CC BY
21А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, Н.Н. Сиротин -М.: Наука, 2007. - 469с.
7. Ханмамедов С.А., Слободянюк Д. И. Совершенствование методов идентификации технического состояния поршневых колец судовых МОД. // Судовые энергетические установки: сб. науч. тр. -2011. - № 27. - Одесса: ОНМА. - С. 112-122.
8. Слободянюк Д. И., Ханмамедов С. А. Экспериментальные изотермы расклинивающего давления в пленках цилиндрового масла и их применение для повышения надежности судового дизеля. //На-уково-виробничий журнал Проблеми техшки №2.2011.-С. 136-148.
9. Ханмамедов С.А., Слободянюк Д.И., Го-рюк А.А., Шакун К.С. Изотермы расклинивающего давления в структурированной пленке цилиндрового масла судового дизеля. //Науково-виробничий
журнал Проблеми техшки -№1.-Одеса: 2011. -С: 90-102
10. Slobodianiuk D.I. Experimental study of the disjoining pressure in the cylinder oil films on marine diesel engine piston rings. / Slobodianiuk D.I., Slobodianiuk I.M., Kolegaev M.A. // Journal of Polish CIMAC, Gdansk. 2013. Vol.8, No.1. St. 81-89.
11. Слободянюк Д. И. Совершенствование методики идентификации состояния поршневых колец МОД на основе экспериментального исследования частоты акустического сигнала / Д. И. Слободянюк // Проблеми техшки. - 2012. - № 3. - С. 68-75.
12. Слободянюк Д. И. Диагностическая модель работоспособности поршневого кольца судового двигателя при реализации анизотропных свойств смазывающих материалов / Д. И. Слободянюк // Судовые энергетические установки: науч. -техн. сб. / ОНМА. - Одесса, 2013. - № 31. - С. 67-75.
ВИБРООБРАБОТКА ДЕТАЛИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. СНЯТИЕ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Утябаев Д.М.
аспирант
Башкирский государственный университет г. Уфа, Республика Башкортостан, Россия
THE VIBRATING PROCESSING OF DETAILS OF INDUCTION MOTORS. REMOVAL OF RESIDUAL STRESS
Utyabaev D.M.
graduate student Bashkir state University Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia
АННОТАЦИЯ
В данной статье описаны основные способы низкочастотной виброобработки деталей асинхронных двигателях, которые позволяют значительно снизить уровень остаточных напряжений, а также в некоторых случаях позволяют и вовсе отказаться от классической термической обработки. В статье также приведены результаты проведенного исследования, которое доказывает эффективность метода за счет изучения распределения полей остаточных напряжений в различных деталях как до применения виброобработки, так и после ее применения.
ABSTRACT
This article describes the basic methods of low-frequency vibrating processing of details of induction motors, which can significantly reduce the level of residual stresses, and in some cases allow to completely abandon the classical heat treatment. The article also shows the results of the study, which proves the effectiveness of the method by examining the distribution of residual stresses in various details as to the application of the vibrating processing, and after its application.
Ключевые слова: двигатель, виброобработка, остаточное напряжение, технология обработки
Keywords: engine, vibrating processing, residual stress, machining technology
Не секрет, что большинство деталей и механических узлов эксплуатируются в довольно сложных условиях, так называемого, напряженно-деформированного состояния, а также находятся под постоянным воздействием различных природных и технологических факторов, вызывающих необратимые физико-химические изменения в самом материале металлического изделия, что конечно
значительно снижает эксплуатационную надежность детали.
Данное обстоятельство особенно актуально для традиционного применяемого асинхронного электродвигателя кранового электропривода. Стоит отметить, что такие электродвигатели существенно отличаются от двигателей общепромышленного исполнения, как по геометрии магнитопро-
вода, так и по конструктивному исполнению, степени использования электротехнических материалов, а также по выявленным электромеханическим характеристикам [1].
Режим работы таких электродвигателей характеризуется широким изменением нагрузок, частыми пусками и торможениями, широким диапазоном изменения скорости ниже и выше номинальной (в электроприводах постоянного тока и частотно-регулируемых электроприводах).
Крановые двигатели рассчитаны для работы в повторно-кратковременном режиме, который характеризуется продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40 и 60% при продолжительности цикла не более 10 мин. Основным номинальным режимом крановых двигателей переменного тока является ПВ=40%.
Не стоит говорить о том, что из-за высоких эксплуатационных требований в постоянно присутствующих переходных процессах пуска и торможения и для снижения расхода энергии, подобные двигатели конструируются с учетом того, что момент инерции ротора должен быть минимальным. Этого можно достичь за счет уменьшения высоты оси вращения при заданной мощности двигателя.
Электродвигатели имеют повышенный запас прочности механических узлов и деталей по сравнению с аналогичными техническими устройствами общепромышленного назначения. Крепление пакета ротора на валу всегда производится при помощи шпонки.
Из всех типов электродвигателей именно асин-хнонные с фазным ротором традиционно используются в крановых электроприводах, где процесс регулирование скоростного режима работы и момента в электроприводах производится включением в цепь ротора пускорегулирующих резисторов. Для получения пониженных (посадочных) скоростей опускания груза применяется режим противовключения или различные специальные схемы включения (например - динамического торможения самовозбуждением).
Существуют также модификации крановых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (при мощности до 30 кВт) для применения в электроприводах, имеющих, как правило, низкие номинальные скорости и не требующие их регулирования. Кроме того, существуют модификации крановых электродвигателей в двух и трехскорост-ном исполнении.
Все эти двигатели рассчитаны на питание от промышленной сети стандартного напряжения 220/ 380 В при частоте 50 Гц. Хотя это не означает, что они не могут работать в составе частотно- регулируемых электроприводов, тем не менее, в последнее время разрабатываются специальные серии асинхронных двигателей, в том числе и крановых, оптимизированные для работы в системах частотного регулирования.
Суммарные напряжения от рабочих нагрузок и остаточные технологические в условиях воздействия коррозийно-активных сред могут повышать скорость общей коррозии и вызывать наиболее
опасные виды разрушения - коррозионное растрескивание под напряжением и коррозийную усталость. Стоит сказать о том, что практически 70 % аварийных отказов асинхронных двигателей России вызваны коррозионным растрескиванием под напряжением [3, с.2].
Как свидетельствуют данные Международной ассоциации инженеров - коррозиционистов NACE: «ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней в США составили 3,1 % от ВВП (276 млрд дол. США)». По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя двигателей, металлических изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали [4].
Таким образом, в результате исследования данной проблемы было выяснено, что для предотвращения подобного рода отказов асинхронных двигателей важным является оценка уровня остаточных напряжений и разработка технологических методов их своевременного устранения или даже предотвращения.
Для каждого металла и сплава существуют предельные (критические) напряжения, а также ряд других параметров, которые определяют стойкость материала к коррозии. Проблема возникновения остаточных механических напряжений в металле известна достаточно продолжительное время и возникает на каждой стадии изготовления деталей.
Исследования напряженно-деформированного состояния, например станин асинхронного двигателя [2] показали, что после изготовления в станине имеются большие растягивающие остаточные напряжения, релаксация которых и явление ползучести приводят к значительному изменению первоначальных размеров.
Анализ применяемых в настоящее время методов снижения остаточных напряжений позволил выбрать за основу метод вибрационной обработки как наиболее экономичный и эффективный.
Условием снижения остаточных напряжений при виброобработке являются [2]:
с Е =с max + сост >с пц , (1)
где сХ - суммарное напряжение цикла нагру-жения;
cmax - максимальное напряжение цикла переменной внешней нагрузки;
сост - величина остаточных напряжений; спц - предел пропорциональности при циклическом нагружении.
Поскольку величина сост в станинах близки к пределу пропорциональности [2], то, как следует из (1), для снижения остаточных напряжений требуется сравнительно небольшая величина максимальной внешней переменной нагрузки Cmax, а, следовательно, и сравнительно незначительные энергозатраты.
При разработке метода снижения остаточных напряжений основными задачами являлись:
1) выполнение операции с минимальной себестоимостью;
2) выбор режимов виброобработки, обеспечивающих наименьшее изменение размеров деталей во времени, а также повышение коррозионной стойкости и усталостной прочности корпусных деталей с целью повышения надежности асинхронного двигателя.
Довольно часто именно способ виброобработки применяют, поскольку данный способ значительно экономичнее остальных примерно в 10 раз, а также имеется ряд неоспоримых преимуществ, среди которых [4]:
1. Технические устройства, необходимые для осуществления процесса виброобработки является универсальным для различных деталей, компактным и мобильным.
2. Стоимость используемого для виброобработки оборудования, а также затраты на его обслуживание относительно невелики.
3. Процесс снятия напряжений в деталях асинхронных двигателей осуществляется в самые кратчайшие сроки(например, максимальное время обработки 50 тонной металлоконструкций составляет 30 мин.).
4. Металл и поверхность деталей после обработки не претерпевает заметных физико-механических повреждений (нет окалины, шлака, цветов побежалости и т.п.).
Понижение остаточных напряжений в процессе вибрации достигается в результате сочетания напряжений (вибрационных и остаточных), при определенных значениях которых материал становится пластичным.
Необходимым условием, при котором наблюдается снижение остаточных напряжений, является достижение предела текучести при вибрации сочетанием остаточных и вибрационных напряжений. Предел текучести при циклическом нагружении для некоторых материалов может быть снижен в 2 раза по сравнению с пределом текучести при статическим нагружении, в связи с чем при пульсирующих напряжениях небольшого уровня наблюдается снижение остаточных напряжений. Наибольшее уменьшение остаточных напряжений происходит уже при первом цикле, последующее снижение напряжений происходит менее интенсивно на отрезке до 100 циклов с постепенным затуханием этого процесса при дальнейшем циклическом нагружении.
При проведении работ по снятию остаточных напряжений и изменению напряженно-деформированного состояния требуется обязательных приборных контроль полей остаточных напряжений, картины их распределения в сварных соединениях. Учитывая, что уровень механических напряжений в реальной детали может значительно отличаться даже в двух незначительно удаленных друг от друга точках, важно видеть картину напряженного состояния детали в целом до и после проведения работ. Своевременный контроль позволяет подбирать требуемые режимы и контролировать качество проведенных работ.
Под термином «разрушение» подразумевают несколько разномасштабных явлений. Это и механическое разбиение цельного куска металла на несколько частей, и возникновение, а также дальнейшее распрастранение в пределах одного элемента микроструктуры трещины, а также разрыв атомарных связей с образованием новой поверхности в масштабах кристаллической решетки металла. Разрушение - это факт образования микро- или макротрещины. Для зарождения трещины необходим соответствующий концентратор напряжений.
На сегодняшний день технические возможности позволяют не только замерить остаточную напряженность исследуемой области детали асинхронного двигателя, но еще и визуализировать наличие полей напряженного состояния за счет использования современного устройства «Сканер механических напряжений «Комплекс-2.05», работа которого основана на магнитоанизотропии металла.
Данный прибор позволяет получить картограммы распределения параметров напряженного состояния исследуемой области детали - в основном металле, сварном шве и околошовной зоне - с представлением информации о наличии напряженных состояний в исследуемой зоне. Результаты документируются в виде картограмм разности главных механических напряжений (РГМН) и коэффициентов концентрации механических напряжений (КМН).
Данный метод снятия остаточных механических напряжений постепенно получает все большее распространение в судостроении, машиностроении и энергетической промышленности. В отличие от дорогостоящей термической обработки, которую можно применить не в любой ситуации НВО, не изменяя структуры металла при малых энергозатратах, способна с высокой степенью эффективности снизить остаточные напряжения в деталях.
Остаточные напряжения в металле нередко являются причиной изменения геометрии детали, вызывая «поводку металла». Низкочастотная обработка на резонансных частотах снимает напряжения в металле, возвращая деталь к исходному геометрическому состоянию. Вибростабилизация обрабатываемых деталей позволяет достичь высокой точности при механической обработке. Снимая остаточные напряжения на сборочных секциях, НВО позволяет избежать неточностей при сборке двигателей, что отражается на трудоемкости.
В результате проведенного исследования можно сделать вывод о том, что эффективность применения технологии низкочастотной виброобработки для снятия остаточных механических напряжений на деталях асинхронных двигателей очевидна и вполне заслуживает более широкого и детального исследования на предмет применимости в дальнейшем.
Литература
1. Летуновский А.П., Антонов А.А., Стеклов О.И. Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой // Заготовительные производства в машиностроении. - №8. - 2012 [Электронный ресурс]. URL: http://www.magnitsp.ru/arti-cles/snyatie_ostatochnykh_napryazheniy_nizkochastot noy_vibroobrabotkoy/ (Дата обращения 20.01.2017)
2. Полетаев В. А., Чичерин И. В. Гидровибрационный метод размерной стабилизации станин взрывозащищенных асинхронных двигателей // Вестник КузГТУ. 2010. №2 С.18-22.
3. Расходы на коррозию и превентивные стратегии в США (Corrosion Costs and Preventive Strategies In the United States // NACE - международная ассоциация инженеров-коррозионистов. 2012).
URL: http://www.nace.org/uploadedFiles/News/ccsup p.pdf (Дата обращения 20.01.2017)
4. Соколов Н.С. Особенности работы асинхронных двигателей [Электронный ресурс]. URL: http://www.elec.ru/articles/kranowe-asinkhronnYe-elektrodvigateli/ (Дата обращения 20.01.2017)
