CC BY
8
УДК 539.3 Acnip. Р.В. Палаш1 - НУ "Львiвська полтехтка "
ФОРМУВАННЯ ЗАЛИШКОВОГО НАПРУЖЕНОГО СТАНУ НА ВНУТР1ШН1Й ПОВЕРХН1 ЗВАРНИХ ЦИЛ1НДРИЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В КОНСТРУКЦ1Й 13 ВИСОКОМ1ЦНИХ СТАЛЕЙ
Дослiджено вплив napaMeTpiB, що описують поле пластичних деформацш на розподiл залишкових напружень на внутршнш поверхнi кiльцевих з'еднань пластич-ним швом оболонок i3 високомщних сталей, схильних до мартенситного перетворен-ня пiд дieю термiчного циклу зварювання.
Doctorate R.V. Palash - NU "Lvivska politechnica"
Forming of the remaining tense state on the internal surface of the welded cylinder elements of constructions too from strong steel
Influencing parameters, that describe.; a field of plastic deformations on distributing remaining tensions on the inlying surface of the circular halving by the plastic stitch of high-durability steel, inclined to the martensyt transformation under action of thermal cycle of welding is explored.
У тепершнш час у машинобудуванш та шших галузях промисловост i буд1вництва все бшьше зварних конструкцш та деталей машин з кшьцевими з'еднаннями виготовляють iз високомщних сталей з межею мщност ав > 850 МПа i межею плинност а0,2 > 550 МПа. Це: елементи реакторiв та об-ладнання, емност та трубопроводи, вали турбш, важконавантаженi елементи механiзмiв i машин, тощо. Однак використання високомщних сталей пов'яза-не з проблемою утворення технолопчних i експлуатацiйних трiщин. 1х ви-никнення зумовлене значними за величиною та нерiвномiрно розподшеними напруженнями першого та другого родiв в зварному з'еднанш. Зважаючи на визначальний вплив залишкових напружень на технолопчну й експлуата-цiйну мiцнiсть з'еднань, важливим е вибiр таких параметрiв режиму зварювання, що забезпечать якнайбiльш сприятливий залишковий напружений стан. У зв'язку з цим, необхщний надiйний та шформативний спосiб визна-чення напружень у довшьнш точцi з'еднання.
Шдвищення трiщиностiйкостi й експлуатацiйноl надiйностi таких з'еднань без попереднього пщ^ву та завершального термiчного оброблення забезпечують рiзними технологiчними заходами, серед яких ращональним е використання аустенiтних швiв [1-3 та ш.]. Хоча для такого випадку одержа-нi експериментальнi дат про розподши залишкових напружень, проте мето-ди комплексного визначення повного поля напружень розгляну^ недос-татньо повно.
Мета роботи - дослщити закономiрностi розподiлу залишкових напружень на внутршнш поверхнi кiльцевих з'еднань аустенггним швом деталей машин i конструкцiй iз високомiцних сталей та вплив на них параметрiв, що описують поля власних залишкових деформацш.
Дослщження проводились для класу кшьцевих з'еднань деталей машин i конструкцiй з високомiцних сталей, схильних до мартенситного пере-
1 Наук. кер1вник: проф. 1.В. Кузьо, д-р техн. наук - НУ "Льв1вська полтгехшка"
творення тд дiею термодеформацiйного циклу зварювання (ТДЦЗ). Вивчено вплив параметрiв, що визначають характер поля пластичних деформацш у з'еднанш, на величину залишкових напружень.
Для визначення залишкового напруженого стану використано матема-тичну модель, що грунтуеться на розв,язаннi обернених задач мехашки де-формiвних тш з власними напруженнями [4, 5]. За допомогою дано! моделi можна розраховувати просторовi залишковi напруження в осьовому i кшьце-вому напрямках оболонкових елеменлв конструкцiй.
Поле власних колових деформацш в кшьцевому зварному з'еднанш виражаеться як:
80р(а, у) = -80 • ф(а) • 50(а),
(1)
де:
ф*(а) = 8о • ф(а), 50(а) = 1, |а| < а0; 50(а) = 0,
|а| ^ а0; ф(а) =
ф1 (а), 0 < |а| < ат, ф2(а), ат < а < а0;
(2)
ф1() = а0 + а •
+ а2 •
^ 6
V ^0)
V ^0)
/ \ 3 / \ 4 / \
ф2 = Ь0 + Ь % ~ ¿т --2-- + Ь2 • 2 ~ ¿т --2-- + Ь • % ~ ¿т --2--
V ¿0 ¿0 V ¿0 ¿0 V ¿0 ¿0 )
(3)
Невiдомi коефiцiенти ап, Ьп знаходять з умов гладкост функцiй i краевих умов; 20 - пiвширина зони пластичних деформацш, а0 - значення пластичних деформацшна осi шва, ^ - вщдаль вiд осi шва до мюця, в якому е найбiльшi пластичнi деформаци, 80 = ат - максимальш значення пластичних деформацш, а = г / Я, 2 - вщдаль вщ ос шва, мм [6,7].
Залишковi осьовi ааа i кiльцевi арр напруження визначаються таким
чином:
аг7(а, у) = Е • с • ай (а, у), / = а, р; (4)
а
Ж(а) =80 • Я • Ж(а) - функщя прогину, Жаа(а) = -• Л (а);
арр(а, у) = Ж (а) + ц • ааа(а, у) + ф(а) • 5 0(а) ааа (а, у) = - а •
2 Ч
3
1 -ц2
• Л (а),
а0
Г/(а)= кк-аУЪ; - а) - спрощувaльнi коефiцiенти.
-а0
Анaлiз наведених формул показуе, що функщя ф(а), яка описуе поле повних пластичних деформацш, мае змшний характер. Вщ осi шва вона зрос-тае до деякого значення (ат) на дшянщ, що включае область структурних пе-ретворень, котрi вiдбувaються тд впливом ТДЦЗ. Пiсля досягнення свого максимуму ат на вiддaлi 2т, функцiя плавно спадае до нуля (на вщдал^ рiвнiй ширит поля пластичних деформацш 20). Параметри, якi визначають кривину
функци (на дшянщ зростання вiд осi шва до максимальних значень, це - а1 i а2, а на промiжку спадання - параметри Ьь Ь2, Ь3), виражаються через величи-ни ат, а0, г0, гт. Вони дають змогу з достатньою точнiстю описати функцiю ф(а) не лише для випадку сталей, схильних до мартенситного та бейштного перетворень, але й для шших класiв сталей.
Нижче проаналiзовано вплив цих факторiв на залишковi напруження у з'еднанш. Розподiли залишкових напружень розглядались при рiзних значен-нях параметрiв, що описують геометрiю та поле пластичних деформацш. Як видно з рис. 1, осьовi напруження на ос шва е розтягувальними та плавно знижуються в мiру вiддалення вiд не!. На межi поля пластичних деформацiй вони переходять у стискальш, але не досягають значних величин.
Кiльцевi напруження на ос шва i в дшянщ максимальних значень е також розтягувальними. Крiм того, вони в середньому на 30... 40 МПа вищi за аналопчш на зовшшнш поверхш, яьа дослщжувались рашше [61.
Рис. 1. Розподт осьових (а) i кльцевих (б) залишкових напружень на внутршнш поверхш оболонки в напрямку вiд оа шва залежно вiд и рад1усу
(1 - 1000 мм, 2 - 600 мм, 3 - 400 мм)
При зростанш радiусу оболонки вщ 400 до 1000 мм напруження змь нюються незначно: осьовi зменшуються вщ 80 до 60 МПа на ос шва, а кшь-цевi - зростають вщ 50 до 65 МПа на ос шва й вщ 305 до 330 МПа в дшянщ максимуму.
Вплив параметру а0, який залежить вщ особливостей виконання звар-ного шва, його структури, мехашчних властивостей та параметрiв ТДЦЗ [7], е досить ютотним (рис. 2).
Як видно з рис. 2, осьовi напруження, розтягувальш в колошовнiй дь лянцi, iз збiльшенням вiддалi вiд осi шва зменшуються, по^м переходять через нуль в область стискання, де !х градiент значно зменшуеться, i вони плавно затухають. На ос шва вплив значення а0 на величину напружень ютотт-ший для кшьцевих анiж для осьових, (в дiапазонi значень а0 0,05.0,95 - !х змiнa становить 275 МПа для перших порiвняно iз 120 МПа для других). Значення напружень в кшьцевому напрямку iстотнiшi в дiлянцi максимуму (240.290 МПа), шж на осi шва (-50.230 МПа), де кiльцевi напруження не-iстотно вiдрiзняються вiд осьових (60.180 МПа).
а)
200 150
100
50
-50
-1 00
1
2 \
3
20 Z1 мм
б) -200
Рис. 2. Розподт осьових (а) i ктьцевих (б) залишкових напружень залежно вiд параметру а0 (1 - 0,95; 2 - 0,75; 3 - 0,35; 4 - 0,05)
Необхщно зазначити, що крива "1" вщповщае з'еднанням iз швами, близькими за мехашчними властивостями до основного металу, в той час як крива "3" - з'еднанням iз швами, пластичшшими за основний метал. Вплив на залишковi напруження параметра 20, який залежить вщ умов тепловщве-дення та погонно! енергн зварювання, граф1чно зображено на рис. 3.
200
100
а)
-100
^смо^- 42)
-
20 \ 40
300 а№ 200
100
б)
-100
-200
1Г^ * \ \\
1 1 1 1 \ 1 20 1 \ V г, мм
Рис. 3. Розподт осьових (а) i ктьцевих (б) залишкових напружень на внутрШнш поверхт оболонки залежно вiд ширини поля пластичних деформацш
(1 - 33 мм; 2 - 40 мм; 3 - 45 мм)
Осьовi розтягувальш напруження знижуються зi збшьшенням вiддалi до ос шва. Згодом, на дшянщ 25...35 мм, вони переходять через нуль i згаса-ють у зонi стискання. При зростанш ширини поля пластичних деформацш за-лежнiсть осьових напружень, аналопчно кiльцевим на дiлянцi спадання, про-являеться у зменшеннi градiентiв напружень та змщенш кривих вiд ос шва. Характерно, що бiля ос шва вплив параметра 20 практично не проявляеться як для осьових, так i для кшьцевих напружень.
Стискальш на осi шва, кiльцевi напруження в дiапазонi з 20 = 33.45 мм змшюються незначно (155.185 МПа) i на стадп зростання практично вщ нього не залежать. Перейшовши через нуль, вони досягають свого максимуму, де залежнiсть вщ 20 виражена iстотнiше (150.220 МПа). Шсля цього вiдбуваеться спадання, кривi напружень переходять через нуль ^ досягнувши мiнiмуму, поступово затухають.
На рис. 4 наведено залежшсть залишкових напружень по твiрнiй обо-
лонки В1д параметру
120
80
40
а)
-40
-80
- ст<ж(2 )
\Уч3
- \ 2\\ 1т = ... ММ
1\ \ \ 1 - У,
— \ 2 - 12,
- 1 1 \ 3 " ^ ^ I 20
20 ^ЧХ 40 г, мм
Рис. 4. Розподьли кшьцевих Ь осьових напружень залежно вьдрозмЩення максимуму пластичних деформацш (2М: 1 - 9 мм; 2 - 12 мм; 3 - 20 мм)
Кривi розподшв осьових i кшьцевих напружень зi збiльшенням параметру 2М змiщуються вiд осi шва. У колошовнш дiлянцi вплив 2М на осьовi напруження менш iстотний (75.90 МПа при змiнi 2М вщ 9 до 20 мм). Кшь-цевi напруження бiльш чутливi до змши 2М коло осi шва (-5. 50 МПа), тж в дшянщ максимуму (275.305 МПа).
1з виконаного аналiзу видно, що залишковi напруження на внутрiшнiй поверхнi оболонки в осьовому напрямку розтягувальш. Кiльцевi напруження в середньому в 1,2.1,4 раза вишд за аналогiчнi на зовшшнш поверхнi i при рiзних значеннях параметрiв, що характеризують функщю ф(а) та геометрiю оболонки, в межах поля пластичних деформацш, набувають як додатних, так i вщ'емних значень. При цьому, тi самi параметри по-рiзному впливають на значення напружень в осьовому й кшьцевому напрямках на ос шва i в ЗТДВ.
Висновки
Розподiли залишкових напружень можна регулювати змiною наступ-них факторiв: вiддаллю вiд ос шва до максимуму пластичних деформацш 2М, пiвшириною зони пластично! деформацп 20, величиною пластичних деформацш на осi шва а0, серединним радiусом оболонки Я. Найбшьш ефективно впливати на залишковий напружений стан можна змшенням параметру 2М, шляхом регулювання термодеформацiйного циклу зварювання.
При проектуваннi технологiчних процесiв виготовлення кшьцевих з'еднань конкретних деталей машин та конструкцш необхiдно враховувати, о^м умов роботи, зокрема величини та характеру експлуатацшних наванта-жень, особливост розподiлу залишкових напружень на внутршнш поверхнi.
Л1тература
1. Готальский Ю.Н., Новикова Д.П. О механизме предотвращения околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей с использованием аустенитных материалов// Автоматическая сварка. - 1992, № 2. - С. 21-25.
2. Назарчук А.Т., Снисарь В.В., Забуранный Ю.А. Оценка технологической прочности соединений толстолистовых закаливающихся сталей с многослойными швами// Автоматическая сварка. - 2003, № 9. С. 3-11.
3. Лобанов Л.М., Миходуй Л.И., Васильев В.Г., Позняков В.Д.,. Миходуй О.Л, Гончар А.К. Особенности протекания термодеформационных процессов при дуговой сварке высокопрочных сталей// Автоматическая сварка. - 1999, № 3. - С. 13-17.
4. Осадчук В.А., Палаш Р.В. Визначення залишкових напружень у тонких пластинах з прямолшшними швами/ Вюник ДУ "Львiвська пол^ехшка": Динамша, мщнють та про-ектування машин i приладiв. - Львiв: ДУ "Львiвська полiтехнiка". - 2000, № 396. - С. 91-95.
5. Палаш Р.В. Вплив величини зони пластичних деформацш на залишковi напруження в кшьцевих з'еднаннях обсадних труб// Вюник НУ "Львiвська пол^ехшка": Динамша, мiцнiсть та проектування машин i приладiв. - Львiв: НУ "Львiвська полiтехнiка". - 2004, № 509. - С. 99-104.
6. Исследование остаточных напряжений в кольцевых соединениях из высокопрочных сталей. Кузьо И., Палаш Р./ IV М1жнар. конгрес "Машиностроительные технологии": Зб. доповвдей. - Варна, 2004, т.1. - С. 83-85.
7. Палаш Р.В. Вплив величини зони пластичних деформацш на залишковi напруження в кшьцевих з'еднаннях обсадних труб// Вюник НУ "Львiвська пол^ехшка": Динамша, мщнють та проектування машин i приладiв. - Львiв: НУ "Львiвська пол^ехшка". - 2004, № 509. - С. 99-104.
УДК 630.31 Проф. М.П. Мартинщв, д-р техн. наук; доц. О.М. Удовицький,
канд. техн. наук; acnip. В.В. Бариляк - УкрДЛТУ
РОБОТА ТЯГОВО-ВАНТАЖОШДШМАЛЬНИХ КАНАТ1В ПРИ БАГАТОШАРОВОМУ НАВИВАНН1 IX НА БАРАБАНИ ПРИВОД1В П1ДВ1СНИХ Л1СОТРАНСПОРТНИХ УСТАНОВОК
Запропоновано залежносп для визначення радiального тиску мiж витками ка-натсв при багатошаровому навиваннi його на барабан лебщки. Встановлено умови, за яких вщсутнш тиск мiж витками, що дае змогу вибрати вщповщш оптимaльнi пара-метри бaрaбaнiв та режими роботи лебщки.
Prof. M.P. Martynciv; doc. О.М. Udovickij; doctorate V.V. Baryliak - USUFWT
The work of pulling-lifting cables at myltilevel winding of them on the drums of the suspended timbertransporting plants
There are offered the dependences for determination of radial pressure between the coils of cables at multilevel of hit on the drum of winch. Terms are set at which pressure between coils is absent, that gives the possibility to choose the proper optimum parameters of drums and modes of winch operations.
Тягов1 та вантажошдшмальш канати значною м1рою визначають без-пеку роботи установки, особливо при шдшманш та опусканш вантажу, коли роб1тники знаходяться в безпосереднш близькост з установкою, a ix довго-в1чшсть в 3-4 рази тяжча за довгов1чшсть несучих канат1в [1, 2]. Тому шдви-щення довгов1чносл таких канат1в е значним резервом збшьшення ефектив-ност використання установки в щлому.
Основною причиною руйнування тягових та вантажошдшмальних ка-нат1в е максимальш згинання азгтаХ та знакозмшш азг - напруження, що ви-никають у канатах при навиванш ix на барабани лебщки [1, 2].
Приводи канатних люотранспортних установок вщр1зняються вщ при-вод1в шших вантажошдшмальних машин тим, що тяговий i вантажошдш-мальний канати мають значну довжину, до 1200 м, та швидкост навивання,
