CC BY
9DOI: 10.12737/article_58e613378c7037.64936691
Шрубченко И.В., д-р техн. наук, проф., Хуртасенко А.В., канд. техн. наук, доц., ГончаровМ.С., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
КОНТАКТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ БАНДАЖЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
БАРАБАНОВ
msgon@ya.ru
Рассмотрено контактное взаимодействие опорного ролика и бандажа технологического барабана. Составлены расчетные модели позволяющие исследовать влияние процесса обработки на пятно контакта. Проанализировано изменение контактных напряжений при различном пути и глубине резания. Определены условия образования зазоров. Предложены технологические способы, обеспечивающие сохранение контактной прочности рабочих поверхностей бандажа и ролика в процессе обработки. Расчеты выполнены в среде NX Advanced Simulation Расширенная симуляция (Siemens PLM Software Inc.).
Ключевые слова: мобильные технологии, технологические барабаны, бандажи, опорные роли-
ки, контактная прочность, пятно контакта.
Введение. Мобильные технологии восстановительной обработки крупногабаритных деталей находят все более широкое применение в ремонтном сервисе промышленного оборудования содержащего технологические барабаны (ТБ) [1, 2, 3, 4].
Особенностью таких технологий является восстановительная обработка поврежденных деталей без остановки производства в работающем агрегате. Такое воздействие обязательно оказывает влияние на движение всего ТБ. Например, изменение в процессе обработки размеров и формы поверхностей качения бандажей и опорных роликов при многоопорном базировании корпуса ТБ влияет на его равновесие, может привести к изменению над ремонтируемой опорой положения оси вращения ТБ и как следствие возрастанию сопротивлений движению, увеличению прогибов корпуса ТБ и появлению нежелательных деформаций.
Это скажется не только на напряженно -деформированном состоянии поверхностных слоев материала на пятне контакта между бандажом и роликом, но и на контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью, т.е. может повлиять на результат самой обработки.
Таким образом, не смотря на многочисленные позитивные результаты исследований в этой области [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], остаются не ясными условия при которых восстановительная обработка бандажей не окажет негативного влияния на функционирование ТБ и контактную прочность поверхностей качения бандажа и опорного ролика.
Поэтому, представляет интерес анализ влияния процесса восстановительной обработки
профиля бандажа на контактную прочность поверхностей качения и в целом на функционирование технологического барабана.
Методика исследования. Поставленную задачу будем рассматривать при следующих допущениях:
1. Механическая обработка проводится при постоянной температуре (тепловые деформации не учитываются).
2. На корпус ТБ от его привода действует только постоянный крутящий момент (изгибающие, осевые, упругие и инерционные нагрузки не учитываются).
3. Бандаж вращается вместе с корпусом ТБ (проскальзывания между ними отсутствуют) с постоянной скоростью.
4. Между бандажом и опорными роликами скольжение отсутствует.
5. Опоры роликов не имеют погрешностей и являются абсолютно жесткими.
6. Ролики имеют номинальные форму и размеры.
Рассмотрим влияние механической обработки поверхности качения на пятно контакта между бандажом и роликом. Используем для этого конечно-элементную модель (рис. 1) построенную в NX Advanced Simulation Расширенная симуляция (Siemens PLM Software Inc.) [12, 13].
Внесем в модель небольшие изменения. Ролик по-прежнему будем представлять полым неподвижным (по всем осям координат) цилиндром (с размерами: длина 1100 мм, внешний диаметр - 1500 мм, внутренний диаметр - 600 мм). А на поверхности качения бандажа, моделируемого в виде цилиндрического сегмента
(длина 1000 мм, внешний диаметр - 6100 мм, внутренний диаметр - 4550 мм), выделим участок прошедший механическую обработку. Обозначим его как участок 1, а оставшуюся необработанную поверхность соответственно участок 2. Будем считать, что на всем протяжении
участка 1, определяемом (слева на право) по направлению продольной подачи, радиус профиля наружной поверхности меньше исходного на величину глубины резания. Это является причиной изменения пятна контакта вплоть до появления зазора.
Рис. 1. Расчетная модель взаимодействия в процессе обработки бандажа и ролика: 1- модель бандажа; 2 - модель ролика; 3 -нагрузка; 4 - ограничение ролика: цилиндрический шарнир; 5 - ограничение бандажа по торцевой грани; 6 - контакт поверхность-поверхность; 7 - участок 1 (обработанная поверхность); 8 - поверхность участка 2; Ь1 - длина обработки
Для того чтобы учитывать изменение зазора на этом участке под действием на бандаж изгибающей нагрузки, будем варьировать закреплением по его торцевым граням, оставляя неизменным поступательное перемещение в вертикальном направлении (рис.1).
Кроме того, для идентификации зазора в пределах контактной зоны в свойствах контакта «поверхность-поверхность» задаем параметры таким образом, чтобы в диапазоне поиска на участке 2 все зазоры и проникновения были обработаны как соприкосновения [14]. На участке 1 это требование не устанавливаем.
Материал бандажа сталь 30ГСЛ по ГОСТ 977-88 (oT = 343-392 МПа, НВ = 180, сВ = 589-638 МПа), коэффициент Пуассона ц=0,3 и модуль продольной упругости E= 2105 МПа.
Экспериментальные исследования изменения контактной прочности при механической обработке бандажей и роликов на практике не проводились. Сведения о допускаемых для та-
ких условий контактных напряжениях отсутствуют.
Возьмем за основу допускаемые контактные напряжения в диапазоне [сн] = 830-1030 МПа, которые применяют при проектировании цементных вращающихся печей (как цилиндров, перекатывающихся без смазочного материала) [15]. Выясним, какое из этих значений можно использовать как предельное контактное напряжение для рассматриваемых условий при сохранении достоверности выводов.
Для этого оценим пластические деформации при контактном напряжении равном допускаемому. Опасная точка испытывает объемное напряженное состояние близкое к равномерному сжатию и расположена в глубине поверхностного слоя материала бандажа.
Наибольшие касательные напряжения при контактных напряжениях отах из рассматриваемого диапазона:
W, = 0,31- о™*, = 0,31 • 830 = 257 МПа, w?. = 0,31- о"™*? = 0,31 • 1030 = 319 МПа.
Предел текучести по касательным напряжениям (по третьей гипотезе прочности): гт = От/2 = 392/2= 196 МПа. Поскольку гтах1 и гтах2 превышают значение предела текучести гт, то при таких значениях
контактных напряжений неизбежны пластические деформации, особенно в глубине поверхностного слоя, которые могут быть допущены только при действии в процессе обработки не продолжительной нагрузки близкой к статической. Поэтому при анализе напряженного состо-
вниз и равна F= 4 МН. В качестве решателя используем Nx Nastran.
Результаты расчетов демонстрируют, что в исходном положении (до обработки, см. строку Lt=0 в табл. 1) контактные напряжения cHi лишь на краях пятна контакта увеличиваются до максимального напряжения 347 МПа, а в остальной его части изменяются незначительно.
Таблица 1
Изменение максимальных контактных напряжений (МПа) в точках пятна контакта при различном пути Lt резания с глубиной 0,4 мм
яния внутри пятна контакта в качестве ограничения сверху контактных напряжений принимаем [сн] = 830 МПа.
Считаем, что нагрузка от корпуса ТБ действует на внутреннюю поверхность бандажа, равномерно распределяется по внутренней поверхности сегмента, направлена вертикально
Lt, мм Расстояния от начала пути резания (слева направо), мм
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 950 1000
0 336 340 312 314 312 314 315 309 321 342 342 347
100 0 0/433 396 381 359 342 337 337 339 339 369 388
200 0 0 0/498 475 396 382 371 375 373 361 413 404
300 0 0 0 0/566 564 482 431 424 423 413 455 482
400 0 0 0 0 0/610 604 525 481 473 495 497 551
500 18 15 10 5 0 0/686 686 650 585 551 570 606
600 74 77 74 64 35 15 5/798 723 700 702 644 740
700 113 127 132 116 107 100 82 79/806 766 759 627 629
800 166 183 195 176 168 173 150 83 35/871 814 789 817
900 213 235 245 226 228 233 221 214 123 1/954 1033 1117
Примечание: дробные значения в конце каждого пути резания связаны со скачкообразным изменением контактных напряжений. Первое значение соответствует напряжениям на участке 1, а второе на участке 2.
С началом обработки эта картина меняется (табл. 1). При глубине резания ¿=0,1 мм в начале обработки (при ¿^100 мм) контактные напряжения на участке 1 составляют только 27% от исходных сщ. Это говорит о том, что в результате резания между поверхностями контакта появляется зазор, который компенсируется упругой деформацией бандажа. С увеличением пути резания она увеличивается, и напряжения возрастают, но никогда не возвращаются к исходным сш. При ¿=0,2 мм эта тенденция сохраняется (при ¿^100 мм напряжения 6% от сн) и зазоры отсутствуют.
На участке 2 при завершении прохода в конце пути резания контактные напряжения всегда превышают допускаемые [сн]. Например, при ^ =0,06 мм и ¿^980 мм максимальные контактные напряжения в зоне контакта сн=1211 МПа>[сн]=830 МПа.
Так же установлено, что при обработке с глубиной резания больше 0,2 мм существует такой путь резания ¿ю , при котором зазор присутствует на всем протяжении участка 1. Если для ¿=0,3 мм это расстояние ¿ю=200 мм, а для
¿=0,4 мм уже ¿ю=400 мм (табл. 1), то при ¿ от 1 мм до 1,2 мм оно достигает ¿ю=800 мм.
Начиная от глубины резания ¿=1,3 мм, зазор сохраняется на всем пути резания. При этом контактные напряжения на участке 2 уже не зависят от глубины резания и по отношению к исходным напряжениям сн в зависимости от пути резания изменяются всегда одинаково (табл. 2).
Таким образом, с увеличением пути резания на участке 2 возникает опасный для контактной прочности многократный рост напряжений. С другой стороны такая тенденция доказывает то, что на участке 2 осуществляется перманентное базирование бандажа по поверхности ролика и, следовательно, при механической обработке сохраняется номинальное центрирование оси вращения корпуса ТБ.
Поэтому для предупреждения повреждений поверхностей качения следует выполнять, по меньшей мере, два условия: 1) проводить обработку с малой глубиной резания (меньше 1 мм), 2) для завершения каждого пути резания выбирать такой способ обработки, который обеспечивает сохранение контактной прочности поверхности качения, как бандажа, так и ролика.
Таблица 2
Отношение максимальных и исходных контактных напряжений в точках пятна контакта для глубин резания больше 1,2 мм при различном пути Ц резания
Ьь мм Расстояния от начала пути резания (слева направо), мм
100 200 300 400 500 600 700 800 900 950 1000
100 1,28 1,28 1,22 1,15 1,08 1,07 1,09 1,05 1 1,08 1,12
200 0 1,62 1,52 1,26 1,22 1,18 1,21 1,16 1,06 1,20 1,17
300 0 0 1,65 1,83 1,59 1,29 1,39 1,32 1,21 1,33 1,39
400 0 0 0 1,91 1,92 1,82 1,69 1,53 1,45 1,44 1,63
500 0 0 0 0 2,16 2,19 2,09 1,83 1,61 1,68 1,75
600 0 0 0 0 0 2,53 2,41 2,36 2,18 1,96 2,20
700 0 0 0 0 0 0 2,88 2,69 2,41 1,98 1,93
800 0 0 0 0 0 0 0 3,48 3,00 2,98 3,17
900 0 0 0 0 0 0 0 0 4,13 4,82 5,43
Для выполнения второго условия следует сначала (независимо от глубины резания ¿) выбрать такой максимальный путь резания Ьх чтобы контактные напряжения на участке 2 не превышали допускаемые. Тогда этот оставшийся
участок можно будет обработать врезным шлифованием (без увеличения при этом контактных напряжений), если согласовать его длину с шириной абразивного инструмента
Рис. 2. Моделирование контакта бандажа с роликом в конце рабочего хода: модели бандажа и ролика соответственно 1 и 2; АВ и ВС - длины участков соответственно 1 и 2
При этом следует учитывать то, что в конце односторонней обработки (когда направление продольной подачи не изменяется на протяжении всего прохода) с уменьшением длины участка 2 увеличивается тенденция к повороту бандажа в вертикальной плоскости продольного сечения корпуса ТБ (рис. 2).
Допуская, при ¿=0,1 мм и £=980 мм, возможность поворота бандажа (ввиду малости таких перемещений) найдем изменение при этом контактных напряжений. Преобразуем расчетную модель (рис. 2): 1) на уровне сборки синтезируем новое положение, таким образом, чтобы сопряжение сборки «касание» находилось в точках А и В; 2) назначаем закрепление по горизонтали только для внутренней поверхности сегмента.
Тогда по результатам расчетов получаем, что контактное напряжение в т. А увеличилось с Рис. 3. Карта контактных напряжений при
282 МПа до 393 МПа, а на участке 2 (отрезок ВС двухсторонней (длина участков 450 мм) обработке на рис. 2) уменьшилось с 1397 МПа только до бандажа (длина 1000 мм) с глубиной резания 0,1 мм 1162 МПа, по-прежнему превышая допускаемое. Если завершать обработку по середине ши-
рины бандажа (рис. 3) тогда ценой уменьшения производительности (вследствие прерывистой
двусторонней продольной подачи) можно на участке 2 уменьшить контактные напряжения (табл. 3), исключить возникновение кромочных повреждений и сохранить центрирование оси корпуса ТБ. При обработке этого участка шлифованием контактные напряжения на нем будут уменьшаться (а на соседних участках увеличиваться) в последовательности обратной их изменению при увеличении глубины резания (см. табл. 3).
В некоторых случаях при эксплуатации ТБ образующие бандажа и опорного ролика располагаются под углом друг к другу [13]. Это несколько уменьшает контактные напряжения в конце прохода на участке 2. Например, при повороте в расчетной модели оси вращения опор-
Таблица 3
Изменение максимальных контактных напряжений (МПа) в точках пятна контакта при различной глубине резания и двухсторонней обработке с длиной завершающего участка
100 мм
ного ролика вокруг точки расположенной на середине длины бандажа на угол у = 2° контактные напряжения уменьшаются с 1397 МПа до 1223 МПа, что все-таки недостаточно для сохранения контактной прочности.
Следует отметить, что рассмотренные варианты напряженного состояния в поверхностном слое площадок качения в первую очередь опасны для материала опорного ролика. Это связано с тем, что испытавшие перегрузку точки поверхностного слоя бандажа при следующем проходе удаляются, а материал поверхности ролика многократно (вплоть до окончания обработки) подвергается перегрузке.
t, мм Расстояния от начала пути резания (левого торца бандажа), мм
0 100 200 300 400 450 550 600 700 800 900 1000
0 336 340 312 314 312 314 314 315 309 321 342 347
0,1 116 127 117 90 2 353 353 21 147 132 138 138
0,3 97 98 95 109 68 585 585 68 109 97 109 110
0,5 67 70 69 66 42 816 816 44 71 64 80 82
0,7 45 43 39 25 17 1041 1041 18 28 32 49 52
1 0 0 0 0 0 1285 1285 0 0 0 0 0
1,2 0 0 0 0 0 1285 1285 0 0 0 0 0
Кроме того, зазоры, возникающие при обработке, изменяют контакт бандажа с базовой поверхностью опорного ролика, что в зависимости от конструкции и расположения переносных станков может влиять на формообразование.
Таким образом, из всех рассмотренных способов восстановительной неуправляемой обработки бандажа с точки зрения сохранения базирования и контактной прочности поверхностей бандажа и ролика целесообразна обработка с центральным завершающим участком.
Выводы. Из исследования процесса восстановительной обработки бандажей следует:
1. Механическая обработка бандажа переносными станками вызывает контактную перегрузку поверхностей бандажа и ролика. В конце каждого прохода независимо от глубины резания контактные напряжения превышают допускаемые.
2. При односторонней обработке в конце пути резания поворот бандажа в пределах зазора нарушает центрирование корпуса ТБ и вызывает деформации обечайки.
3. Для сохранения контактной прочности поверхностей качения бандажа и ролика необходимо завершать каждый проход врезным шлифованием заключительного участка. При этом для исключения перегрузки обечайки бу-
дет лучше, если его выполнить по середине длины бандажа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ООО «ЦемСервис» [Электронный ресурс]. URL: http://xn--b1afanrzfe1b.xn--p1ai/uslugi.html (20.03.2017).
2. ООО «МосХимЦемСервис» технологическое обслуживание и восстановление промышленного оборудования [Электронный ресурс]. URL: http://moshimtsemservis.ru/index.php?option=com_ content&view=article&id= 1:o-kmpanii&catid=2 (20.03.2017).
3. Ozek Makina [Электронный ресурс]. URL: http://www.rotarykiln.net/ (20.03.2017).
4. Phillips Kiln Services [Электронный ресурс]. URL: http://www .pkse.co.uk/service s/resurfacing .php (20.03.2017).
5. Дуганов В. Я. Определение передаточных отношений и коэффициента исправления формы деформированного кольца цементных печей при его бесцентровой обработке//Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. № 9. С. 47-51.
6. Бондаренко Ю.А., Федоренко М.А., Погонин А.А. Определение возможности обработки крупногабаритных деталей на приставных станках//СТИН. 2005. № 7. С. 37-38.
7. Дуюн Т.А., Гринек А.В., Сахаров Д.В. Моделирование и оптимизация технологических процессов изготовления изделий с использованием метода динамического программирования // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. №3. С. 61-65.
8. Захаров О.В. Моделирование образования погрешностей формы заготовок при бесцентровом суперфинишировании // Автоматизация и современные технологии. 2010. № 11. С. 11-15.
9. Колобов А. В. Технологическое обеспечение условий контакта при сборке и эксплуатации опор технологических барабанов : Автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород, 2009. 20 с.
10.Маслова И.В., Блудов А.Н. Обоснование использования управляемого процесса при восстановлении формы крупногабаритного тела вращения, не имеющего стационарную ось вращения// Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №3. С. 7679.
11.Погонин А.А., Бондаренко В.Н., Санин С.Н., Схиртладзе А.Г. Ремонтно-
восстановительная обработка поверхностей катания опорных узлов цементных печей мобильными станками // Ремонт, восстановление, модернизация. 2005. №1. С. 1316.
12.Гончаров М.С., Хуртасенко А.В., Шруб-ченко И.В. Компьютерное моделирование контакта бандажа и ролика / Сб. докл. Междунар. научно-практической конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова «Наукоемкие технологии и инновации» (XXI научные чтения) // Белгор. гос. Технол. ун-т. (Белгород, 9-10 октября 2014г.), Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. С.216-222.
13.Шрубченко И.В., Хуртасенко А.В., Гончаров М.С. Контактные проявления погрешности формы и расположения в технологических барабанах // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 81-85.
14.Гончаров П.С., Артамонов И. А., Халитов Т. Ф., Денисихин С. В., Сотник Д. Е. NX Advanced Simulation. Инженерный анализ. М.: ДМК Пресс, 2012. 504с.
15.Лоскутов Ю. А. Максимов В.М., Весе-ловский В.В. Механическое оборудование предприятий по производству вяжущих строительных материалов: Учебник. М: Машиностроение, 1986. 376 с.
Shrubchenko I.V., Hurtasenko A.V., Goncharov M.S. CONTACT MANIFESTATIONS OF THE CUTTING PROCESS AT RESTORATIVE TREATMENT OF BANDAGES TECHNOLOGICAL DRUM Considered the contact interaction support roller and bandage technological drum. Compiled calculation models are made that allow investigating the influence of the processing process on the contact spot. Analyzed the change in contact stresses for a different path and depth of cutting. Identified conditions emergence clearances. Proposed technological ways that ensure the preservation of the contact strength of the working surfaces of the bandage and roller during the processing. The calculations are performed in the environment of NX Advanced Simulation Advanced Simulation (Siemens PLM Software Inc.).
Key words: mobile technologies, technological drums, bandages, support rollers, contact strength, contact spot.
Шрубченко Иван Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46
Хуртасенко Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46
Гончаров Михаил Сергеевич, аспирант кафедры технологии машиностроения Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: msgon@ya.ru
