Анализ трещиностойкости прокатных валков стана кварто Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

машины объемного действия // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф., 25 — 30 апреля 2016 г. / ОмГТУ. Омск, 2016. С. 80.

6. Кондюрин А. Ю., Щерба В. Е., Шалай В. В. [и др.]. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненном в виде гидродиода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 30 — 34.

7. Щерба В. Е., Болштянский А. П., Нестеренко Г. А. [и др.]. О соотношении массовых потоков жидкости и давления нагнетания между насосной и компрессорной полостями в поршневой гибридной энергетической машине // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 35 — 38.

8. Щерба В. Е., Носов Е. Ю., Павлюченко Е. А. [и др.]. Анализ динамики движения жидкости в поршневой гибридной энергетической машине с газовым объемом на всасывании // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 15-18.

9. Кузеева Д. А. Разработка и экспериментальное исследование поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании // Омский научный вестник. 2015. № 3 (143). С. 154-158.

10. Щерба В. Е., Кузеева Д. А., Носов Е. Ю. Математическое моделирование рабочих процессов поршневого насос-компрессора с газовым объемом на всасывании // Вестник машиностроения. 2016. № 4. С. 3-8.

суРикОВ Валерий иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Физика» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

ВЕДРучЕнкО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного университета путей сообщения.

ЩЕРБАкОВ Виталий сергеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. Щерба Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. ОВсянниКОВ Андрей Юрьевич, магистр по направлению подготовки «Энергетическое машиностроение» ОмГТУ.

Адрес для переписки: [email protected]

статья поступила в редакцию 11.08.2017 г. © В. и. суриков, В. Р. Ведрученко, В. с. Щербаков, В. Е. Щерба, А. Ю. Овсянников

удк 621.771.073 Е. Б. БОЧЕКТУЕВА

В. Е. РОГОВ

Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления,

г. Улан-Удэ Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ

АНАЛИЗ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ СТАНА КВАРТО

Основными элементами любого прокатного стана являются валки, выполняющие прокатку листов, изготовление которых достаточно трудоемкий процесс. Основная часть прокатных валков холоднолистовой прокатки закупается за рубежом. Актуальной становится задача изготовления российских прокатных валков и оценка их трещиностойкости, позволяющая выполнить верный вывод о сроках замены валков. В статье представлены результаты расчета на долговечность прокатных валков стана кварто в процессе эксплуатации с учетом остаточных термонапряжений. Расчет представлен для круговых внутренних дефектов, расположенных перпендикулярно оси валка, представляющих наибольшую опасность. В итоге получено, что максимальную опасность представляют трещины, расположенные в краевой зоне шеек.

Ключевые слова: прокатные валки, трещиностойкость, коэффициент интен-3 сивности напряжений, долговечность.

о

Производительность прокатного стана кварто долговечности валков можно только посредством

[1] в значительной степени определяется долговеч- использования стали новых марок и прогрессивных

ностью рабочих и опорных валков. Валки в про- видов термической обработки. Экспериментальные

цессе своей работы берут на себя внушительное методы исследования ресурса прокатных валков

1 усилие, которое возникает непосредственно в про- малоэффективны, так как чрезвычайно дорогосто-

цессе работы всей прокатной линии, поэтому это ящие [2-4]. В изготовленных прокатных валках

наиболее изнашивающаяся часть любого прокат- имеется множество внутренних и внешних трещин

но го стана. Достигнуть значительного увеличения [5-6]. Из обзора научной литературы и статиче-

<

Параметры циклов нагружения закаленного рабочего валка

Таблица 1

Параметры тах, МПа тт' МПа Я МПа-м1/2 ¡тт, мм мм

Центральная зона рабочего валка 400 350 0,875 171 1,11 12,3

Зона краевого эффекта рабочего валка 290 220 0,759 123 2,10 23,3

Центральная зона опорного валка 300 260 0,867 168 1,96 21,8

Зона краевого эффекта опорного валка 270 220 0,815 137 2,42 26,9

ского анализа разрушенных прокатных валков при эксплуатации следует, что в большая часть выхода из рабочего состояния валков происходит из-за роста поперечных трещин [7—11]. В настоящей работе рассматриваются внутренние круглые трещины, расположенные перпендикулярно оси валка. Из теории механики разрушения и хрупкой прочности материалов они представляют максимальную опасность. Из расчетов видно, что на боковой поверхности валка амплитуда рабочих напряжений максимальна, однако в этой области расположены высокие остаточные сжимающие напряжения, и максимальные суммарные осевые растягивающие напряжения находятся в осевой зоне валков, при этом амплитуда этих напряжений близка к нулю [12].

Не представляют опасности циклы нагруже-ния, т.к. суммарные напряжения отрицательные [13]. Наиболее опасными областями остаются смещенные от оси валка центральные области в сторону изменяющихся суммарных напряжений, имеющих ненулевую амплитуду, и в зоне вблизи шеек.

Значения максимальных и минимальных напряжений цикла, а также коэффициент асимметрии для наиболее опасных областей рабочего и опорного валков сведены в табл. 1.

Расчет живучести валков проведен с помощью уравнения, описывающего кинетическую диаграмму усталостного разрушения

dN

С

К,

D

По данной формуле определили максимальный КИН для трещины при малых размерах в сравнении с размерамивалка

К1лаь П 2 Мл

х4н7И,

Можно записать из критерия Ир/ина

К1 лпах — К1с '

(2)

(3)

где Кс 50 МПа

— вязкость м1/2 [13]. Критический радиьс рифекиа

разруше/ия стали 90ХФ

1С п и •

з„

(4)

в табл. 1 приведены значения критических рада-усов (¡с) для трещвн опорных и рабочих валков со-окветьтвенно. И7 аналиеа табл. 1 видно, что лрити-ческие размеры трещин меньше размеров валков.

Гро) формуле 5 произведен расчет количества циклов, при которых дефект достигнет критического значении

N п

кУИ

л ! 1 Н

о г _dL 4

г л 1д72 \ и 'о н

е з„

Г

](1—Д7 2)\

~ Но ') , (5)

С(1 - л72)

(1)

где 1 — радиус дисковой тзещин/1; N — число циклов; С = 10-7, т = 2,85 — эмпирические коэффициенты, завискщие от материала; К1 тах — максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) за рикл, определяемое исходя из суммарных напряжений от пьокатки и остаточных напряжений от термообрдботки.

Коэффициент Д кроие материал), зависит от коэффициента асимметрии Я. Исппльзуемые значения эмпирических коэффициентов С, т и Я получены в работе [14] при испытании образцов, вырезанных из прокатных валков, изготовленных из стали 90ХФ [14].

ге ¡0 — минимальный радиус нерастущей трещины или начальный радиус трещины, выявленный ультразвуковым контролем. Для стали 90ХФ К = 15 МПа • м1/2. Определили минимально допустимый радиус трещины 1 . , при котором ее страгивание при заданном режиме циклического нагружения не происходит, подстановкой в формулу (4) порогового значения КИН Кт вместо Кс. Результаты расчета 1 в рабочем валке представлены в табл. 1.

На рис. 1 и 2 представлены результаты расчета долговечности рабочего и опорного валков соответственно. Из анализа результатов получено, что наибольшую угрозу представляют дефекты, расположен—не в области шейки. К повышению скорости роста трещины приводит снижение коэффициента асимметрии и увеличенный размах КИН в зоне краевого эффекта.

Следовательно, оправданно определение остаточных напряжений от закалки ТПЧ в двумерной

л

N10*

ю

\

у

ч \

\ "ч

ю

15

20

Рис. 1. Взаимосвязь количества циклов нагружения от радиуса дисковой трещины в центральной зоне рабочего валка из стали 90ХФ (сплошная линия) и в зоне краевого эффекта (штриховая линия)

Рис. 2. Взаимосвязь количества циклов нагружения от радиуса дисковой трещины в центральной зоне опорного валка из стали 90Х (сплошная линия) и в зоне краевого эффекта (штриховая линия)

постановке в валках [4]. Остаточные напряжения много больше эксплуатационных напряжений, поэтому оценивать долговечность валков без учиты-вания остаточных термонапряжений недопустимо.

Отметим, что представленный подход, предлагаемый в данной работе, может использоваться для оценки трещиностойкости, долговечности [13, 14] и других циклически нагруженных деталей, подвергшихся термообработке, например, вагонных колес, роторов турбин и др.

Библиографический список

1. Покровский А. М. Термопрочность цельнокованых и бандажированных прокатных валков: моногр. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2017. 272 с.

2. Бохоева Л. А., Рогов В. Е., Курохтин В. Ю. [и др.]. Определение ресурсных характеристик изделий авиационной техники на основе стендовых испытаний с использованием компьютерных технологий на примере лопасти винта вертолета // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 4 (28). С. 36 — 42.

3. Бохоева Л. А. Исследование устойчивости пластин с дефектами в нелинейной постановке // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2008. № 2. С. 22 — 27.

4. Морозов Н. П., Николаев В. А., Полухин В. П. [и др.]. Производство и эксплуатация крупных опорных валков. М.: Металлургия, 1977. 77 с.

5. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов: моногр. Киев: Наукова думка, 1991. 416 с.

6. Покровский А. М., Лешковцев В. Г., Полушин А. А., Бо-чектуева Е. Б. Моделирование структурного состояния и напряжений в прокатных валках при индукционной закалке // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 9. С. 40-43.

7. Покровский А. М., Рыжиков А. В. Математическое моделирование температурного и фазово-структурного состояний при наплавке биметаллического прокатного валка // Машиностроение и инженерное образование. 2016. Т. 1, № 1 (46). С. 60-69.

8. Бочектуева Е. Б. Численное определение напряженно-деформированного состояния в валках и усилий противоиз-

гиба в четырехвалковой клети прокатного стана // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. № 1 (78). С. 45-53.

9. Покровский А. М., Бочектуева Е. Б. Расчет усилий противоизгиба прокатного стана кварто с учетом остаточных термонапряжений в валках // Производство проката. 2009. № 2. С. 14-18.

10. Покровский А. М., Дубовицкий Е. И. Оценка трещино-стойкости магистрального нефтепровода с учетом остаточных сварочных напряжений // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2017. № 7 (688). С. 10-19.

11. Покровский А. М., Чермошенцева А. С. Экспериментальное исследование влияния нанодобавок на свойства композиционных материалов с межслойными дефектами // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24, № 3. С. 212-221.

12. Бочектуева Е. Б. Оценка живучести прокатных валков // Механики XXI веку. 2016. № 15. С. 252-255.

13. Бохоева Л. А., Рогов В. Е., Чермошенцева А. С. Устойчивость круглых дефектов типа отслоений в элементах конструкций с учетом поперечного сдвига // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. № 4 (44). С. 19-22.

14. Бохоева Л. А., Пнев А. Г., Филиппова К. А. Разработка алгоритма автоматической обработки результатов эксперимента образцов из композиционных материалов с дефектами // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2010. № 4. С. 10-16.

ВОчектуЕВА Елена Баторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сопротивление материалов» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. РОГОВ Виталий Евдокимович, доктор технических наук, старший научный сотрудник Байкальского института природопользования СО РАН. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 18.10.2017 г. © Е. В. Бочектуева, В. Е. Рогов