Влияние фреттинг-износа на напряженно-деформированное состояние цилиндров мощных гидравлических прессов

Язык труда и переводы:
УДК:
67.05
Дата публикации:
18 мая 2022, 19:46
Категория:
Контроль и диагностика деталей и оборудования в машиностроении
Авторы
Кравцов Никита Сергеевич
ООО «Надежность ТМ»
Сурков Иван Александрович
ООО «Надежность ТМ»
Аннотация:
Рассмотрена проблема существенного увеличения действующих напряжений в радиусных галтелях рабочих цилиндров гидравлических прессов конструкции Уральского завода тяжелого машиностроения в результате протекания процессов фреттинг-износа. Приведены результаты конечно-элементного расчета напряженно-деформированного состояния рабочих цилиндров с учетом перераспределения площади контактной поверхности между рабочим цилиндром и архитравом для ковочных прессов производства Уральского завода тяжелого машиностроения.
Ключевые слова:
фреттинг-износ, конечно-элементный анализ, усталостная прочность, износ рабочих цилиндров крупных гидравлических прессов
Основной текст труда

В процессе эксплуатации мощных гидравлических прессов при нагружении рабочим усилием в конструкции возникают упругие деформации базовых деталей, которые, в свою очередь, приводят к взаимному проскальзыванию их сопрягаемых поверхностей. Данные взаимные проскальзывания измеряются десятыми долями миллиметров, что создает необходимые условия для протекания процессов фреттинг-износа.

Под термином «фреттинг» понимают совокупность механических, физических и химических процессов, развивающихся в зонах контакта сопряженных деталей при малых колебательных смещениях одной поверхности относительно другой  [1]. Тот факт, что при фреттинге поверхности остаются в контакте, тем самым затрудняя продуктам износа возможность покидать контактную область, оказывает еще более негативное влияние на процесс изнашивания.

Стоит отметить, что интенсивность процессов фреттинг-износа находится в прямой зависимости с величиной взаимного смещения контактирующих поверхностей. Причем при значениях проскальзывания \Delta > 0,1 мм интенсивность износа значительно возрастает по линейному закону.

В результате фреттинг-износа уменьшается площадь опорной поверхности контакта сопряженных деталей, что приводит к тяжелым последствиям, таким как фреттинг-усталость, т. е. к усталостным разрушениям деталей, поврежденных фреттинг-коррозией. Предел выносливости, деталей при этом может снижаться в 1,5...5 раз [2].

Рассмотрим, как влияние процессов фреттинга приводит к внезапным отказам на примере вертикальных гидравлических ковочных прессов 206 и 306 производства Уральского завода тяжелого машиностроения (УЗТМ). По результатам конечно-элементного расчета напряжения, действующие в галтелях цилиндров, при проектных режимах эксплуатации не превышали максимально допустимых. Это давало основание утверждать, что цилиндры обладают неограниченной долговечностью. Несмотря на это произошло внезапное разрушение рабочих цилиндров на обоих прессах.

При длительной работе из-за износа происходит изменение условий контактного взаимодействия базовых деталей, что, в свою очередь, приводит к возрастанию напряжений в галтели фланца цилиндра до опасных значений. Для оценки указанного явления был проведен расчет напряженного состояния цилиндров прессов с учетом протекания процессов износа в программном комплексе ANSYS.

 Анализ поля взаимных смещений контактирующих поверхностей узла «архитрав–рабочий цилиндр» пресса 306 показал, что величина проскальзывания между фланцем центрального цилиндра и опорной поверхностью архитрава достигает значения 0,45 мм. Причем зона, в которой возникали такого рода проскальзывания, составляет около 50 % всей опорной поверхности контакта. Для качественного анализа влияния фреттинг-износа был проведен расчет напряженного состояния цилиндра с учетом износа указанной зоны, путем удаления ее из области контакта. Проведенный расчет показал, что в результате уменьшения площади контакта, напряжения в радиусной галтели фланца цилиндра выросли более чем в 1,8 раз: с 176 МПа (при проектном режиме эксплуатации) до 321 МПа в условиях протекания процессов износа. Полученное значение превышает предел усталостной прочности материала цилиндра, который составляет 250 МПа.

Конечно-элементный расчет напряженного состояния конструкции пресса 206 показал, что благоприятные условия для протекания процессов фреттинг-износа реализуются для узла «архитрав–боковой цилиндр». Для большей части опорной поверхности фланца цилиндра (около 70 % от всей площади контакта) значения проскальзывания находятся в диапазоне 0,15–0,20 мм. Статический расчет конструкции, учитывающий уменьшение площади контактной поверхности в процессе износа, показал, что напряжения в зоне радиусной галтели фланца возрастают в 2,6 раза: с 134 МПапри проектном режиме, до 355 МПа в условиях неполного контакта.

Анализ проделанных расчетов показал, что наибольшую опасность процесс фреттинг-износа представляет для цилиндров, т.к. уменьшение зоны контакта приводит к значительному увеличению действующих напряжений именно в этих деталях, в то время как для архитрава сильного изменения значений напряжений не наблюдается.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод, что в конструкциях рассмотренных прессов производства УЗТМ узел «архитрав–рабочий цилиндр» имеет предрасположенность к протеканию процессов интенсивного фреттинг-износа, способствующих уменьшению площади контактной поверхности. Это, в свою очередь, приводит к резкому локальному росту напряжений и, как следствие, к зарождению усталостных трещин в зоне радиусного скругления опорных фланцев рабочих цилиндров.

В заключении следует отметить, что для обеспечения долговечности крупных металлургических машин, на стадии проектирования следует проводить предварительный расчет взаимного проскальзывания сопрягаемых деталей. Исходя из полученных результатов, проводить анализ надежности конструкции и, при необходимости, вносить конструктивные изменения, которые бы обеспечили сведение взаимных проскальзываний к минимуму. А для предупреждения внезапных отказов металлургического оборудования, находящегося в эксплуатации, проводить периодическую экспертизу фактического состояния его базовых деталей.

 

Литература
  1. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. Москва, Высшая школа, 1991, 319 с.
  2. Петухов А.Н. Фреттинг и фреттинг-усталость конструкционных материалов и деталей. Авиационная промышленность, 2014, № 4, с. 45–50.
  3. Шпыгарь С.А. Влияние износа сопряженных поверхностей на прочность и надежность базовых деталей мощных гидравлических прессов. Тяжелое машиностроение, 2011, № 2, с. 67–69.
  4. Коркин Н.П., Кулагин Д.А., Моисеев А.П., Сурков И.А. Анализ отказов, предупреждение разрушений и восстановление базовых деталей мощных гидравлических прессов. Технология легких сплавов, 2006, № 1–2, с. 181–189.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.