CC BY
8
10 oC or higher. Accordingly, for satisfactory operation of the hydraulic drive at negative temperatures, it is advisable to preheat the working fluid to a state at which the kinematic viscosity will be such as to ensure the correct operation of the pumps. The main methods of heating the working fluid today are: heating the hydraulic tank with exhaust gases; throttle heating of the working fluid; the use of a small hydraulic tank for rapid heating of the working fluid due to its circulation in a small circuit of the hydraulic system; the use of electric heaters (TEN) for heating individual elements of the hydraulic drive. It is noted that to date, this task has not been completely solved. This circumstance should be taken into account when planning and organizing the work of machines.
Key words: construction machines, hydraulic drive, low temperatures, working fluid, temperature regime.
Grinchar Nikolay Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Shilyaev Nikita Albertovich, master, na_shilyaev@inbox. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
УДК 303.833.73
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-332-336
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПРУЖИН В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СУДОВОЙ
И ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
В.А. Ленина, М.Ю. Силаев, Д.А.Беспалов, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская
При строительстве современных АЭС особое внимание уделяется безопасности. Немаловажную роль в системе АЭС занимает трубопроводная арматура, которая включает в себя запорную, регулирующую и предохранительную аппаратуру. При высоких давлениях и при больших диаметрах трубопроводов сама арматура может стать источником возникновения нештатных ситуаций, поэтому главное направление в развитии основных трубопроводов на атомной станции - применение, возможно, более простой и надёжной арматуры. Предложен вариант замены винтовых пружин на конструкцию тарельчатых пружин из титанового сплава.
Ключевые слова: пружины, заневоливание, титановый сплав ВТ23, релаксация, осадка.
Введение. Перед конструкторами-проектировщиками систем безопасности паровой арматуры стояла задача разработки клапана, назначение которого заключается в том, чтобы обеспечить быстрое отключение трубопровода для предотвращения аварии. В качестве конструкции выбран отсечный запорный тип клапана, такой вид арматуры выступает в качестве активного предохранителя от протечек и затопления. Необходимым требованием к работе данного клапана является его быстродействие, которое обеспечивается срабатыванием пружины, входящей в конструкцию клапана. Кроме этого, при проектировании клапана необходимо иметь пружину, которая позволит использовать клапан длительное время. Выбор материала определяется условиями непосредственного воздействия: температуры, среды эксплуатации и вида нагружения.
Материалы и методы исследования. Конструкторами-проектировщиками при проектировании предохранительного клапана в качестве материала для пружины была выбрана рес-сорно-пружинная сталь марки 50ХФА. В качестве конструкции пружины выбрана винтовая цилиндрическая пружина сжатия. Геометрические размеры были рассчитаны из учёта требуемого рабочего усилия, расчётное касательное напряжение т2, составило 569 МПа. Пружина (объект исследования) эксплуатируется в условиях воздействия влаги, что требует дополнительного нанесения антикоррозийного покрытия. Для защиты от коррозии было выбрано нанесение цинкового покрытия.
Изготовленная пружина была установлена в клапан для проведения испытания на стенде при температуре эксплуатации 300°С. По результатам испытаний оказалось, что клапан не срабатывает при заданном понижении давления. Для выявления причин обратились к специалистам ОАО «НИПИ «Пружинный Центр». Проведённое испытание пружины показало, что пружина после испытания на стенде имеет релаксацию напряжений и соответственно уменьшение силовой характеристики до 15 %, что привело к несрабатыванию клапана при испытании на стенде.
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. Для проверки стабильности работы пружины из стали марки 50ХФА были изготовлены макеты пружин с тремя уровнями максимальных касательных напряжений [т3]: 400, 600 и 800 МПа. И проведены тепловые испытания (горячее заневоливание) при температуре 300°С. Результаты испытаний представлены на рис.1.
—т, = 400МГ!я
• 1 -«ОМ Па
-Й-Т, - Ю МП»
5 10 15
Прсийлтггслыютъ щ п м 111 м ки. I |чиг|
25
Рис.1. Релаксация напряжений в винтовой цилиндрической пружине из титанового из стали марки 50ХФА в процессе горячего заневоливания при температуре 300°С
Как видно из представленного графика, релаксация напряжений в пружине - более 30 %, независимо от уровня начальных максимальных касательных напряжений, уже при 24 часах выдержки. Испытания показали, что данный материал непригоден для пружины в данном клапане. Было предложено использовать титановый сплав ВТ23, а также заменить конструкцию пружины на пакет тарельчатых пружин. Цель, которую преследовали специалисты Пружинного Центра, - разработать конструкцию с сохранением силовых характеристик в имеющихся габаритах с минимальными напряжениями. Для стабилизации напряжений и повышения релаксационной стойкости, изготовленные тарельчатые пружины подверглись горячему заневоливанию, результаты испытаний представлены на рис. 2.
-<т,- 1300 МИ,« -1Т, =2150 М][я
40 60
Время выдержки , I (час|
80
100
Рис. 2. Релаксация напряжений в тарельчатых пружинах из титанового сплава ВТ23 в процессе горячего заневоливания при температуре 300 °С
Полученные результаты показывают, что максимальная релаксация напряжений происходит на первой этапе при выдержке более 20 часов и составляет не более 9,0 %, а значения начальных напряжений о^не влияют на релаксацию напряжений. При этом релаксация напряжений у винтовых пружин сжатия из стали 50ХФА при выдержке 1 час составляет от 13 до 17 % в зависимости от начальных напряжений т3 .Увеличение времени выдержки до 98 часов при горячем заневоливании титанового сплава ВТ23 не приводит к значительному росту релаксации напряжений и составляет +2...5%. Изготовленный пакет тарельчатых пружин из титанового
сплава ВТ23 [5,6] был испытан на стенде в составе клапана, результаты испытания показали стабильность срабатывания клапана, но при настройке клапана возникли сложности. Из-за высокой жесткости пружины настройка срабатывания на определенное значение давления была затруднительна ввиду особенностей узла настройки.
Специалистами Пружинного Центра было предложено уменьшить жесткость пакета пружин за счёт уменьшения высоты тарельчатой пружины, при этом общая высота пакета и сохранение рабочего усилия обеспечивается увеличением количества пружин. Увеличение количества тарельчатых пружин в пакете позволило добиться снижения жёсткости практически вдвое, что позволило облегчить настройку срабатывания клапана. Для оценки распределения максимальных напряжений выполнен расчёт с использованием программы ANSYS, результаты расчёта приведены на рис. 3. На приведенных иллюстрациях изображён вырезанный из пакета тарельчатых пружин сегмент 30° в плане и пара тарельчатых пружин. Картина распределения главных максимальных напряжений показана в диапазоне от 50 % условного предела текучести (465 МПа) до 100 МПа.
Рис. 3. Распределение главных максимальных напряжений в пакете: а - при первоначальной жесткости пакета; б - после уменьшения жесткости пакета
Для подтверждения правильности выбора материала и конструкции пружин проведены длительные испытания при температуре 300°С, результаты испытания представлены в виде диаграммы на рис.4.
~Р~Ршк<ацИ1 напркжснии
Вреил выдержки, ( [час[
Рис.4. Релаксационная стойкость тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ23 при статистических испытаниях при температуре 300 °С
Вывод
По результатам испытаний видно, что технология изготовления тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ23 позволяет гарантировать стабильную работоспособность пакета пружин в процессе длительной эксплуатации. Тем самым подтверждается работоспособность титанового сплава ВТ23 при 300 °С. Ещё одно преимущество титанового сплава ВТ23 перед 50ХФА - это высокая коррозионная стойкость. Результатами испытания на стенде пакета тарельчатых
пружин с уменьшенной высотой была подтверждена работоспособность клапана при заданном падении давления. После испытаний пакет тарельчатых пружин был повторно испытан, по результатам испытаний изменение геометрических и силовых характеристик не наблюдалось. Проведённая работа ещё раз доказывает необходимость при проектировании узлов, в составе которых имеется пружина, принимать во внимание температуру воздействия на пружину [7,8,9], среду и вид нагружения, а конструкцию рассчитывать таким образом, чтобы напряжения в материале пружины соответствовали условиям её работы.
Список литературы
1. ГОСТ 14959-79. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия. М., 1979.
2. ГОСТ 13764-86. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Классификация. М., 1986.
3. Рахштадт, А. Г. Пружинные стали и сплавы: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1982. 400 с.
4. Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.
5. Ремшев Е.Ю. Применение метода акустической эмиссии для контроля качества тарельчатых пружин из сплава ВТ23 // Металлообработка. 2012. № 4.С.27-33.
6. Беспалов Д.А., Силаев М.Ю., Ворошилин В.В., Ремшев Е.Ю. Оценка параметров качества винтовой пружины сжатия из стали 65С2ВА акустическими методами // Металлообработка. 2014. № 3. С.48-51.
7. Беспалов Д.А., Ремшев Е.Ю., Данилин Г.А. Воробьева Г.А., Пехов В.А. Влияние режимов термообработки на физико-механические свойства проволоки из никельхромкремнистой бронзы // Вестник машиностроения. 2017. №10. С. 65-68.
8. Ремшев Е.Ю., Данилин Г.А., Титов А.В., Ермоленков П.А. Контроль технологических и эксплуатационных свойств изделий из титановых сплавов методом акустической эмиссии // Труды МАИ. 2018. №99. С. 22-24.
9. Remshev E.Yu., Voinash S.A., Kokieva G.E., Teterina I.A., Sokolova V.A., Krivonogova A.S., Pushkov Yu.L. Development of a methodology for evaluating the operational properties of elastic elements for various purposes by acoustic emission // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 919, 032007.
Ленина Виктория Андреевна, старший преподаватель, аспирант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Силаев Михаил Юрьевич, заведующий лабораторией, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Беспалов Данил Александрович, соискатель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
Войнаш Сергей Александрович, инженер, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, ООО «ПРО ФЕРРУМ»,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Ореховская Александра Александровна, канд. с.-х. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Белгородская область, п. Майский, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина
THE USE OF NEW MATERIALS AND SPRING DESIGNS IN CONDITIONS OF ELEVATED
TEMPERATURES IN THE MANUFACTURE OF SHIP AND PIPELINE FITTINGS
V.A. Lenina, M.Y. Silaev, D.A. Bespalov, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya
335
During the construction of modern nuclear power plants, special attention is paid to safety. Pipeline fittings, which include shut-off, regulating and safety equipment, play an important role in the NPP system. At high pressures and with large pipeline diameters, the fittings themselves can become a source of emergency situations, therefore, the main direction in the development of the main pipelines at a nuclear power plant is the use ofpossibly simpler and more reliable fittings. A variant of replacing helical springs with a design of disc springs made of titanium alloy is proposed.
Key words: springs, sedimentation, titanium alloy VT23, relaxation, sediment.
Lenina Victoria Andreevna, senior lecturer, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, D.F. UstinovBSTU«VOENMEH»,
Mikhail Yurievich Silaev, head of the laboratory, [email protected], Russia, St. Petersburg, D.F. Ustinov BSTU «VOENMEH»,
Bespalov Danil Alexandrovich, applicant, [email protected], Russia, St. Petersburg, D.F. Ustinov BSTU «VOENMEH»,
Voinash Sergey Alexandrovich, engineer, [email protected], Russia, Saint Petersburg, LLC «PRO FERRUM»,
Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, head of department, [email protected], Russia, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin
УДК 621.926.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-336-341
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАЛКОВЫХ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д.В. Комаров
В статье рассмотрены особенности процесса вальцевания и каландрования полимерных материалов в валковых машинах, методы расчета энергосиловых параметров валковых машин и проанализировано влияние на производительность валковых машин различных его параметров и свойств полимерных материалов.
Ключевые слова: вальцевание, каландрование, полимерный материал, валковая машина.
Валковые машины обеспечивают переработку полимерных материалов путем их деформирования или измельчения при нахождении в зазоре между вращающимися цилиндрическими металлическими валками. Переработка полимеров на валковых машинах занимает важное место в промышленности пластических масс при получении пленочных и листовых материалов [1].
Процесс вальцевания заключается в следующем. Полимерный материал многократно проходит через зазор между подогретыми валками, которые вращаются на встречу друг другу с разной скоростью в противоположных направлениях [2].
В упаковочных производствах полученные таким образом полимерные пленки, представляющие собой смесь поливинилхлорила, пластификатора, мягчителя и стабилизатора, применяют в виде чехлов для консервации различного оборудования. Их толщина составляет от 0,19 до 0,27 мм [3].
Превращение твердого полимерного материала в вязкотекучий при вальцевании обеспечивается необходимыми температурой валков и прилагаемыми механическими деформационными усилиями, что приводит к умягчению, перемешиванию и гомогенизации полимера (рис. 1).
