CC BY
5
process of load formation on the stand electric drive shaft is considered. It is shown that on the basis of a mathematical model of the electromechanical system of a rolling stand, it is possible to study dynamic processes in a real object. The features of the joint operation of the electric drives of the lower and upper rolling rolls are investigated and the expediency of synchronizing the operation of individual electric drives is shown. Oscillo-grams of the engine torque are given during the operation of a real object - a mill stand using the FADEX program. A good convergence of the results of computer simulation with real oscillograms has been established, which makes it possible to use the developed mathematical model for studying dynamic processes in the electromechanical system of the cold rolling stand. Computer simulation of the operation of the system with a torque equalization controller showed the fundamental possibility of motor load equalization, which can make it possible to use operating modes with increased average loads on both electric drives of the rolling rolls.
Key words: rolling mill, mathematical model, electric drive, the elasticity of the first kind, regulator.
Meshcheryakov Viktor Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mesherek@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State University,
Tolcheev Vasily Mikhailovich, engineer, doctor of technical sciences, professor, Russia, Lipetsk, Lipetsk State University
УДК 621.774.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-71-75
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО РИФТА СИЛЬФОНА С МИНИМИЗАЦИЕЙ УТОНЕНИЯ НА ЕГО ВЕРШИНЕ
А.С. Масленникова, А.А. Шаров
Предложено исследование возможности реализации технологии формирования поперечных гофр на трубных изделиях, например, сильфонах, упругим инструментом с использованием принципа реверсивной вытяжки совместно с эффектом стесненного изгиба. Проведены исследования процесса формообразования гофра сильфона на основе конечно-элементной математической модели, которая показывает возможность реализации предложенной технологии и подтверждающие её эффективность. Произведена оценка характера изменения толщины в области вершины гофра сильфона. Описаны технические решения.
Ключевые слова: сильфон, формообразование, стесненный изгиб, математическое моделирование.
Высокий ресурс работоспособности является важной составляющей для производства любой техники. В частности, на гидрогазовые системы авиационной техники высокое влияние оказывают такие факторы, как внутреннее или внешнее давление, пульсация, вибрации, напряжения различного вида, перепады температур.
Для снижения влияния всех негативных факторов на гидрогазовые системы авиационной техники применяют сильфоны. Сильфон способен компенсировать тепловые расширения, рабочие и монтажные смещения в узлах передачи газа и жидкости под давлением [1].
Однако, в процессе эксплуатации сильфонов часто происходит их разрушение из-за слишком тонкой стенки изделия на вершине внешнего диаметра. Процесс изготовления сильфонов в настоящее время не может обеспечить равномерную толщину изделия по всей его поверхности.
Для повышения равномерности стенки изделия в области вершины гофра сильфона, разработана новая технология, совмещающая технологии реверсивной вытяжки совместно с эффектом стесненного изгиба.
Формообразование деталей с применением эффекта стесненного изгиба позволяет повысить качество изготавливаемых деталей. В то же время технологическая оснастка усложняется незначительно [2, 3, 4, 5, 6].
Основываясь на успешном опыте формообразования деталей в условиях стесненного изгиба, предлагается новая технология изготовления поперечных рифтов на трубах формовкой эластомером [2, 7, 8, 9]. Формообразование рифта сильфона по новой технологии предлагается осуществлять в два этапа. На первом этапе происходит набор длины образующей. На втором этапе набранный материал посажива-ется в матрицу. Возможность формования изделия в два этапа обеспечивается за счет разъемной секционной матрицы. Разработанная технология позволит снизить утонения в области вершины внешнего диаметра сильфона. Разработанная разъемная матрица для изготовления сильфона за два перехода представлена в виде схемы на рис. 1.
секции матрицы
На первом переходе формирования рифта заготовка при перемещении вдоль матрицы испытывает изгиб при входе на ее скругленную кромку, спрямление при сходе со скругленной кромки и дальнейшем перемещении вдоль прямолинейного участка матрицы и изгиб при формировании избыточной длины образующей.
При осаживании набранного (избыточного) материала на втором этапе окончательную форму рифта получают за счет выворачивания образующей, сформированной на первом этапе, по заданной геометрии профиля рифта.
С целью изучения влияния конструктивно-технологических параметров процесса на изготовление изделия, необходимо конечно-элементное моделирование процесса. Конечно-элементное моделирование процесса позволит изучить изменение толщины материала заготовки и напряженно-деформированного состояния заготовки на всех этапах формообразования. Конечно-элементное моделирование процесса позволит так же учесть взаимодействие заготовки с деформирующими частями инструмента [9, 10, 11].
Разработка конечно-элементной модели процесса формообразования рифта сильфона, по традиционной и предлагаемой схемам изготовления, выполнялась в программном комплексе «ANSYS/LS-DYNA» [2].
Моделирование формообразования гофров сильфона проводилось для заготовки из стали Х18Н9Т, толщина стенки которой составила 0,3 мм. В качестве эластичной среды использовался полиуретан СКУ-7Л, для описания поведения которого использовалась модель Муни-Ривлина. Для построения сетки конечных элементов по поверхности эластичного пуансона использовались объемные элементы (solid), для жесткой матрицы и заготовки использовались оболочечные элементы (shell). При построении конечно-элементной математической модели конечно-элементная сетка создавалась не во всем объеме инструмента, а только на тех поверхностях, которые имеют контакт с заготовкой, поскольку в качестве допущения было принято считать матрицу абсолютно жестким телом.
Моделирование процесса формообразования гофра сильфона проводилось для двух вариантов: по традиционной схеме формообразования и по разработанной технологии формообразования. Моделирование проводилось для 1/8 и 1/32 частей оснастки и заготовки. Поэтапное формообразование гофра сильфона по традиционной и предлагаемой технологиям, с учетом взаимодействия заготовки с эластичной средой, представлено на рис.2 и рис.3.
В результате моделирования получены картины изменения толщины стенки гофра сильфона. Характер изменения и величины толщин изделия для вариантов частей оснастки и заготовки идентичны. При моделировании формообразования по традиционной схеме утонение стенки на вершине гофра составила около 9%, разница значений толщины для двух вариантов составила порядка 0,4%. Картина относительного изменения толщины гофра сильфона при формообразовании по традиционной схеме для 1/32 и 1/8 частей оснастки и заготовки представлена на рис.4.
Рис. 3. Этапы формирования гофра сильфона по предлагаемой схеме - с формированием избытка материала (1) и последующей посадкой избыточного материала (2)
Fringe Levels 8.793е+00 7.914е+00 J 7.034е+00 J 6.155е+00_ 5.276е+00 _ 4.397е+00 I 3.517е+00_ 2.638&ИЮ _ 1.759е+00 8.793е-01 _ I О.ОООе+ОО Ш
I
0_
::
Fringe Levels 8,917е+00 в,025е+00 7,133е+00 6,242е+00 5.350е+00 4,458е+00 3.567е+00 2,675е+00 1,783е+00 8.917е-01 0,000е+00
J
(1) (2) Рис. 4. Относительное изменение толщины гофра сильфона при формообразовании
по традиционной схеме для 1/32 (1) части и 1/8 (2) частей оснастки и заготовки
В результате моделирования процесса формообразования гофра сильфона по разработанной технологии получены картины распределения толщины, напряжений и деформаций материала заготовки на каждом этапе формообразования гофра сильфона.
Толщина материала в зоне вершины рифта на первом переходе составила 0,288 мм, на втором -0,297 мм. Абсолютное значение утонения в исследуемой зоне для первого перехода формообразования гофра сильфона составило 0,012 мм, для второго перехода - 0,003 мм, что соответствует 4% и 1% исходной толщины.
Приведенные значения толщин и утонений в исследуемой зоне доказывают снижение утонения материала заготовки при формообразовании изделия по разработанной технологии. На первом переходе формообразования наибольшее значение эквивалентных напряжений по Мизесу составило порядка 330МПа, на втором переходе 340Мпа. Напряжения не превышает разрушающих напряжений для рассматриваемого материала. Характер относительного изменения толщины гофра сильфона на первом и на втором переходах, предлагаемой технологии формообразования, представлен на рис. 5.
Fringe Levels 4.143е+00 З.677е-И№ I 3,210е*00_1 2,744e-tfl0 _ 2.277е»00 1,&11е+00_ 1,344е*00_ 8,778«-01 _ 4.1134-01 _ -5,523е-02 _ -5.218«-01 _
Fringe Levels 4.422е+00 3.915е+0« Ш 3,40teM№ Ш 2,900е+00_ 2,393е+00 _
1,379е+00. S,717e-01. 3,646е-01. -1,426е-01 . -6.498е-01 .
(1) (2) Рис. 5. Относительное изменение толщины гофра сильфона на первом (1) и на втором (2) переходах
предлагаемой технологии формообразования
Поля распределения эквивалентных напряжений по Мизесу на первом и на втором переходах предлагаемой технологии формообразования представлены на рис. 6.
Fringe Levels 3.423е+0&
2.749e+08_U 2.412е*0® _ 2.074е«Ю8_ 1.737в+0в 1.400е+03 _ 1.063еН)8 _ 7.257е+07 _ З.ЗвБе+07 _ 5.136е+06 I
(1) (2) Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу на первом (1) и на втором (2) переходах предлагаемой технологии формообразования
В результате исследования разработаны конечно-элементные математические модели для изучения механизма процесса формообразования гофра сильфона эластичным инструментом с учетом взаимодействия деформирующих частей инструмента и заготовки, а также влияния на качество изделия конструктивно-технологических параметров процесса.
Таким образом, применение изделий, изготовленных по предложенной технологии, позволит повысить качество и надежность гидрогазовых систем авиационной техники.
Список литературы
1. Масленникова А.С., Моисеев В.К., Шаров А.А. Формообразование сильфонов трубопроводных систем летательных аппаратов эластичным инструментом с применением эффекта стесненного изгиба // XLIII Академические чтения по космонавтике. 2019. С. 180-181
2. Масленникова А.С., Моисеев В.К., Шаров А.А. Формообразование поперечных рифтов на трубах с минимизацией утонения на вершине рифта // XLV Академические чтения по космонавтике по-свящённые памяти ак. С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных - пионеров освоения космического пространства. 2021. Т. 4. С. 19-21.
3. Moiseyev V.K., Sharov A.A., Gromova E.G., etc. Results of the sheet parts curved edges constrained bending with elastomer // Key Engineering Materials. 2017. V. 746. P. 285-289.
4. Gromova E.G., Eskina E.V. Research of the parts pressing process using the elastic media pressure // Key Engineering Materials. 2016. V. 684. P. 273-277.
5. Yeskina Ye.V., Gromova Ye.G. Mathematical simulation of cramped bending of sheet parts using finite element analysis // Key Engineering Materials. 2016. V. 685. P. 186-190.
6. Lomovskoi O.V., Moiseev V.K., Plotnikov A.N., etc. Material stress strain behaviour and elastomer pressure under constrained bending of sheet edges // Russian Aeronautics. 2015. V. 58 (1). P. 81-87.
7. Моисеев В.К., Шаров А.А., Масленникова А.С. Технология производства сильфонов для трубопроводов топливных систем двигателей летательных аппаратов // Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». 2021. Т. 1. С. 200201.
8. Масленникова А.С., Моисеев В.К., Шаров А.А. Формообразование поперечных рифтов на трубах с минимизацией утонения на вершине рифта // XLV Академические чтения по космонавтике по-свящённые памяти ак. С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных - пионеров освоения космического пространства. 2021. Т. 4. С. 19-21.
9. Gromova Ye.G., Bakanova A.G. Research into contact interaction of an elastic tool during rotational pattern cutting of sheet parts // Key Engineering Materials. 2016. V. 685. P. 408-412.
10. Wang HY., Wei Z., Teng F., Zhang PC., Sun JC., Ji SJ. Numerical simulation and experiment research on forming of two-step channel based on rubber pad pressing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. V. 101(5-8). P. 2175-2189.
11. Belhassen L., Koubaa S., Wali M., Dammak F. Experimental and numerical investigation of hole-flanging process with rubber punch // Advances in mechanical engineering and mechanics II. 2021. P. 262-268.
Масленникова Анна Сергеевна, аспирант, maslennikova.ssau@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Шаров Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, aa. scharov@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
FORMATION OF TRANSVERSAL EXTERNAL DIAMETER OF BELLOWS WITH MINIMIZATION OF
THINNING ON THE TOP
A.S. Maslennikova, A.A. Sharov
A study of the possibility of implementing the technology offorming transverse corrugations on tubular products, for example, bellows, with an elastic tool using the principle of reversible stretching together with the effect of constrained bending is proposed. Studies of the bellows corrugation process have been carried out on the basis of a finite element mathematical model, which shows the feasibility of the proposed technology and confirms its effectiveness. The character of the thickness change in the area of the bellows corrugation tip is estimated. Technical solutions are described.
Key words: bellows, shaping, constrained bending, mathematical modeling.
Maslennikova Anna Sergeevna, postgraduate, maslennikova.ssau@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University,
Sharov Andrey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aa.scharov@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University
УДК 621.9.06-231.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-75-84
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА ПО КРИТЕРИЮ МИНИМИЗАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ РЯДА
Д.А. Рудиков, В.А. Финоченко
Обеспечение высокой точности реализации ряда предпочтительных чисел органами настройки металлообрабатывающих станков является одним из важных показателей его качества и надёжности. Данный критерий жёстко нормируется стандартом и является техническим условием на изготовление и приёмку станка. Однако отраслевой стандарт ограничивает величины отклонений в зависимости от применяемого в коробке передач знаменателя ряда. Это значит, что точность реализуемого ряда частот зависит не от точности изготовления зубчатых колёс, шкивов и других деталей, а только от неточностей применяемых методов кинематического расчёта. Эффективность и качество обработки на станках в большей степени зависят от режимов резания (выходной частоты вращения). При установлении заниженной частот вращения снизится производительность, а при установке завышенной частоты вращения - увеличится число замен инструмента или их переточки. Поэтому необходимо было создание принципиально нового метода кинематического расчёта на стадии проектирования коробок передач металлообрабатывающих станков, который направлен на снижение отклонений реализуемых приводом частот вращения, что в свою очередь позволит повысить точность механической обработки. В данной статье описывается комплекс аналитических и оценочных моделей, которые позволяют разделить общее отклонение привода на составные части и проанализировать каждую из этих составляющих на предмет её влияния на формирование общего отклонения. Данный комплекс позволяет снизить величину отклонения округления предпочтительных чисел, что существенно упрощает решение проблемы повышения точности металлообрабатывающих станков. Также данный комплекс аналитических и оценочных моделей создаёт задел для создания принципиально новой научной базы по расчёту множительных структур, множительных групп с высокой гарантией обеспечения точности реализуемого ряда.
Ключевые слова: точность станка, кинематика станка, погрешность электропривода, погрешность множительной структуры, кинематический баланс, предпочтительно число, знаменатель ряда.
Введение. Станочные системы и металлорежущие станки на сегодняшний день смогут обладать достаточной эффективностью только при условии максимальной их эксплуатации при высокой точности, что позволит нивелировать их большую стоимость. Как правило станки проектируются с учётом потерь точности при их эксплуатации.
Точность обеспечения режимов резания коробками передач металлорежущих станков является одной из актуальных на сегодняшний день проблем в области модернизации техники и технологического оборудования, так как данный аспект является основополагающим в вопросах повышения надёжности машин, приборов и аппаратов, их быстроходности, точности и высокой мощности [1-3].
75
