CC BY
156
УДК 621.979-82.001.8
Новиков В.И., Кадошников В.И., КуликоваЕ.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОЛОННЫХ КОВОЧНЫХ ПРЕССОВ
Свободная ковка является универсальным процессом ОМД, благодаря которому можно получать поковки разных габаритных размеров. Применение ковки позволяет существенно снизить расход материала при дальнейшей механической обработке, исправить дефекты литой структуры. Изготовление детали, наиболее близкой по конфигурации к готовой продукции, позволяет значительно снизить трудозатраты. Для получения крупногабаритных деталей, а также для протяжки и рубки слитков на более мелкие заготовки применяются мощные ковочные прессы. Существует несколько основных типов исполнения ковочных прессов, различающихся расположением и типом привода, конструкцией станины, количеством рабочих цилиндров. В условиях машиностроительных и ремонтных предприятий наибольшее распространение получили ковочные прессы с верхним расположением привода, неподвижной станиной в четырехколонном исполнении.
В условиях ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» эксплуатируется ковочный пресс с четырехколонным исполнением станины производства фирмы «United» усилием 22,5 МН. Пресс предназначен для выполнения операций свободной ковки и штамповки в подкладных штампах. Расположение и конструкция базовых деталей пресса представлены на рис. 1. В верхней неподвижной поперечине (архитраве) 1 располагаются два рабочих 2, два возвратных цилиндра 3 и направляющий стакан хвостовика 4. Хвостовик 5, плунжеры рабочих 6 и штоки 7 возвратных цилиндров находятся в контакте с подвижной поперечиной 8, на которой крепится верхний боек (рабочий инструмент) 9. Нижний боек 10 располагается на нижней неподвижной поперечине (фундаментной плите) 11. В единую, замкнутую конструкцию поперечины соединены при помощи колонн 12 и гаек 13. На колоннах располагаются упоры 14. По колоннам осуществляется перемещение подвижной поперечины, которая контактирует с ними посредством направляющих втулок, запрессованных в отверстия приливов подвижной поперечины.
Данная конструкция имеет ряд преимуществ: высокая устойчивость, хорошая обзорность обрабатываемой заготовки, доступность к узлам и деталям пресса при проведении ремонтов и текущих осмотров. Но есть недостатки: так как данная конструкция имеет большое количество сопрягаемых деталей, работающих в экстремальных условиях, которые постепенно изнашиваются и пластически деформируются, то со временем жесткость пресса снижается и это, в свою очередь, негативно сказывается на его эксплуатации, точности и качестве получаемых поковок.
На сегодняшний день проведено множество исследований, посвященных ковочным прессам с ко-
лонным исполнением станины. Внедрение рекомендаций по результатам выполненных исследований позволило значительно снизить вероятность разрушения и износ деталей и узлов колонных прессов. В проведенных ранее исследованиях, как основной фактор, снижающий ресурс гидравлического пресса, рассматривался эксцентриситет силы его нагружения [15]. В работе [2] отмечается, что эксцентриситет силы незначительно влияет на поперечины пресса, а в значительно большей степени согласно работе [3] влияет на направляющие колонны. При эксцентриситете, равном 220 мм, на ковочном прессе усилием 60 МН конструкции УЗТМ наблюдается шестикратное увеличение изгибных напряжений и суммарного напряжения в 2 раза, по сравнению с центральным нагружением. В работе [3] также отмечено, что в зоне архитрава величина изгибающих напряжений в колоннах больше, чем в зоне фундаментной плиты, т.к. данные поперечины имеют разную жесткость. Для того чтобы показать всю актуальность рассматриваемой проблемы надежности колонных прессов и непосредственно наиболее нагруженной его части - колонн, приведем статистику по отказам колонн, изложенную в работе [1]. Приведенные сведения относятся к эксплуатации четырех прессов в период с 1953 по 1963 гг. (табл. 1) и нескольким прессам за период с 2000 по 2004 гг. (табл. 2). Также отмечено, что только по ПО «Уралмаш» и Коломенское СПО в период с 1970 по 1979 гг. для замены разрушенных было изготовлено 149 новых колонн общей массой 1100 т.
Рис. 1. Ковочный четырехколонный пресс усилием 22,5 МН
Следует отметить, что поломка колонны пресса приводит к необходимости полного демонтажа его конструкции, а на это, в свою очередь, требуются значительные финансовые и временные затраты. К тому же стоимость изготовления новой колонны высока и оно занимает много времени.
Исследование условий эксплуатации колонных ковочных прессов.
Новиков В.И, Кадошников В.И, Куликова Е.В.
Таблица 1
Данные по разрушенным колоннам в период
с 1953 по 1963 гг.
Фирма- изготовитель Сила пресса, МН Число колонн Диаметр колонны, мм Кол-во поврежденных колонн
Вагнер, Германия 12 4 300 8 колонн (1953-61)
Гидравлик, Англия 30 4 498 2 колонны (1956-58)
УЗТМ, СССР 70 4 685 4 колонны (1955-59)
Места, США 100 4 760 4 колонны (1953-63)
Таблица 2
Данные по разрушенным колоннам в период
с 2000 по 2004 гг.
Фирма- изготовитель Сила пресса, МН Число колонн Диаметр колонны, мм Кол-во поврежденных колонн
Ижора 40 8 300 1
7доСа 53 8 350 1
УЗТМ 70 4 630 4
УЗТМ 100 4 830 1
УЗТМ 100 4 830 1
Шлеман, Германия 100 4 800 1
КЗТС 200 12 600 3
О влиянии нагретой заготовки на детали, узлы и в целом конструкцию пресса частично упоминается в работе [6]. Отмечается зависимость влияния нагрева колонн от их конструкции. Так, полые колонны, как правило, изготавливаемые диаметром более 500 мм, более восприимчивы к теплу от нагретой заготовки. Неравномерный нагрев колонн по сечению и длине может привести к значительной неравномерности распределения напряжений. В работе также приводится несколько наиболее распространенных способов по снижению воздействия лучистого тепла на колонны ковочного пресса. Как наиболее технологичный и экономичный отмечен способ использования цепных завес, подвешенных К ПОДВИЖНОЙ поперечине для защиты колонн. Но данный способ защиты не гарантирует достаточно высокой защиты колонн от лучистого тепла и тем более от попадания окалины в зону скольжения подвижной поперечины по направляющим колоннам. В работе [7] проанализирован механизм влияния нагретой заготовки на рабочий инструмент ковочного пресса - бойки. Подробно рассмотрены причины снижения стойкости ковочных бойков и их температурный режим работы, а также рассмотрены возможности снижения влияния температуры нагретой заготовки на ковочные бойки. Недостатком работы является отсутствие анализа температурного влияния заготовки на базовые
детали ковочного пресса.
По результатам обзора проведенных ранее исследований, а также изучения условий работы ковочного пресса усилием 22,5 МН в условиях ЗАО «Механоре-монтный комплекс», следует отметить, что на сохранение эксплуатационных характеристик гидравличе-ского пресса в межремонтный период кроме эксцентриситета нагружения влияет и ряд других факторов: 1) градиент температур в конструкции пресса, вследствие обработки нагретой до ковочной температуры (700-1250°С) заготовки; 2) наличие окалины в рабочем пространстве пресса.
Окалина, образующаяся при обработке нагретой заготовки и попадающая в зону скольжения подвижной траверсы по направляющим колоннам, приводит к абразивному износу как направляющих втулок, так и колонн, также вследствие характера нагружения пресса со временем появляется неравномерный зазор в узле «колонна - направляющая втулка». Наблюдается уменьшение площади контакта втулки с колонной, что приводит к значительному снижению долго -вечности данного узла.
Градиент температур в конструкции пресса (рис. 2), вследствие обработки нагретой до ковочной температуры (700-1250°С) заготовки, имеет также ряд негативных последствий:
- перекос архитрава (в случае разной температуры колонн);
- раскрытие стыков в узле «колонна - гайка - поперечина»;
- износ направляющих деталей и уплотнений рабочих цилиндров;
- неравномерный износ направляющих втулок подвижной поперечины;
- возникновение дополнительных напряжений в колоннах, что повышает вероятность их разрушения;
- уменьшение жесткости конструкции и, следовательно, снижение точности процесса ковки.
Рис. 2. Термограмма ковочного колонного пресса после биллетировки и протяжки 3-х слитков массой 4 т
В заключение отметим необходимость проведения исследований конструкции пресса с четырехколонным исполнением станины в лабораторных условиях, при помощи компьютерного моделирования и в условиях
цеха, где эксплуатируются подобные прессы. Целью исследований должно быть изучение нестационарного радиационно-конвективного теплообмена в системе «пресс-поковка», разработка способов снижения нагрева деталей и узлов ковочного пресса, изучение и модернизация его направляющей системы.
Список литературы
1. Сурков И.А. Исследование условий эксплуатации, определение причин разрушений и обеспечение безотказной работы колонн мощных гидравлических прессов: дис. ... канд. техн. наук. М., 2007. 121 с.
2. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета силы нагружения гидравлического пресса на напряженное состояние подвижной поперечины // КШП. ОМД. 2008. № 4. С. 28-38.
3. Коркин Н.П., Сурков И.А., Тимохин И.В. Влияние эксцентриситета нагружения на напряженное состояние колонн мощного гидравлического пресса // КШП. ОМД. 2008. № 5. С. 40-43.
4. Койрес В.И. К расчету ковочных прессов в условиях эксцентрических нагружений // КШП. ОМД. 1984. № 6. С. 30-34.
5. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959. С. 24-29.
6. Мюллер Э. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959.
7. Камнев П.В. Совершенствование ковки крупных поковок. Л.: Машиностроение, 1975. 343 с.
Bibliography
1. Surkov I. A. Study of operating conditions, determining the causes of destruction and ensuring uptime columns of high-powered hydraulic presses / / Dis. for the degree of Cand. Science. Moscow, 2007. - 121 p.
2. Corkin N.P., Surkov I.A., Timokhin I.V. Effect of eccentricity of loading force of hydraulic pressure on the stress state of the walking beam/ PFP. OMD. 2008 № 4. P. 28-38.
3. Corkin N.P., Surkov I.A., Timokhin I.V. Effect of eccentricity of loading on the stress state of the columns of a high-powered hydraulic press / PFP. OMD. 2008 № 5. P. 40-43.
4. Koyres V.I. Calculation of forging presses in eccentric loading. 1984. № 6. -P. 30-34.
5. Rozanov B.V. Hydraulic Press. M.: Mashgiz, 1959. P. 24-29.
6. Muller E. Hydraulic Press. M.: Mashgiz, 1959.
Kamnev P.V. Improvement of forging large forgings, Leningrad Mechanical Engineering, 1975. - 343 p.
