основе проектирования рациональных сочетаний профилировок и значений усилия противоизгиба рабочих валков, подбора новых валковых материалов или различных способов подачи смазочных материалов во фрикционный контакт.

Практическая ценность.

1. Методика и алгоритм для аналитического прогнозирования показателей износостойкости и надежности опорных валков в заданных условиях эксплуатации.

2. Методики для оценки эффективности применения различных способов продления ресурса опорных валков.

3. Практические рекомендации по выбору рациональных сочетаний профилировок рабочих валков и усилий их противоизгиба, а так же различных смазочных материалов, подаваемых в межвалковый контакт, по критерию максимальной долговечности опорных валков при сохранении поперечной разнотолщинности прокатываемых полос.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ МГТУ им. Г.И. Носова за 2007-2010г. (г. Магнитогорск, 2008-2011г.г.,); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2010г.), XIV Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010г.), XI Международной научно-технической конференции молодых работников (Магнитогорск, 2011г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ в научных технических изданиях, в том числе три из них, рекомендованные ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований, приложения на 43 листах, содержит 158 страниц машинописного текста, 28 рисунков, 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена техническая и научная проблема прогнозирования и обеспечения требуемого уровня надежности опорных валков непрерывных широкополосных станов горячей прокатки (НШСГП) и обоснована ее актуальность. Сформулирована цель и задачи исследований, отражающие основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен критический анализ современных моделей и методик прогнозирования показателей износостойкости и долговечности опорных валков. Установлено, что большинство аналитических зависимостей построено для конкретных станов на основе обобщения экспериментальных данных об износе и наработках опорных валков с использованием весового, геометрического и кинематического показателей интенсивности изнашивания. Очевидно, что такого рода зависимости не универсальны и не пригодны для прогнозирования долговечности опорных валков даже в условиях одного стана, так как не учитывают большинства технологических и конструктивных параметров эксплуатации: геометрические размеры валков и полосы, усилие, скорость и температуру прокатки, шероховатость поверхности валков, свойств материалов и др.

Более перспективной и универсальной является известная физико-вероятностная модель для оценки показателей надежности опорных валков, построенная с использованием энергетической интенсивности изнашивания или «мнимой» плотности энергии. Однако, использование в этой модели полной работы внешних сил для определения показателей износостойкости опорных валков, не отражает истинную физическую природу усталостного разрушения (изнашивания) материала поверхностного слоя опорных валков при их фрикционном взаимодействии с рабочими. Согласно современным представлениям о трении и изнашивании, критерием разрушения матери&та поверхностного слоя является не «мнимая», а действительная плотность внутренней энергии, накапливаемая за время работы в деформируемых объемах поверхности опорного валка в межвалковом контакте.

В связи с этим, в первой главе проведен анализ известных методов оценки показателей износостойкости различных трибосопряжений. В частности, рассмотрены аналитические модели, построенные в рамках молекулярно-механической и энергетической теорий трения и усталостной теории изнашивания (И.В. Крагельского, Г. Фляйшера и др.). Кроме того, проанализирована экспериментально аналитическая модель В.В. Федорова, разработанная на основе структурно-энергетической теории трения с использованием критической плотности внутренней энергии в качестве критерия разрушения поверхностных слоев.

Проведенный анализ позволил предложить новый чисто аналитический метод построения модели процесса изнашивания элементов фрикционных сопряжений, в том числе и опорных валков, основанный на синтезе молекулярно-механической теории трения И.В. Крагельского и термодинамической теории разрушения материала поверхностного слоя В.В. Федорова.

Кроме того, в первой главе представлено описание возможных способов повышения износостойкости материалов деталей узлов трения, на основе которого предложены методы для исследования возможности их применения с целью повышения долговечности опорных валков.

Анализ общих зависимостей физической теории надежности и обобщение известных моделей процессов изнашивания трибосопряжений, позволил сформулировать этапы аналитической методики прогнозирования показателей надежности опорных валков НШСГП в общем виде.

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

Во второй главе разработана модель процесса изнашивания произвольных трибосопряжений, в основу которой положено совместное решение следующих уравнений:

- уравнения энергетического баланса установившегося процесса трения элементов трибосопряжения

лтр=au=ду,+au2 = д ил+au,2 + а +е2; 0)

- базовое уравнение молекулярно-механической теории трения

/ = FJF. = + Flm/F, = /_+/_; (2)

- математическое выражение основополагающей гипотезы структурно-энергетической теории, согласно которой разрушение структуры локального (единичного) деформируемого объема поверхностного слоя, происходит при достижении изменением плотности внутренней энергии ди критического значения

Аи-

Дн|2=Аи*2> (3)

- вытекающие из этих условий уравнения для оценки разрушаемых при трении объемов поверхностных слоев трибоэлементов в условиях стационарного режима трения (7; 2 = const)

дки(/)=д^12/дй;,2- (4)

В этих выражениях: A =f-F -V -t~ работа внешних сил трения в зоне контакта элементов (Здесь,

f- коэффициент трения; Fn — нормальная сила в сопряжении; vcK~ скорость относительного скольжения элементов; /- время фрикционного взаимодействия); AUl2 =AUt +AU2~ изменение внутренней энергии материалов деформируемых

контактных объемов обоих элементов сопряжения;

AU,ll = vl2-f„x-Fll-VCK-t~ изменение скрытой (потенциальной) энергии искажений

(повреждений) кристаллической структуры материалов контактных объемов элементов пары трения;

fi,2 =vi2 тепловой эффект трения.

В качестве граничных условий использованы расчетные зависимости:

- коэффициентов и, и Vi распределения потоков внешней энергии по элементам трибосопряжения Б.В. Протасова;

- молекулярной и механической составляющих коэффициента

трения Н.ММихина;

' В качестве научного консультанта по вопросам физико-верояпгасгного моделирования принимал участие доцеет, к.т. н. А.В. Анцупов

- температуры у и Т2 поверхностных слоев элементов трибосопряжения А.Д. Дубинина, необходимые для расчета значений д2;

- значений критической энергоемкости 2 материала поверхностного слоя

первого и второго элемента трибосопряжения В.В. Федорова.

На основе решения краевой задачи (1)-(4) теории стационарного изнашивания, с учетом граничных и начальных условий, получены основные уравнения для определения показателей износостойкости трибоэлементов:

- текущего объемного износа

л У, (0 = (v,. Fn ■ fM„ ■ v„ •»)/ А«;,> АУ2 (0 = (v2 -Fn-fm-Va. <)/ Ьи],\ (5)

- текущего линейного износа

у, = дvdo/an, у2 =av2(i)/at1 ; (6)

- скорости линейного изнашивания

Уу(1) = AKi(')/(Ai rym=^2C)/(AT2-t) = y2/t^ (7)

где лп, ат, - площади трения элементов сопряжения.

Для оценки адекватности разработанной модели проведены экспериментальные исследования по изнашиванию образцов на машине трения СМТ-1 по схеме «чугунная колодка - стальной ролик» в различных условиях трения. Ошибка предсказания расчетных и экспериментальных значений скорости изнашивания находится в диапазоне: для чугунных колодок - ¿-=(5-43)% (п0

математическому ожиданшо) и ^ = (з - 42) % (п0 среднему квадратическому

отклонению); для стальных роликов ^(J2-42) % и ба =(4-43) %> соответственно.

При этом, значения коэффициента вариации в экспериментальных и теоретических исследованиях не превышают ^ = о,25 ■

Эти данные доказывают корректность предложенной методики прогнозирования показателей износостойкости трибосопряжений и позволяют рекомендовать её для разработки модели параметрических износовых отказов опорных валков.

Далее, во второй главе представлены результаты компьютерного эксперимента по оценке эффективности применения различных способов для снижения скорости изнашивания роликов изготовленных из двух марок валковых материалов: 75ХМФ, AST70X. Исследовались следующие способы:

- нанесение на поверхность образцов полимерных антифрикционных покрытий;

- распыление во фрикционный контакт СОЖ;

- предварительная обкатка роликами поверхности образцов;

- изменение микрогеометрии поверхностного слоя.

Обобщение результатов теоретических исследований, часть из которых представлена на рис. 1-2, позволяет выделить наиболее значимые:

- наиболее эффективным способом следует считать нанесение на поверхность роликов антифрикционного покрытия из фторопласта Ф4, что приводит к снижению скорости их изнашивания в 1,33-1,5 раз. Установлено, что

использование метода более эффективно (в 1,3 — 1,5 раза) для роликов," изготовленных из стали А8Т70Х, при всех исследованных режимах трения, рис. 1-2;

- вторым по эффективности способом повышения износостойкости является подача в контакт смазочно-охлаждающей жидкости в совокупности с предварительным поверхностным деформационным упрочнением — обкаткой роликами. Такой комбинированный способ позволяет снизить скорость изнашивания в 1,27-1,37 раз. При этом большая эффективность отмечается при использовании современной, применяемой в настоящее время для изготовления г опорных валков, марки стали А13Т70Х производства «Сотегтапп-Р^регБ», рис. 1;

- снижение шероховатости контртела с =0,63Мкм Д° = 0,05 мкм (диапазон соответствует изменению шероховатости рабочих валков НШСГП) при всех исследованных изменениях условий эксплуатации, показывает однозначное падение скорости изнашивания в пределах 30%, рис.1;

- применение в качестве материала ролика марки АБТ70Х производства фирмы «Соп(егтапп-Ре1'рег5» при всех исследованных изменениях условий эксплуатации, позволяет снизить скорость их изнашивания, по сравнению со скоростью изнашивания роликов из стали 75ХМФ, на 15-17%, рис. 1-2.

Среднеарифметическое отклонение профиля /?„ контр! ел а, мкм

Рис. 1. Сравнительный анализ эффективности применения современных материалов опорных валков в различных условиях трения

'100 200 300 400 500 600 700 '100 200 300 400 500 600 700 Твердость мэтераиала ролика по Виккерсу кг/\ш'

Рис. 2. Влияние твердости материала на его энергоемкость и линейную скорость

изнашивания ролика а - без покрытий; б - СОЖ (1,7-2%); в - покрытие Ф4

Полученные результаты лабораторных и теоретических исследований использованы при разработке модели параметрической надежности опорных валков и поиске наиболее эффективных способов повышения их износостойкости и долговечности.

В третьей главе разработана модель параметрических отказов опорных валков по критерию точности их текущего профиля, в основу которой положена общая методика прогнозирования показателей надежности и разработанная во второй главе модель изнашивания трибосопряжений.

Общая методика определения показателей безотказности и долговечности опорных валков включает последовательность реализации следующих этапов.

На первом этапе выбраны параметры, контролирующие изменение технического состояния опорного валка. В качестве основного (первого) параметра принимаем его текущую профилировку д(, которая определяется как разность

текущих радиусов валка в центре [{(х = 0,/) и на краю и(х = бочки:

д, =д(о,/)-Л(£,/)'

где х - координата сечения по длине бочки валка. дг = 0 - координата сечения на середине бочки валка, х = Ь - координата сечения на краю бочки валка; г - время непрерывной работы.

Вторым, дополнительным параметром, характеризующим состояние опорного валка, принимаем величину текущей поперечной разнотолщинности полос ДА,, определяемую как разность толщин на середине ф,/) и на краю А(/.„,/)

ширины полосы:

ДА = А(0,/)-/»(¿„О- (9)

где х - координата точки измерения толщины полосы по её ширине и отсчитываемая от её середины: х = 0 - координата точки на середине полосы, х = Ь„

- координата точки на кромке полосы.

На втором этапе определены условия работоспособности опорных валков при их изнашивании во время прокатки на любой момент времени (. В соответствии с выбранными параметрами валка, такими условиями являются неравенства:

д, > [д], 00)

ДА, <[ДА]> 00

где [д] - допустимое значение выпуклости бочки опорного валка, определяемое технологической инструкцией прокатного стана или из опыта работы;

[да] - допустимое значение поперечной разнотолщинности полосы,

регламентируемое ГОСТами.

Нарушение одного из неравенств (10) или (11) приводит к параметрическому отказу опорного валка.

На третьем этапе сформулирован закон изменения величины текущей профилировки а, как разность двух величин: начального профиля д0 = д(0,0)-Л(£,0) и его текущего искажения у = гА -I из-за изнашивания на момент времени <:

Д, =&а-У, =&0-гл-1, (12)

где гл~ величина скорости изменения (искажения) текущей профилировки

опорного валка;

I- произвольный момент времени работы опорного валка. На четвертом этапе, с использованием модели (1)-(4), разработана методика прогнозирования величины скорости г4 изменения текущего профиля опорного валка при его изнашивании, которая излагается ниже (см. уравнения (18)-(20)).

На пятом этапе определили зависимость для прогнозирования вероятности безотказной работы р{{) опорного валка на произвольный момент времени /, полагая что в условии (12) до и ГЛ являются случайными величинами,

распределенными согласно центральной предельной теореме теории вероятностей по нормальному закону. Значения р(*) определяем, как значение вероятности выполнения условия работоспособности (10) по таблицам квантилей нормального нормированного распределения (или таблицам нормированной функции Лапласа) в соответствии с выражением

р(,)=р(а, >[дВ = ф, >М)=Ф(У, = ф

(13)

I

где и1 - квантиль нормального нормированного распределения случайной величины д( на момент времени /

и,=(д,-М)/^-п-'Аф^У Л-:)1} (14)

В условиях (13) и (14) значения числовых характеристик д0 и определяем

по рабочим чертежам опорного валка, а значения ^Г и а по известным

отклонениям исходных данных входящих в модель расчета (18)-(20) в соответствии с правилами теории вероятностей.

Одновременно с оценкой />(/), необходима обязательная проверка

дополнительного условия работоспособности (11). Текущее значение д/,(

определяли по известной методике В.М. Салганика. При нарушении условия работоспособности валка по критерию поперечной разнотолщинности полос (11), отказ опорного валка определяется условием невозможности прокатки некачественной полосы.

На шестом этапе предложена методика прогнозирования ресурсных характеристик:

- гамма-процентного ресурса для заданного допустимого значения вероятности безотказной работы |/фг)]=;к = 0,9> считая, что опорные валки относятся к первому

классу надежности и определяя его решением уравнения для квантили:

к„]=(д, -м>ял=-у--(ЛУ= -ь -Чл-<! (15)

относительно времени ¡, в виде:

-М4/« -кг -г1){к? ^ -М4) (16)

'и = " I ^ ^ ^

Кло] ■<*, -Гь

- остаточного гамма-процентного ресурса

Если отказ опорного валка определен нарушением условия (II), то предельная наработка валка определяется моментом времени , = ¡^ при котором

ДЙ,=ДА„=[ДА]-

Совокупность уравнений (8)-(17) представляет собой подробную методику оценки показателей надежности опорных валков по критерию их износостойкости при одновременном сохранении поперечной разнотолщинности прокатываемых полос.

Для реализации методики (8)-(17), скорость изменения текущей профилировки опорного валка, как детерминированной величины, выразили согласно условию (12) в виде:

Значения до и д( определяли согласно (8):

Д, = л(0,/)-(й(0,0)-АЛ(0,/))-(«(¿,0)- ДД(Л,г)), (19)

где радиальный текущий износ в точках опорного валка на середине

дя(*=0, г) и на краю дф = и) бочки.

Используя разработанную во второй главе модель процесса изнашивания трибосопряжений, распределение текущего радиального износа опорного

валка по длине бочки определяли по основному уравнению изнашивания (6), записывая его применительно к контакту скольжения опорного валка по рабочему:

¿Ц) <4(^.0 J ¿и>

где х,у- координаты точки поверхности контакта валков вдоль оси валка и перпендикулярно ей, отсчитываемые от центра зоны контакта валков;

а(х,()- половина ширины зоны контакта рабочего и опорного валков,

рассчитывали по методике Р.В. Вирабова;

у - коэффициент поглощения внешней энергии материалом поверхностного

слоя опорного валка, определяемый по методике Б.В. Протасова в функции шероховатости поверхности и физико-механических характеристик материалов; Аи{х,у,1)- распределение значений критической энергоемкости материала

поверхностного слоя опорного валка дие{х,у,{) в зоне контакта определяли по

методике В.В. Федорова в функции энтальпии материала валка дя5, исходной

твердости его поверхности ИУ0 и распределения температур т(х,у,1) в зоне

контакта, определяемом по методике А.Д. Дубинина;

** (20)

(р(х)=а(х)-г/(ж- Л(х))~ время нахождения точки поверхности опорного валка с координатой х в зоне контакта валков шириной 2а(х) в течение полного времени его работы г,

г- суммарное время непрерывной работы опорного валка определяемое, массой прокатываемых полос в и скоростью прокатки у с учетом опережения;

1„Лх>у)~ распределение значений механической составляющей коэффициента

трения в точках межвалкового контакта, определяемое по методике Н.М. Михина в функции нормального межвалкового давления р (х,у,

РоС*. >'>') = распределение нормальных межвалковых давлений в зоне

межвалкового контакта, определяемое по параболическому закону Р.В. Вирабова;

/„(х,г) - распределение погонных межвалковых сил на участке [х - Ох) шириной 2а(х)> определяемое по методике В.М. Салганика с использованием модели расчета нагрузок и деформаций четырехвалковой системы кварто, в зависимости от полного усилия прокатки р;

Р„р- усилие, возникающее при прокатке полосы в упруго-пластическом очаге деформации, определяемое по методике Э.А. Гарбера;

Ут(х,1)~ распределение скоростей проскальзывания точек опорного и рабочего

валка по длине контакта, определяемое из условия равновесия опорного валка.

Совокупность уравнений (8)-(20) с перечисленными граничными и начальными условиями, представляет собой модель параметрических отказов опорных валков по критерию износостойкости (10) и сохранения качества полос

(И).

Далее в третьей главе оценена достоверность разработанной модели сопоставлением расчетных и экспериментально измеренных на стане профилей износа валков для известных условий прокатки. Ошибка предсказания математического ожидания профилей опорных валков с экспериментально

измеренными профилями Нэ(х,1к) шестнадцати изношенных валков, находится в пределах двухсигмовой зоны я(х,/к)± ст[«(;г,/,)]- Ошибка средних расчетных значений радиусов изношенных валков по длине бочки по сравнению с измеренными значениями в тех же точках, не превышает для различных валков § = +(5 _) 7,5)% ■

В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований различных способов повышения долговечности опорных валков и дана оценка их эффективности. Исследованы следующие способы:

1 - поиск оптимального исходного профиля рабочих валков при постоянном

усилии их противоизгиба;

2 - выбор оптимального сочетания исходной профилировки рабочих валков и

значения усилия их противоизгиба;

3 — использование для их изготовления сталь марки АБТ70Х производства

«Соп1егташг-Ре1рег8»;

4 - подача в межвалковый контакт различных смазочных материалов;

применительно к условиям эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п ОАО «ММК».

Для оценки эффективности повышения долговечности опорных валков при использовании того или иного способа, выбран базовый, исходный вариант изнашивания верхнего опорного валка №35 десятой клети в реальных условиях эксплуатации стана 2500 г/п, рис. 3,а. В течение всего периода его работы производилась смена рабочих валков с различными профилировками, последовательность которых и соответствующие им моменты времени, показаны над осью абсцисс. Экспериментальный ресурс в этих условиях составил ^ = 58 ч •

На рис. 3,а показано теоретическое изменение текущего профиля опорного валка д (сплошная линия) и поперечной разиотолщинности полос д^ (пунктир) в

течение всего периода его работы. Очевидно, что девяностопроцентный ресурс, определенный точкой пересечения линии д с линией [д], составляет

I =61ЧИ/» =58ч- При этом видно, что разнотолщинность всех прокатанных в течение всего периода работы валка полос не превысила допускаемого значения [ДА]-

Это значение расчетного ресурса ¡,0 = 61 ч выбрано в качестве базового, для

сравнения с ним значений ресурсов того же валка, предположительно подвергнутого одному из перечисленных выше способов повышения долговечности.

Рис. 3. Влияние изменения исходной профилировки рабочего валка на гамма-

процентный ресурс опорного валка при р = 500 кН Проведенные исследования по влиянию изменения исходного профиля рабочего валка на девяносто-процентный ресурс опорного валка в диапазонах установленных технологической инструкцией, позволили установить величину оптимальной его профилировки равным д^ = о,О мм ■ Её использование позволяет

предсказать максимально возможное повышение исходного ресурса опорного валка с ¿,0=61 ч ДО = 92ч> Рис- 3,6. Коэффициент повышения долговечности составит

Кд= 92/61=1,5-

Результаты оценки эффективности второго способа, по влиянию сочетания исходных профилировок рабочих валков и значения усилия их противоизгиба Р на ресурс опорного валка, показаны в таблице 1. Базовый пример изнашивания опорного валка отображен во второй строке сверху таблицы 1.

Таблица 1

Результаты теоретических исследований влияния усилия противоизгиба рабочих

валков на гамма-процентный ресурс опорного валка

Профилировка рабочего валка Ар , мм Усилие противоизгиба рабочего валка F, кН Отказ по параметру Гамма-процентный ресурс к,»

-0,2...0 380 ДА, 11 0,18

500 д, 61 -

900 А, 120 1,96

1520 д, 240 3,9

-0,2 380 ДА, 12 0,19

500 ДА. 17 0,28

900 ДА, 43 0,7

' V!'" 1520 - * .-А, : ■ . 280 : ' 4 >4

-0,1 380 ДА, 30 0,49

500 ДА, 40 0,65

900 Д, 139 2,27

1520 А, 217 3,56

0 380 ДА, 51 0,83

500 А, 92 1,5

900 А, 73 1,19

1520 А, 180 2,95

0,1 380 А, 27 0,44

500 А. 47 0,77

900 А, 44 0,72

1520 А, 111 1,81

В крайнем правом столбце таблицы 1 оценена эффективность различных условий реализации данного способа с помощью коэффициента повышения долговечности кд, который определен отношением ожидаемого в данных условиях

ресурса валка к исходному ресурсу /^ = 614-

Очевидно, что из всего диапазона регламентированных технологической инструкцией значений д^ и р по критерию максимально возможного ресурса

опорных валков является сочетание значений др =-о,2лш и = 1520 кЯ. которое

позволяет предсказать максимально возможное повышение исходного ресурса опорного валка с Д° =280ч- Коэффициент повышения долговечности, в

этом случае равен, = 280/61 = 4,59 •

Результаты комплексного исследования третьего и четвертого способов, по влиянию смены марки стали валка на А8Т70Х и подачи смазочных материалов в

межвалковый контакт на повышение ресурса опорных валков, представлены на рис. 4 и в таблице 2. Базовый вариант изнашивания опорного валка №35 отображен верхней позицией на рис. 4, а и в первой строке таблицы 2.

Анализ результатов, представленных в таблице 2 и на рис. 4,а, показывает, что смена материала валка 75ХМФ на АБТ70Х без применения смазочных материалов, приводит к повышению ресурса с лм = 61ч Д° /,„, = 92,5ч (см. рис. 4,а нижняя позиция и четвертую строку таблицы 2). Эти данные подтверждаются известными результатами промышленных испытаний на станах ОАО «НЛМК» и ОАО «ММК».

На рис. 4, б-в и во 2-ой, 3-ей, 5-ой и 6-ой строках таблицы 2 показано возможное увеличение ресурса опорного валка как из марки стали 75ХМФ, так и из стали А8Т70Х, при использовании смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ - 2%) или полимерного покрытия поверхности опорного валка антифрикционным материалом - фторопластом Ф4.

Применение СОЖ-2% приводит к повышению ресурса опорного валка из стали 75ХМФ с ,да =61ч Д° г„, =66ч, из стали АБТ70Х с =92,5ч до /„, = 98ч (см. рис. 4,6 и вторую и пятую строки таблицы 2); применение фторопластового покрытия приводит к повышению ресурса опорного валка из стали 75ХМФ с ¡к=би ДО -Пч> из стали АБТ70Х - с ^=92,5 ч ДО ¿„,=1094 (см. рис. 4,в и третью, шестую строки таблицы 2). Эти данные подтверждаются известными результатами промышленных испытаний на станах НШСГП ОАО «ММК».

В крайнем правом столбце таблицы 2 оценена эффективность исследуемых способов с помощью коэффициента повышения долговечности кд.

Таблица 2

Исследование эффективности применения смазочных материалов для повышения

долговечности опорных валков из 75ХМФ и А5Т70Х

№ Материал Условия фрикционного взаимодействия Ресурс '90' 4 к.

1 - 61 -

2 75ХМФ СОЖ 66 1,08

3 Ф4 77 1,26

4 - 92,5 1,5

5 А8Т70Х СОЖ 98 1,6

6 Ф4 109 1,78

Из рис. 4 и таблицы 2 видно, что наиболее эффективным способом повышения долговечности опорных валков является плакирование их поверхности полимерным материалом, как для валков из стали 75ХМФ, так и из стали А8Т70Х.

Результаты достаточно большого числа исследований, подобные приведенным выше данным, позволяют заключить следующее:

- долговечность опорных валков определяется рядом технологических и конструктивных факторов, управляя которыми на стадии проектирования, мсжно прогнозировать максимально возможный ресурс опорных валков;

Рис. 4. Сравнение ресурсных характеристик опорных валков изготовленных из материалов 75ХМФ и А5Т70Х в различных условиях фрикционного взаимодействия

- предложенная модель формирования текущего профиля опорных валков, адекватность которой подтверждена результатами известных промышленных испытаний на различных станах, позволяет определять оптимальные значения исследуемых выше управляющих параметров по критерию максимальной долговечности опорных валков с одновременным сохранением поперечной разнотолщинности прокатываемых полос;

- предложенная методика может быть использована на промышленных станах при решении целого ряда практических задач: повышения межремонтного периода опорных валков, проектирования парка валков, повышения производительности и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационных исследований, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем.

1. Разработана аналитическая модель процесса изнашивания произвольных трибосопряжений, построенная на основе совместного решения основополагающих уравнений структурно-энергетической и молекулярно-механической теорий трения.

2. Подтверждена адекватность разработанной модели экспериментальными исследованиями по изнашиванию образцов на машине трения. Ошибка предсказания показателей износостойкости по математическому ожиданию находится в диапазоне ^ =(5-43) %'• по среднеквадратическому отклонению -

3 = (4 - 43) % > коэффициент вариации не превышает ^ _ од5 •

3. Проведены специальные экспериментальные исследования, в ходе которых получены новые научные результаты, позволяющие повысить точность численного моделирования:

- уточнены диапазоны значений триботехнических показателей контактного взаимодействия материалов при изнашивании образцов на машине трения по схеме «стальной ролик - чугунная колодка», которые согласуются с известными экспериментальными данными;

- определены значения энергоемкости изнашиваемых материалов на основе стандартных испытаний образцов на растяжение, уровень которых оказался ниже рассчитываемых по известным в литературе методикам в 1,5-2 раза.

4. Разработана и верифицирована с ошибкой предсказания математического ожидания профилей опорных валков находящейся в пределах двухсигмовой зоны к(х,1 )±ст[я(х,0]5 новая аналитическая модель параметрических отказов опорных валков на основе развития структурно-энергетической теории изнашивания трибосопряжений, которая включает:

- основное и дополнительное условие работоспособности опорных валко» по критерию их износостойкости и сохранения поперечной разнотолщинности прокатываемых полос;

- аналитическую модель процесса формирования текущего профиля опорного валка при его изнашивании в межвалковом контакте, учитывающую физико-механические свойства материалов, шероховатость поверхности валков,

кинематические и силовые параметры, а также значения критической энергоемкости материала поверхностного слоя;

- расчетные зависимости для оценки текущего значения основной структурной характеристики материала поверхностного слоя опорного валка - его критической энергоемкости.

5. Получены новые теоретические результаты, рекомендуемые к промышленному использованию:

- методика проектирования рациональных сочетаний значений профилировок рабочих валков и соответствующих усилий их противоизгиба, позволяющих для условий прокатки стана 2500 г/п прогнозировать увеличение ресурса опорных валков (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п получено увеличение в 1,3-4,5 раз);

- методика оценки эффективности применения новых материалов для изготовления опорных валков по коэффициенту долговечности (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п использование валков из материала AST70X производства «Gontermann-Peipers» позволяет повысить ресурс в 1,35-1,7 раз по сравнению с ресурсом валков из стали 75ХМФ, что соответствует известным результатам промышленных испытаний);

- методика сравнительной оценки эффективности способов подачи смазочных материалов в межвалковый контакт по коэффициенту долговечности опорных валков (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п распыление смазочно-охлаждающей жидкости или нанесение антифрикционного покрытия Ф4 на поверхность опорных валков, позволяет увеличить их ресурс в 1,2-1,6 раз и 1,6-2,0 раза соответственно по сравнению с исходными условиями эксплуатации валков, что корелирует с известными результатами промышленных испытаний);

- установлено, что наиболее эффективным способом продления ресурса опорных валков и повышения технико-экономических показателей работы стана, является ресурсосберегающий метод плакирования их поверхности фторопластовым покрытием Ф4 с увеличением долговечности в 1,6-2,0 раза и ожидаемым экономическим эффектом - 44797272 руб./год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Анцупов A.B. (мл), Анцупов A.B., ..., Слободянский М.Г. Трибодиагностика материалов опорных и рабочих валков листовых станов //' Производство проката. 2008. №4. - С. 41-44.(рецензируемое издание, рекомендованное ВАК).

2. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), Слободянский М.Г. и др. Прогнозирование надежности трибосопряжений на основе термодинамического анализа процесса трения // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. №3. - С. 54-60. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК).

3. Анцупов A.B., Анцупов В.П., ..., Слободянский М.Г. и др. Прогнозирование безотказности трибосопряжений по критерию износостойкости на стадии их проектирования // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №11. - С.38-45. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК).

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

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

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

7. Анцупов A.B. (мл), Анцупов A.B., ..., Слободянский М.Г. и др. Прогнозирование износостойкости материалов прокатных валков // Процессы и оборудование металлургического производства. Межрегион, сб. науч. тр./ Под ред. Платова С.И. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009г. С. 240-245.

8. Анцупов A.B. (мл), Анцупов В.П., ..., Слободянский М.Г. и др. Оценка безотказности опорных валков на основе определения износостойкости материалов // Процессы и оборудование металлургического производства. Межрегион, сб. науч. тр./ Под ред. Платова С.И. Вып.8. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009г. С. 245-252.

9. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл)..... Слободянский М.Г. и др.

Прогнозирование показателей надежности трибосопряжений // Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 262 - 264.

10. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), Слободянский М.Г. и др. Модель процесса изнашивания трибосопряжений на основе термодинамического анализа их состояния // Материалы 68-й научно-технической конференции: Сб. докл-Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С.264-269.

И. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл), ..., Слободянский М.Г. и др. Аналитическая оценка показателей износостойкости трибосопряжений // Материалы ;6-ой международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин»: Сб. докл.- Пенза, 2010. - С. 119-123.

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

13.Анцупов A.B., Слободянский М.Г., Анцупов A.B. (мл) и др. Моделирование процесса изнашивания трибосопряжений // Материалы 14-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении»: Сб. докл.- Пенза, 2010. - С. 290-294.

Подписано в печать 18.08.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 582.

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ОПОРНЫХ ВАЛКОВ.

1.1. Прогнозирование показателей надежности опорных валков на основе анализа известных моделей процесса их изнашивания.

1.2. Анализ известных методов аналитической оценки триботехнических показателей износостойкости фрикционных сопряжений.

1.3. Возможные способы повышения износостойкости опорных валков для обеспечения требуемого уровня их надежности.

1.4. Основные этапы общей методики прогнозирования показателей надежности опорных валков.

1.5. Выводы, цель и задачи дальнейших исследований.34'

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ОПОРНЫХ ВАЛКОВ1 И' ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ'ПРИ ИСПЫТАНИИ ОБРАЗЦОВ НА МАШИНЕ ТРЕНИЯ.

2.1. Разработка математической модели процесса изнашивания элементов трибосопряжений.

2.1.1. Вывод основного уравнения изнашивания трибосопряжений

2.1.2. Оценка мощности сил трения.

2.1.3. Методика определения.критической энергоемкости материалов элементов трибосопряжения.

2.2. Блок-схема-математической модели процесса изнашивания трибосопряжений.

2.3. Аналитический расчет показателей износостойкости пары трения «Стальной ролик - чугунная колодка».

2.4. Экспериментальные исследования показателей износостойкости образцов пар трения «стальной ролик - чугунная колодка» на машине трения СМТ-1.

2.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований по изнашиванию образцов.

2.4.2. Экспериментальное определение параметров внешнего трения и показателей износостойкости образцов.

2.4.3. Экспериментально - аналитическая оценка триботехнических показателей контактного взаимодействия образцов.

2.4.4. Экспериментальное определение энергоемкости при пластической деформации материалов.68,

2.4.5. Оценка адекватности математической модели процесса изнашивания элементов трибосопряжений.

2.5. Теоретические исследования эффективности применения различных способов повышения износостойкости пар трения «ролик-колодка».

2.6. Выводы по второй главе.

3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОТКАЗОВ ОПОРНЫХ БАЖОВ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ.

3.1. Методика прогнозирования показателей надежностиопорных валков по критерию их износостойкости.

3.2. Модель процесса формирования текущего профиля опорного валка при его изнашивании в межвалковом контакте.

3.2.1. Методика оценки закона распределения касательных контактных напряжений.

3.2.2. Оценка закономерности распределения скоростей скольжения точек опорного валка по длине межвалкового контакта.

3.2.3. Методика оценки критической энергоемкости материала опорных валков.

3.2.4. Оценка скорости изменения текущего профиля опорного валка при его изнашивании в межвалковом контакте.

3.2.5. Верификация модели формирования профиля изношенных валков для заданных условий их эксплуатации.

3.3. Блок-схема модели процесса формирования износовых отказов опорных валков.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ОПОРНЫХ ВАЛКОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Выбор оптимальных профилировок рабочих валков по критерию максимальной долговечности опорных валков.

4.2. Исследование возможности продления ресурсаюпорных валков проектированием оптимального значения противоизгиба рабочих валков.

4.3. Оценка эффективности использования стали AST70X фирмы «Gontermann-Peipers» для повышения ресурса опорных валков.

4.4. Исследование влияния условий фрикционного взаимодействия на повышение износостойкости и долговечности опорных валков.

4.5. Общие рекомендации по использованию полученных результатов исследований в промышленных условиях.

4.6. Методика расчета ожидаемой экономической эффективности при использовании ряда предлагаемых решений.

4.6.1. Расчет экономического эффекта от прироста объема производства горячекатаного листового проката в результате снижения простоев стана 2500 г/п.

4.6.2. Методика расчета экономического эффекта от сокращения парка опорных валков.

4.6.3. Расчет совокупного экономического эффекта от внедрения предложенных решений.

4.7. Выводы по четвертой главе.

Одной из важнейших проблем листопрокатного производства, является вопрос обеспечения требуемого уровня надежности прокатных валков, так как их состоянием определяются технико-экономические показатели работы станов: расход валкового материала, качество прокатываемой полосы, производительность, себестоимость продукции ^ др.

Объектом диссертационных исследований являются опорные валки листовых станов горячей прокатки, причиной утраты работоспособности которых, является неравномерное изнашивание поверхности бочкш в межвалковом контакте, а предметом исследований — показатели их надежности: вероятность безотказной работы, ресурсные характеристики, коэффициенты запаса надежности и др.

Проблема оценки безотказности и долговечности опорных валков при их изнашивании заключается в том, что в настоящее время отсутствуют теоретически обоснованные критерии отказа (условия работоспособности)1 валков по предельному искажению профиля от износа с учетом сохранения требуемого уровня* поперечной' разнотолщинности прокатываемых полос. Момент перевалки назначается ориентировочно, из опыта работы валков в условиях конкретного стана, например, после прокатки заданного количества прокатанных полос в тоннах или их длины, в километрах. В настоящее время отсутствуют методики, позволяющие с достаточной точностью прогнозировать искажение текущего профиля опорных валков при эксплуатации и предсказывать, момент их перехода в предельное состояние по данному параметру при условии сохранения- качества полосы, то есть оценивать технический ресурс и проектировать рациональные исходные профили ещё до установки валков в прокатную клеть.

В связи с тем, что текущий профиль износа валков является случайной величиной, зависящей от множества неконтролируемых факторов; для определения количественных показателей надежности необходимо создание вероятностной модели формирования отказов опорных валков. В её основу должны быть положены закономерности, адекватно описывающие физическую природу процесса изнашивания с учетом их стохастического характера. Известные на настоящий момент экспериментальные и эспериментально-аналитические модели прогнозирования показателей надежности опорных валков требуют существенной доработки с использованием современных достижений трибологии. Созданные1 в рамках структурно-энергетического подхода и термодинамической теории1 разрушения,* методики оценки, показателей износостойкости различных трибосопряжений,. могут явиться, основой для разработки достоверных моделей износовых отказов опорных валков.

Кроме того, существенное расширение номенклатуры* способов повышения износостойкости поверхностей трения, предлагаемых современной теорией* и практикой' эксплуатации различных трибосопряжений; позволяет оценить возможность- их использования для, продления, ресурса опорных валков. Поскольку основной причиной отказов опорных валков станов горячей? прокатки является' искажение исходной профилировки; вследствие, неравномерного изнашивания* рабочей поверхности по длине бочкщ. актуальным становится вопрос изыскания резервов для повышения; или обеспечения требуемого, уровня их фрикционной надежности.

В данной работе для построения5 модели отказов^ опорных валков по критерию износостойкости применяется структурно-энергетический (термодинамический) подход к. процессам изнашивания рабочих поверхностей технологического- инструмента. Исходным условием разрушения? (изнашивания) материала поверхностного слоя является термодинамический критерий, согласно которому диспергирование материала поверхностного слоя происходит при достижении плотностью внутренней энергии критического для данного материала значения. Для количественной оценки плотности внутренней энергии используются уравнения энергетического баланса процесса трения В;В. Федорова и основные зависимости молекулярно-механической теории И.В. Крагельского. Это научное положение позволяет разработать физико-вероятностную модель формирования постепенных (износовых) отказов опорных валков и построить методику (алгоритм) расчета основных показателей их безотказности и долговечности.

Для повышения вероятности безотказной работы и увеличения наработки между отказами валков, в диссертации рассматривается не только разработка модели отказов, валков и её верификация, но< и проведение теоретических исследований. Основной задачей исследований предполагается выявление наиболее значимых факторов, влияющих на показатели износостойкости и надежности опорных валков, а также оценка эффективности1 различных методов повышения их износостойкости и надежности с разработкой рекомендаций по их практическому использованию

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является разработка методики прогнозирования надежности опорных валков* на основе моделирования процесса их изнашивания и оценка эффективности различных способов повышения, их ресурса при сохранении' качества прокатываемых полос.

Достижение цели в работе подразумевает выполнение следующих задач; отражающих выносимые на защиту научные положения:

1. Разработать аналитическую модель процесса изнашивания элементов сопряжений, для последующего ее использования при описании механизма разрушения поверхности опорных валков в межвалковом контакте.

2. Провести теоретические и лабораторные исследования- по изнашиванию-образцов из валковых материалов на машине трения СМТ-1 с целью верификации модели и выявления влияния наиболее значимых факторов на показатели износостойкости.

3. Разработать модель параметрических отказов опорных валков по критерию износостойкости и точности прокатываемых полос.

4. Провести теоретические исследования и оценить эффективность возможных методов повышения износостойкости и долговечности опорные валков.

5. Разработать практические рекомендации по применению результатов теоретических исследований в промышленных условиях и оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых конструктивных и технологических решений.

Основные результаты диссертационных исследований, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем.

1. Разработана новая аналитическая модель процесса изнашивания произвольных трибосопряжений, построенная на основе; совместного решения основополагающих уравнений структурно-энергетической и молекулярно-механической теорий трения.

2. Подтверждена адекватность разработанной модели экспериментальными исследованиями по изнашиванию образцов на машине трения; Ошибка предсказания показателей износостойкости по математическому ожиданию находится в диапазоне <5- =(5- 43) %; по среднеквадратическому отклонению - 8 = (4-43) %; коэффициент вариации не превышает Э'г = 0,25.

3. Проведены специальные1 экспериментальные- исследования, в ходе: которых получены новые научные результаты; позволяющие повысить точность численного моделирования:

- уточнены диапазоны значений триботехнических показателей5 контактного взаимодействия материалов при изнашивании образцов на машине трения по схеме «стальной ролик - чугунная: колодка», которые согласуются с известными экспериментальными данными;

- определены значения энергоемкости: изнашиваемых материалов на основе стандартных испытаний образцов на растяжение, уровень которых оказался ниже рассчитываемых по известным в литературе; методикам в 1,5-2 раза.

4. Разработана и верифицирована с ошибкой, не превышающей 35%, новая аналитическая модель параметрических отказов опорных валков на основе развития структурно-энергетической теории изнашивания трибосопряжений, которая включает:

- основное и дополнительное условие работоспособности опорных валков по критерию их износостойкости и сохранения поперечной разнотолщинности прокатываемых полос;

- аналитическую модель процесса формирования текущего профиля опорного валка при его изнашивании в межвалковом контакте, учитывающую физико-механические свойства материалов, шероховатость поверхности валков, кинематические и силовые параметры, а также значения критической энергоемкости материала поверхностного слоя;

- расчетные зависимости для оценки текущего значения' основной структурной характеристики материала поверхностного слоя опорного валка - его критической энергоемкости.

5. Получены новые теоретические результаты, рекомендуемые к промышленному использованию:

- методика проектирования оптимальных сочетаний значений профилировок рабочих валков и соответствующих усилий их противоизгиба, позволяющих для условий прокатки, стана 2500 г/п прогнозировать увеличение ресурса опорных валков (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п получено увеличение в 1,3-4,5 раз);

- методика оценки эффективности применения новых материалов для изготовления опорных валков по коэффициенту долговечности (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п использование валков из материала А8Т70Х производства «Ооп1егтапп-Ре1регз позволяет повысить ресурс в 1,35-1,7 раз по сравнению с ресурсом валков из стали 75ХМФ, что соответствует известным результатам промышленных испытаний);

- методика сравнительной оценки эффективности способов подачи смазочных материалов в межвалковый контакт по коэффициенту долговечности опорных валков (Для условий эксплуатации опорных валков 10-11 клетей стана 2500 г/п распыление смазочно-охлаждающей жидкости или нанесение антифрикционного покрытия Ф4 на поверхность опорного валка, позволяет увеличить их ресурс в 1,2-1,6 раз и 1,6-2,0 раза соответственно по сравнению с исходными условиями эксплуатации валков, что корелирует с известными результатами промышленных испытаний);

- установлено, что наиболее эффективным способом продления ресурса опорных валков и повышения технико-экономических показателей работы стана, является ресурсосберегающий метод плакирования их поверхности фторопластовым покрытием Ф4 с увеличением долговечности в 1,6-2,0 раза и ожидаемым экономическим эффектом -44797272 руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Коновалов Ю.В. Расчет параметров листовой прокатки. Справочник / Ю.В. Коновалов, А.Л. Остапенко, В.И. Пономарев М.: Металлургия, 1986. -430 с.

2. Паршин A.A., Коновалов Ю.В. и др. Влияние износа рабочих валков черновых клетей широкополосного стана на уширение // Металлург, — 1972.-№4,-С. 33-35.

3. Щебаниц Э.Н., Савранский К.Н., Великий Н.И. и др. Износ опорных валков и изменение шлифовочного профиля рабочих валков дрессировочного стана // Металлург, -1971, -№11, С. 42-43'.

4. Салганик В.М., Полецков П.П., Кожушков Е.Ю., Кухта Ю.Б. Прогнозирование профиля износа опорных валков клетей чистовой группы стана горячей прокатки // Производство проката, -2008, -№11. С.36-39.

5. Боровик Л.И., Добронравов, А.И. Технология подготовки и эксплуатации валков тонколистовых станов М., Металлургия, 1984. - 104 с.

6. Трейгер Е.И., Приходько В:П. Повышение качества и эксплуатационной стойкости валков листовых станов Mi: Металлургия; 1988. — 192 с.

7. Полухин П.И., Пименов Г.А.,.Николаев В.А. и др. Производство крупных опорных валков и пути повышения их стойкости Ml: НИИинформтяжмаш, 1974.-48с.

8. Морозов Н.П., Николаев В.А., Полухин В.П., Легун A.M. Производство и эксплуатация крупных опоных валков М.: Металлургия, 1977. - 128 с.

9. Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Прокатные валки: Монография Магнитогорск: МГТУ, 2005. - 543с.

10. Будаква A.A., Коновалов Ю;В., Ткалич К.Н. и др. Профилирование валков, листовых станов Киев: Техшка, 1986. — 190 с.

11. Паламарчук Е.М. Износ валков непрерывных листовых станов // Сталь, — 1957,-№10,-С. 929-933.

12. Полухин П.И., Железнов Ю.Д., Полухин В.П. Тонколистовая прокатка и служба валков — М.: Металлургия, 1967. — 388 с.

13. Полухин П.И., Кудрявцев A.C., Криворучко Н.П. Исследование износа валков тонколистового стана 2500 горячей прокатки // Сталь, 1963, — №11,-С. 1016-1021.

14. Антонов С.П., Полухин В.П., Николаев В.А. и др. Повышение износостойкости валков непрерывных широкополосных станов холодной прокатки // Сталь, 1973, - №5, - С. 426-429.

15. Фиркович А.Ю., Цун А.М., Добронравов А.И., Щербаков О.Н. Повышение работоспособности опорных валков стана кварто методом обкатки // Сталь, 1983, - №9, - С. 57-59.

16. Клименко В.М., Никитенко E.H., Савицкий C.F., Меденков A.A. Математическая модель износа рабочих и опорных валков при их взаимодействии в четырехвалковых клетях // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1986, - №9, - С. 59-62.

17. Анцупов А.В.(мл.) Оценка межперевалочного срока службы опорных валков листовых станов-// Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, -2005, -№4, -С.15-16.

18. Фляйшер F. К вопросу о количественном определении трения и износа // В кн.: Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. — М.: Наука, 1982. - С. 285-296.

19. Фляйшер Г. К связи между трением и износом // В кн.: Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. — М.: Наука, — 1968.-С. 163-169.

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

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

22. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов. Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. -268^ с.

23. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев Самара: Самарский государственный технический университет, 2008. - 387с.

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

25. Хебда М. Справочник по триботехнике / Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе. В 3 т. Т.1. Теоретические основы. — М.: Машиностроение, 1989.-400 с.

26. Боуден Ф.П., Табор Д. Трение и смазка твердых тел М. Машиностроение, 1968.-54с.

27. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. Механо-химические процессы при граничном трении М.: Наука, 1972.- 170с.

28. Артемов И.И., Савицкий В .Я., Сорокин С.А. Моделирование изнашиваниячи прогнозирование ресурса трибосистем: Монография Пенза: Информационно-издательский центр Пензенского государственного^ университета, 2004. - 374 с.

29. Крагельский И.В.' Трение и износ. Изд. 2-е перераб. и доп. -М., Машиностроение, 1968.-480 с.

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

31. Крагельский И.В., Комбалов B.C., Логинов А.Р., Сачек Б.Я. Современные методы, прогнозирования износа узлов трения' — Москва: Межотраслевые вопросы науки и техники. Обзорная информация. Вып. 15, 1979. -31с.

32. Крагельский И.В. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин / Под ред. И.В. Крагельского. -М.: Из-во стандартов. 100 с.

33. Польцер Г., Майсснер Ф., Основы трения и изнашивания. Пер. с нем. О.Н. Озерского, В.Н. Пальянова; Под. Ред. М.Н. Добычина М.: Машиностроение, 1984. - 264 с.

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

35. Чичинадзе A.B., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. и др. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника). Под общ. ред. A.B. Чичинадзе. -М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

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

37. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977. 219 с.

38. Комбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. / В:С. Комбалов. М.: Наука, 1983. - 136с.

39. Крагельский И;В., Фляйшер F., Комбалов B.C., Тум X. Расчет трения, износа и долговечности с позиций молекулярно-механической, усталостной и энергетической теорий // Проблемы автоматизации и машиностроения. Москва-Будапешт, 1986. -№12. С. 13-24.

40. ГОСТ 27674 88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения -М.: Издательство стандартов, 1988. - 19 с.

41. Р 50-95-88 Обеспечение износостойкости изделий: основные положения. .— М.: Изд-во стандартов, 1989.

42. Khokhlov V.M. Wear laws at elastic interaction- / V.M. Khokhlov// Russia Engineering Research. 1996. - Vol.16. - №12. - P.T 1-12.

43. Khokhlov V.M. Foundations undereying the calculation of contour and actual contact areas and pressures / V.M. Khokhlov // Russia Engineering Research. -1990. -Vol. 10. -№7. P. 15-18.

44. Khokhlov V.M'. Technique for calculation the fatique life of materials/ V.M. Khokhlov // Russia Engineering Research. -1994. -Vol.14. -№9. -P. 1-4.

45. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела: Материалы по физике внешнего трения, износа и^ внутреннего трения; твердых тел. Т.4. -Томск: Полиграфиздат. 1947, - 515 с.

46. Фёдоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент: ФАН, 1979 - 168с.

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

48. ТИ 101-П-ГЛ4-71-2003. Горячая прокатка полос на стане «2500». -Магнитогорск, 2003.

49. ТИ 101-П-ГЛ10-374-2010. Горячая прокатка полос на стане «2000». -Магнитогорск, 2003.

50. Улашкин А.П. Выбор отделочно-упрочняющих методов обработки (для повышения износостойкости деталей машин). Хабаровск. Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та. 1998 - 103с.

51. Гостев A.A. Подготовка и эксплуатация прокатных валков. -Магнитогорск: МГМА им. Г.И. Носова. 1994. 107с.

52. Огарков H.H., Беляев А.И. Стойкость и качество прокатных валков // Монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 131 с.

53. Торопов С.С., Смирнов B.C., Боровков И.В., Семенякин Е.Б., Гостев К.А. Эксплуатация современных опорных валков на станах 2000 ОАО «Северсталь» и ОАО «ММК» / С.С. Торопов, // Сталь 2007 - №7. - С. 6567.

54. Скорохватов Н.Б., Глухов В.В., Смирнов B.C. и др. Опыт эксплуатации современных прокатных валков в условиях ОАО «Северсталь», ОАО «ММК», и ОАО «HJIMK» // Сталь 2004 - №1. - С. 40-43.

55. Синнаве М. Новые марки прокатных валков и тенденции развития их производства // Сталь 2003 - №7. - С. 48-52.

56. Синнаве М., Гостев К.А. Требования- к современным двухслойным прокатным валкам // Сталь 2000 - №12. - С. 38-40.

57. Боровков И.В., Носов В.Л., Кушнарев A.B. и др. Повышение стойкости опорных валков станов горячей прокатки // Сталь — 2002 — №1. — С. 55-57.

58. Рашников В.Ф., Фиркович А.Ф., Дубровский Б;А. и др. Анализ стойкости валков НШПС 2000 // Производство проката 1999 - № 11. - С. 5-9.

59. Синнаве М., Гостев К.А. и др. Современные высокопроизводительные прокатные валки, особенности и перспективы их эксплуатации // Сталь — 2001 -№8. -С. 2-8.

60. А. с. 57162 СССР, МКИ С 23 С 17/00. Способ нанесения металлических покрытий / A.A. Абиндер //Открытия. Изобретения. 1940. - №6. - С. 1-3.

61. Белевский Л.С. Пластическое деформирование поверхностного слоя и формирование покрытия при нанесении гибким инструментом. Магнитогорск: Лицей РАН, 1996. 231 с.

62. Грудев А.П:, Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазка при обработке металлов давлением // М., Металлургия, 1982, 312с.69: Грудев А.П., Тилик В.Т. Технологические смазки в прокатном производстве. // М., Металлургия, 1975, 368с.

63. Горяинова A.B., Божков Г.К., Тихонова М.С. Фторопласты в машинстроении М.: Машиностроение, 1971. - с. 233.

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

65. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров: Учеб пособие для втузов М.: Высш. школа, 1983. - 391 с.

66. Burwell J. Exemples сГ utilization de PTFE/ Rev/ Franc. Des techn. mondiales. Jan./Fevr. 1970, -S. 15-26.

67. Белый A.B., Довгяло B.A., Юркевич O.P. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. Минск: Наука и техника, 1976.

68. Анцупов А.В., Слободянский М.Г., Анцупов (мл) А.В. и др. Моделирование процесса изнашивания трибосопряжений // Материалы 14-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении»: Сб. докл.—Пенза, 2010. — С. 290-294.

69. Рашников В.Ф:, Гостев А.А., Куц В.А. и др. Производство и эксплуатация валков на металлургическом предприятии // Т.З: Обработка, восстановление и упрочнение валков. Магнитогорск, 1999. - 115 с.

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

71. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. Ml: Машиностроение, 1987,-327 с.

72. Гребенник З.М. Гордиенко А. В., Цапко В. К. Повышение надежности металлургического оборудования: Справочник.- Л. : Металлургия, 1988.-681с.

73. Олейник А. В., Кычин В.П., Луговской А. Л. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин.- Киев: Техника, 1984,- 151 с.

74. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. совет: К.В. Фролов i (пред.) и др.М.: М38 машиностроение. Надежность машин. T.IV-З/ В.В.

75. Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др.;2003. 592с.

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

77. Лукинский B.C. Опыт расчета показателей надежности систем приj проектировании. Л.: ЛДНТП, 1998. - 28с.i 87. Анцупов A.B. (мл.), Анцупов В.П., Слободянский М.Г. и др.

78. Трибодиагностика материалов опорных и рабочих валков листовых станов4 // Производство проката 2008 - №3 - С. 41 -44.

79. Анцупов A.B., Анцупов A.B. (мл.), Слободянский M.F. и др.

80. Прогнозирование надежности трибосопряжений на основеt термодинамического анализа процесса трения // Вестник МГТУ им. Г.И.

81. Носова. 2010. - №3, - С. 54-60.i.

82. Анцупов A.B., Анцупов В.П., Слободянский М.Г. и др. Модель процесса1.изнашивания трибосопряжений на основе термодинамического анализа ихсостояния // Материалы 68-й научно-технической* конференции: Сб. докл.—

83. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С.264-269.

84. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. М.-К.,i Машгиз, 1963.- 139с.t 94. ГОСТ 23.218-84 Обеспечение износостойкости изделий. Методг определения энергоемкости при пластической деформации материалов —

85. М.: Издательство стандартов, 1984.V

86. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по

87. Виккерсу —М.: Издательство стандартов, 1975.

88. ГОСТ 1497-73 Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.:j Издательство стандартов, 1973.1 ?