CC BY
55
механических операций не оказывает существенного влияния на остаточные напряжения, поскольку глубина пластически деформированного слоя при операциях ППД обычно значительно превосходит глубину распространения остаточных напряжений от обработки резанием [5].
Рассмотрим основные закономерности формирования остаточных напряжений при ППД. Эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое образцов из стали 45 с ферритно-перлитной структурой показывают рост абсолютного значения и глубины залегания остаточных напряжений (рис.1).
Максимальная остаточная напряженность обнаружена у образцов, обкатанных с силой 200 кгс (кривая 3). Такому давлению соответствует максимальная твердость и близкая к минимальной шероховатость поверхности. При силе 300 кгс (кривая 4) величина напряжений сжатия у поверхности снижается, а их максимум оказывается сдвинутым в глубину.
Приложение равных нормальных сил вызывает неодинаковое напряженное состояние у разных сталей. При одинаковых силах максимальные напряжения сжатия у образцов из стали 20, а глубина их залегания больше по сравнению с напряжениями сжатия у образцов из стали У8 и 14Х2Н3МА [6]. Объясняется это различными свойствами сталей, разницей удельных давлений и контактных площадок при одних и тех же нормальных силах. Таким образом, различные распределения остаточных напряжений по сечению образца существенно зависят от свойств материала детали.
лей. Одной из основных причин такого явления следует считать значительное повышение температуры очага деформации при обкатывании с высокой скоростью.
Рис. 1. Распределение тангенциальных остаточных
_о
напряжений ^ ? в поверхностном слое изделий из
стали 45 после обкатывания с силой: 1-0,5 кН; 2-1кН;
3-2 кН; 4-3 кН; диаметр шара 10 мм [6]
Результаты исследования влияния скорости обработки (рис. 2) убеждают, что применение высоких скоростей не всегда целесообразно. Изменение скорости обкатывания образцов из стали 12Х18Н9Т с 40 до 120 м/мин не только понизило сжимающие остаточные напряжения, но и привело к формированию в тонком верхнем слое растягивающих остаточных тангенциальных напряжений. Снижение напряжений после обкатывания и выглаживания с высокими скоростями установлено у образцов и из других марок ста-
Рис. 2. Эпюры остаточных напряжений в образцах из стали 12Х18Н9Т, обкатанных шаром со скоростью 1 - 40м/мин; 2 - 120м/мин; диаметр шара 5мм;
Рн=0,5 кН [6]
Глубина залегания остаточных напряжений во всех случаях превышает толщину наклепанного слоя и сходится с ним в соотношении 1,1-1,3 [6]. Ее можно регулировать изменением давления в контакте и размером деформирующего инструмента.
На рис. 3 показано распределение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое заготовки из жаропрочного сплава на никелевой основе ХН60ВТ в исходном состоянии после ее обработки микрошариком диаметром 0,15 мм из стали ШХ15. Кривая зависимость остаточных напряжений от глубины поверхностного слоя имеет экстремум на некотором расстоянии от поверхности. Установлено, что с уменьшением диаметров микрошариков экстремум напряжений смещается к поверхности [7].
Рис. 3. Распределение тангенциальных остаточных напряжений в поверхностном слое изделия из сплава ХН60ВТ после обработки микрошариками [7]
При ротационной обработке деталей с увеличением остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое глубина распространения их по сечению уменьшается. При этом она превышает (иногда в 1,5-2 раза) глубину наклепанного при прокатке слоя металла, имеющего повышенную твердость [8].
Степень упрочнения, близкая к максимальной, достигается уже при первом проходе. Второй и третий
проходы ролика лишь несколько повышают остаточные сжимающие напряжения, возникающие в результате первого прохода, а дальнейшее деформирование поверхностного слоя металла дополнительными переходами ролика увеличивает глубину распространения остаточных напряжений, но ведет к снижению их величины. Глубина наклепанного слоя остается при этом постоянной.
С увеличением усилия накатки растет интенсивность наклепа металла, возникает условие для перенаклепа и связанного с ним разрушения поверхностных слоев. Поэтому в тех случаях, когда основу повышения усталостной прочности составляют остаточные напряжения, прилагать высокие усилия накатки нецелесообразно. На рис. 4 представлены эпюры остаточных напряжений после обработки накаткой
ботки накаткой вагонной оси [8]
После алмазного выглаживания стали Р18 во всех случаях максимум напряжений оказался выше, чем после обкатывания шаром (рис. 5). Это является следствием более интенсивной деформации, происходящей при выглаживании в очаге деформации
меньшего объема. Причем максимум уоказался
смещенным в глубину слоя материала.
, МПа
200 ---
600
Рис. 5. Распределение тангенциальных остаточных напряжений в стали Р18 после алмазного выглаживания: 1- Р=50 Н [6]; 2 - Р=100 Н; 3 - Р=200 Н [6]
Одним из наиболее важных технологических способов получения остаточных нормальных напряжений сжатия на поверхности и под поверхностью деталей является дробеструйная обработка, представляющая собой бомбардировку поверхности материала стальной дробью, стеклянными или керамическими шара-
ми, движущимися с высокой скоростью. В большинстве случаев дробеструйная обработка вызывает остаточные напряжения, которые схематически изображены на рис. 6. В этом процессе высокая скорость обработки вызывает локальное пластическое течение на поверхности и она расширяется относительно сердцевины. Сердцевина оказывает сжимающее воздействие на поверхность, что приводит в конечном итоге к возникновению локальных сжимающих относительных напряжений.
Рис. 6. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое закаленной стальной детали при дробеструйной обработке [6]
На рис. 7 представлены графики распределения осевых и тангенциальных остаточных напряжений при обкатывании шаром (рис. 7,а) и алмазном выглаживании (рис. 7,б) [6].
Сравнивая тангенциальные и осевые остаточные напряжения при ППД (рис. 7) можно отметить, что при некоторых видах упрочнения, например, при алмазном выглаживании, они близки по абсолютному значению, а после обкатывания шаром осевые остаточные напряжения почти в 2 раза превышают тангенциальные. Распределение осевых остаточных напряжений по глубине, в отличие от тангенциальных, характеризуется более плавными кривыми. Характер распределения технологических остаточных напряжений зависит от неравномерности силовых и температурных воздействий.
В некоторых упрочняющих процессах при интенсивных режимах обработки происходит высокий нагрев наиболее деформированного слоя, что вызывает термопластическую деформацию. Это, в свою очередь, приводит к резкому спаду остаточных напряжений сжатия у поверхности детали. В некоторых случаях ППД спад остаточных напряжений в поверхностных слоях происходит при формировании умеренных температурных полей в зоне деформации. В этом случае можно рассмотреть механику структурного искажения упрочненного слоя. При силовом воздействии деформирующего инструмента, сопротивление пластическому деформированию внешнего слоя и глубинного будут отличаться. Степень свободы у зерен, лежащих на поверхности выше, чем у нижележащих, находящихся на глубине. Таким образом, зерна в поверхностных слоях при деформировании получат меньшее искажение, чем в глубинных, следовательно,
вагонной оси [8].
г, МПа
—
^—7" \
Л 4 гт ч
у/
0 0.25 0.50 0.75 Г/В
Рис. 4. Эпюры остаточных напряжений после обра-
_о _о
Рис. 7. Распределение осевых ^ о и тангенциальных остаточных ^ ? напряжений при обкатывании
шаром (а) и алмазном выглаживании (б)
и остаточные напряжения на поверхности будут ниже, чем в глубине. Анализируя деформацию зерен в тангенциальном и осевом направлениях можно объяснить причину большего спада у поверхности тангенциальных напряжений по сравнению с осевыми.
Для оценки технологических возможностей формирования остаточных напряжений в деталях машин были рассмотрены отделочно-упрочняющие процессы, основанные на поверхностном пластическом деформировании: обработка шариком, роликом, микрошариком, алмазное выглаживание, дробеструйная обработка. Эти способы поверхностного упрочнения можно объединить в группу локальных методов деформирования, т. к. пластическое формоизменение осуществляется передачей усилия через площадку небольших размеров.
Характер распределения остаточных напряжений существенно зависит от механических свойств материала, размера деформирующего инструмента и давления в зоне контакта инструмента с изделием. Остаточные напряжения сжатия распределяются, обычно, в поверхностных слоях относительно небольшой глубины, которая для осесимметричных деталей составляет не более (0,05-0,1) радиуса.
Усилие деформирования при ППД является одним из эффективных параметров изменения величины и характера распределения остаточных напряжений. Но именно это усилие при определенных условиях может привести к искривлению изделий, к шелушению и отслаиванию поверхностных слоев, т. е. к появлению технологического брака.
При относительно высоких скоростях обработки не только снижаются остаточные напряжения сжатия,
но и могут формироваться напряжения растяжения в поверхностных слоях. Величина скорости обработки и подачи деформирующего инструмента оказывают основное влияние на производительность процесса упрочнения, Даже при благоприятных условиях обработки скорость процесса не превышает 0,1-0,2 м/мин.
Локальные методы ППД приводят обычно к неуравновешенной системе радиальных (нормальных) сил, действие которых способствует искривлению маложестких деталей. Они не обеспечивают требований
микро- и особенно макрогеометрии, так как копируют геометрию поверхности, полученную после предварительной обработки резцом.
Таким образом, анализ локальных методов упрочнения показал, что они имеют ряд существенных ограничений, которые не позволяют использовать их при обработке, например, маложестких длинномерных изделий. Это касается получения основных технологических показателей: геометрической точности, качества поверхности, производительности процесса.
Библиографический список
1. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 239с.
2. Трофимов В. В., Радсева Е. Н. Об изменении напряжений в упрочненных приповерхностных слоях изделий при усталости // Проблемы прочности. 1979. №7. С. 30-33.
3. Технологические остаточные напряжения / под ред. А. В. Подзея. М.: Машиностроение, 1973. 472 с.
4. Берштейн Г. Ш., Луковпелова В. Н. Исследование влияния поверхностного упрочнения и холодных правок на прочностные и точностные характеристики деталей. Новые способы отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1973. С. 121-131.
5. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. В 2 ч. М.: Машиностроение, 1974. Ч. 1. 472 с.
6. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.
7. Шарипов Б. У. Формирование поверхностного слоя при обработке деталей методами поверхностного пластического деформирования // Вестник машиностроения. 2000. №8. С. 46-48.
8. Шахов В. И., Школьник Л. М. Выбор технологических параметров накатки по остаточным напряжениям // Вестник машиностроения. 1962. №6. С. 60-63.
УДК 620.171: 621.039.548.58
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
А.П. Черепанов1, В.П. Колмаков2, Е.А. Черепанов3
1,2ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», Научно-диагностический центр, 665830, г. Ангарск.
3Ангарская государственная техническая академия, 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.
Рассмотрены алгоритмы прогнозирования ресурса технических устройств, включая резервуары, емкости, аппараты, котлы и др. Предложенный алгоритм обеспечивает оценку ресурса в зависимости от объема и достоверности диагностирования деталей, узлов и элементов, учитывает влияние степени их опасности для окружающей среды и определяет зону риска, при которой эксплуатация должна быть прекращена. Ил. 3. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: безопасность; прочность; ресурс; техническое диагностирование; техническое устройство; экспертиза.
COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODS TO PREDICT THE RESOURCE OF TECHNICAL DEVICES A.P. Cherepanov, V.P. Kolmakov, E.A. Cherepanov
PLC "Angarsk Petrochemical Company" Scientific and Diagnostic Center, Angarsk, 665830.
1 Черепанов Анатолий Петрович, кандидат технических наук, доцент, начальник отдела надежности и прочности, тел.: (3955) 576510, 89149456240, e-mail: [email protected]
Cherepanov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Reliability and Strength, tel.: (3955) 576510, 89149456240, e-mail: [email protected]
2Колмаков Владимир Петрович, начальник научно-диагностического центра, тел.: (3955) 576193, e-mail: [email protected]
Kolmakov Vladimir, Head of Scientific and Diagnostic Center, tel.: (3955) 576193, e-mail: [email protected]
3Черепанов ЕвгенийАнатольевич, аспирант, тел.: 89086553122. Cherepanov Evgeny, Postgraduate, tel.: 89086553122.
Angarsk State Technical Academy, 60, Tchaikovsky St., Angarsk, 665835.
The article examines algorithms for forecasting the resource of technical devices, including tanks, reservoirs, apparatuses, boilers, etc. The proposed algorithm provides resource assessment depending on the amount and accuracy of diagnosing of parts, assemblies and components; takes into account the degree of their danger for the environment; and determines the risk zone, when the operation must be stopped. 3 figures. 10 sources.
Key words: safety; strength; resource; technical diagnosing; technical device; expertise.
Прогнозирование технических устройств (ТУ) на основе технического диагностирования (ТД) и ресурсно-прочностных исследований (РПИ) представляет собой сложную инженерную задачу. Для её решения необходимы результаты комплексных исследований условий и характера нагружения, характеристик механических свойств, особенностей напряженно-деформированного состояния, дефектности и эксплуатационной поврежденности.Большинство ТУ, состоящих из несущих конструкций корпусов, механизмов и т.п., несмотря на конструктивные особенности и различные технические параметры, позволяют отнести их к одному классу объектов проектирования изготовления и эксплуатации и рассматривать с общих позиций обеспечения прочности и безопасности. В работе Ма-хутова Н.А. [1] отмечается, что применение научных положений и результатов исследований для прогнозирования ресурса ТУ на практике возможно при наличии соответствующей научно-методической и приборной базы и квалифицированных инженерных кадров в диагностических и экспертных центрах.
В статье представлен анализ методов прогнозирования ресурса на уровне алгоритмов проведения ТД и РПИ, направленных на качественное изготовление и
безопасность эксплуатации ТУ, от которых зависит промышленная и экологическая безопасность опасных производственных объектов. Например, ТД сосудов и аппаратов проводится в соответствии с [2]. Результаты ТД, анализ эксплуатационной, конструкторской и ремонтной документации, расчетно-аналитические процедуры оценки прочности и ресурса, на окончательном этапе обобщаются в заключениях экспертизы промышленной безопасности ТУ в соответствии с ПБ 03-246-98 [3].
Определение ресурса безопасной эксплуатации осуществляется при проектировании преимущественно расчетными методами по наработке на отказ [4, 5]. Оценка исходного технического состояния и назначение ресурса ТУ проводятся с применением широко известных методов ТД. Эксплуатационное техническое состояние определяется преимущественно по истечение расчетного или назначенного ресурса, а также после аварий или обнаруженных повреждений элементов проведением экспертного ТД в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.
На рис. 1 в качестве примера показан существующий алгоритм назначения ресурса сосудов давле-
Рис. 1. Схема назначения ресурса, применяемая в настоящее время
ния, применяемый в настоящее время в соответствии с [2].
Выбор методов ТД проводится в зависимости от конструкции, эксплуатационных параметров (рабочая среда, давление, температура, количество циклов и др.), которые заданы для конкретного ТУ в соответствии с техническим регламентом технологической установки или цеха. Параметры фактического технического состояния узлов, деталей и элементов ТУ определяют по результатам ТД. Комплекс работ по ТД и РПИ осуществляется в соответствии с приведенной на рис. 1 нумерацией блоков, реализующих функции алгоритма. Укрупненные методы, включая визуально-измерительный и акустико-эмиссионный контроль, служат для выявления дефектов элементов и сварных швов при испытании давлением. Уточненные методы ТД применяются для исследования дефектов, свойств материалов, замеров сечений, толщин стенок элементов и определения механических напряжений. ТД включает также проведение комплекса экспериментов по определению напряженно-деформированных состояний, остаточных напряжений, опасности дефектов с применением методов и средств, дающих более
полную или более точную информацию о техническом состоянии. На основе эксплуатационно-технических данных 1 в соответствии с программой 2, которая предусматривает последовательность технологических операций, объема диагностирования, применяемых методов и видов неразрушающего контроля, определения количества образцов для испытания. На основе данных ТД, собранных в блоке 3, проводятся ресурсно-прочностные исследования 4. При этом, блоком 5 по исходным и фактическим толщинам сечений элементов, деталей, узлов ТУ определяются скорости их износа (коррозии). По фактическим толщинам и сечениям блоком 6 проводится расчет на прочность, затем блоком 7 - оценка ресурса ТУ, а блоком 8 проводится назначение ресурса безопасной эксплуатации ТУ. Функции существующего алгоритма ограничены определением остаточного срока службы сосудов и аппаратов, принятыми согласно [2]. В используемых методических рекомендациях не аргументированы пути снижения затрат на проведение работ при экспертизе промышленной безопасности на основе оценки трудоемкости технического диагностирования ТУ.
Рис. 2. Структурная схема алгоритма обработки данных результатов ТД и ресурсно-прочностных исследований ТУ
