CC BY
3
УДК. 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-455-459
ОЦЕНКА ДИССИПАЦИИ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МАЛОЦИКЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ
Г.В. Селиверстов, А.А. Серегина, А.А. Лебедева
В статье рассмотрена возможность определения напряженно-деформированного состояния по величинам диссипаций в условиях упругих деформаций при малоцикловомнагружении. При изменении температурных полей в нагруженной части металлоконструкции появляется возможность фиксации их значений с помощью тепловизионного оборудования. В свою очередь, это позволяет, не применяя методов тензометрирования, оценить значения действующих нагрузок в ответственных элементах машин.
Ключевые слова: эксплуатация, срок службы, металлоконструкция, дефект, тензометриро-вание, диссипация.
Прочность современных металлоконструкций должна обеспечиваться на стадии проектирования выбором конструкционных материалов подходящих под дальнейшую эксплуатацию машины, а на стадии эксплуатации своевременными контрольными проверками и корректировкой режимов работы[1, 2]. При этом на стадии проектирования, в большинстве случаев,используются конечно-элементные методы моделирования и оценки напряженного состояния металлоконструкции в целом или ее отдельных узлов [3, 4].
Современные системы автоматизированного проектирования позволяют с достаточной точностью определять напряженно-деформированное состояние исследуемого узла или элемента при достаточной квалификации инженерно-технического работника. Таким образом, наличие человеческого фактора существенно влияет на результаты проведенного расчета и, соответственно, выбор материалов и размеры сечений [5, 6]. Если обратиться к опыту использования программ ANSYS, SolidWorks, APM WinMachine, то основным недостатком расчета на прочность конечно-элементных моделей является невозможность учета упругопластических деформаций, что влияет на перераспределение напряжений.
Отметим, что упругопластические деформации в большинстве ответственных металлоконструкций не допускаются, но при стечении неблагоприятных обстоятельств, например: для металлоконструкции грузоподъемных машин динамические нагрузки при подъеме груза в сочетании с ветровой нагрузкой могут приводить к тому, что действующее напряжение в течение рабочего цикла будет превышать предел текучести материала.Таким образом, необходима корректировка данных, полученных расчетным путем, путем оценки действующих напряжений, экспериментальными методами.
К экспериментальным методам можно отнести: тензометрирование, метод делительных сеток и оценку коэрцитивной силы. С точки зрения удобства измерения действующих напряжений коэрцитивная сила является наиболее удобным методом, но наличие внутренних дефектов материала или близость сварных швов приводит к тому, что вкрадывается существенная погрешность и оценка является не совсем корректной. В тоже время, применяемое тензометрирование, является наиболее точным методом оценки, но при этом, и наиболее трудоемким, так как требуется установка тензодатчиков, их калибровка, снятие показаний и обработка полученных результатов. Поэтому данный метод применяется лишь в исключительных случаях и не является массовым [7].
Если обратиться к теории деформации твердого тела, то можно отметить, что при приложении нагрузки к материалу часть энергии расходуется непосредственно на деформацию, а часть выделяется в виде тепла в результате внутреннего трения зерен материала [8].Теоретическая оценка выделяемого тепла является очень трудоемкой задачей, так как деформация материала развивается неравномерно и происходит теплопередача от исследуемого участка по материалу и в атмосферу. Если обратиться к работам [9, 10] выполненным на лабораторных образцах, то можно увидеть, что изменение температуры с ростом деформации происходит неравномерно (рис. 1), что объясняется переходом от упругой области к пластической.
При превышении предела текучести для образцов из малоуглеродистой стали происходит интенсивный рост температуры, в то время как в упругой области температура осциллирует около своего среднего значения. Для низколегированной стали наблюдается рост температуры на обеих стадиях деформации, что позволяет говорить о несколько ином развитии диссипации в данном материале. Недостатком проведенных исследований является невозможность точного определения величин диссипации, так как частично теплопередача происходила в соседние с деформируемой областью части материала. Для более точной оценки изменения температурных полей были проведены испытания на лабораторном образце из малоуглеродистой стали Ст3сп5 в режиме малоциклового нагружения. На разрывной машине Р-20 (рис. 2) моделировалась работа нижнего пояса мостового крана с амплитудой напряжений в 100 МПа.
450
50 0
14,5
-г
15
15,5
-г
16
16,5
т
17
17,5
т
18
18,5
Рис. 1. Изменение температуры при нагружении образца из Ст3сп5
Рис. 2. Испытательная машина Р-20
Скорость нагружения была выбрана равной 10 МПа/с, что соответствует реальной работе мостового крана. Фото испытываемого образца показано на рис. 3.
Рис. 3. Лабораторный образец
В качестве примера, на рис. 4, 5 приведены теплограммы испытываемого образца.
Анализируя полученные данные, видно, что в течение первых четырех циклов нагружения происходит рост температуры до величины 22,9 градуса от первоначальной в 21 градус.
При дальнейшем циклировании видно, что температура исследуемой области образца колеблется относительно среднего значения, успевая остыть до первоначальной величины и нагреваясь вновь при приложении нагрузки. Все это позволяет говорить о том, что при данном значении амплитуды напряжений и выбранной скорости нагружения мы вышли на стационарное значение диссипации и теплопередачи, что дает возможность, в свою очередь, оценить количество теплоты диссипации.
Рис. 5. Теплограмма образца на 20 цикле нагружения
Результаты проведенных исследований отображены в таблице и графически представлены на
рис. 6.
Значения температуры исследуемого образца из Ст3сп5
№ п/п Значение температуры, °С № п/п Значение температуры, °С
1 21 17 22,4
2 21,1 18 22,3
3 21,7 19 22,2
4 22,9 20 23,6
5 22,7 21 22,1
6 21 22 21,8
7 21,7 23 22,4
8 21,6 24 22,1
9 21 25 23,8
10 23,1 26 22,1
11 22,8 27 21
12 23 28 23,3
13 22,4 29 23,2
14 22,1 30 22
15 22,4 31 23,2
16 21,2 32 21
Рис. 6. Изменение температуры при нагружении образца
Для оценки теплопроводности и теплопередачи образца предполагается использовать программный продукт «Логос», который позволит количественно оценить величину диссипации, и тем самым экспериментально определить взаимосвязь между напряжениями и изменениями температурных полей.
Список литературы
1. Диагностирование грузоподъемных машин / В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин и др.: Под ред. В.И. Сероштана, Ю.С. Огаря. М.: Машиностроение, 1992. 192 с.
2. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 623 с.
3. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ.ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.
4. Шнейдерович Р.М. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. 340 с.
5. Вершинский А.В. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций. М.: Машиностроение, 1984. 167 с.
6. Владимиров В.В. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
7. Вояченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1986. 152 с.
8. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
9. Серегина А.А. Метод определения пластических деформаций в зонах концепции напряжений металлоконструкции грузоподъемных машин // Наземные транспортные-технологические комплексы и средства: материалы Международной научно-технической конференции / отв. ред. Ш. М. Мерданов. Тюмень: ТИУ, 2020. С. 218-222.
10. Серегина А.А. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций по изменению тепловых полей // Молодёжный вестник Политехнического института: сб. статей в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. Ч.1. С. 233-237.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент s456789@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Серегина Анна Андреевна, аспирант, seregina.ann-1998@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лебедева Анна Андреевна, магистрант, lebedeva_0411@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EVAL UATION OF THE DISSIPATION OFLOW-CARBON STEELS UNDER LOW-CYCLE LOADING
CONDITIONS
G.V. Seliverstov, A.A. Seregina, A.A. Lebedeva
The article considers the possibility of determining the stress-strain state by the values of dissipation under elastic deformations under low-cycle loading. When temperature fields change in the loaded part of the metal structure, it becomes possible to fix their values using thermal imaging equipment. In turn, this makes it possible, without using strain measurement methods, to estimate the values of the acting loads in the critical elements of the machines.
Key words: operation, service life, metal structure, defect, tensioning, dissipation.
Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, s456789@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Seregina Anna Andreevna, postgraduate, seregina. ann-1998@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lebedeva Anna Andreevna, master, lebedeva_0411@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.746.047:669.054.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-459-463
РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ - КРИСТАЛЛИЗАТОР» МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
ЗАГОТОВОК
В.В. Точилкин, Д.В. Терентьев, В.В. Точилкин, О.А. Филатова
Рассмотрены особенности подготовки к разливке оборудования технологической системы: промежуточный ковш (ПК) - погружной стакан (ПС) - кристаллизатор (К) машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Совершенствование конструкций, обеспечивающих рациональное расположение и четкую фиксацию ПС на ПК относительно оси К, создает условия для повышения качества работы технологической системы, исключает смещение струи стали относительно стенок кристаллизатора. Цель работы: Анализ работы системы ПК - ПС - К в условиях взаимного смещения осей оборудования и развитие конструкций для подготовки оборудования системы перед разливкой.
Ключевые слова: машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), промежуточный ковш (ПК), кристаллизатор (К), математическое моделирование, огнеупорные конструкции.
При разливке наиболее ответственных сталей на сортовых машинах непрерывного литья заготовок технологический процесс - разливка жидкого металла из промежуточного ковша (ПК) в кристаллизатор (К), осуществляется закрытой струей, с использованием защитного погружного стакана [1]. Комплект основного технологического оборудования, обеспечивающего поток жидкой стали из ПК в К через погружной стакан (ПС), закрытой струёй, а также основные размеры технологической системы сортовой МНЛЗ для получения непрерывно-литой заготовки представлены на рис. 1.
Для установки ПС используется манипулятор 3. При использовании многоручьевых промежуточных ковшей возникает необходимость обеспечивать рациональную установку оборудования ПК и кристаллизаторов друг относительно друга, с учетом расположения на машине [2]. Погружной стакан устанавливается на элементах промежуточного ковша. В начальный период работы машины ПС входит в жидкий металл на заданную глубину (hc). Особенность работы ПС: стакан остается неподвижным на ковшевом стакане ПК, а кристаллизатор совершает возвратно-поступательные движения относительно ПС и струи жидкого металла. Определяющим при работе кристаллизатора является совпадение или минимальные отклонения осей струи стали из ПС и К. Самым неблагоприятным вариантом установки ПС относительно К является угловое смещение осей ПС и К - а (см. рис. 1).
Отмеченные угловые смещения влияют на характер процесса литья металла в кристаллизатор и параметры получаемого металла, а также определяют брак и возможное возникновение аварийных ситуаций [3].
Конструкции системы ПК - ПС - К должны обеспечивать рациональную схему подачи жидкого металла через погружной стакан в кристаллизатор. Поведение потоков металла в верхней части кристаллизатора, поступающего из промежуточного ковша через погружной стакан, определяет создание корочки металла вдоль стенок гильзы кристаллизатора на начальном этапе формирования заготовки [4].
В процессе установки погружного стакана 4 относительно оси кристаллизатора 5 возникают угловые смещения между осями данных конструкций (съ). Допустимая величина (ad) должна соответствовать технологическими требованиями (а < ad).
При оценке угловых смещений осей а необходимо отметить основные положения, определяющие рациональную установку конструкций системы ПК - ПС - К на МНЛЗ. Это расположение: 1. Конструкторских и технологических баз оборудования ПК, определяющих положение ковшевого стакана 2 (см. рис. 1), при его фиксации в процессе подготовки ПК перед разливкой. Это определяет положение оси струи жидкой стали, движущейся из ПК, относительно дна ковша в горизонтальной (YiOXi) и вертикальной (YiOZi) плоскостях. 2. Элементов конструкции ковшевого стакана: наружных поверхностей, сопрягаемых с конструкциями ПК; поверхности, стыкуемой с опорной поверхностью ПС. 3. Базовых поверхностей конструкции погружного стакана и его проходного отверстия (поз. 4, см. рис. 1). 4. Оборудования манипуляторов (поз. 3, см. рис. 1), обеспечивающих фиксацию ПС: металлоконструкций; схватов манипуляторов и промышленных роботов, обеспечивающих непосредственный захват погружного стакана на ПК относительно кристаллизатора. 5. Конструкций самого кристаллизатора и их расположение на МНЛЗ относительно вертикальной оси ПС. 6. Конструкций, обеспечивающих работу МНЛЗ: металлоконструкций; опорных путей для тележки промежуточного ковша.
