ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ім. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Хромов Ілля Володимирович

УДК 621.7 + 677.71.027

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ТА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ЯКІСНИХ КАНАТІВ СПІРАЛЬНОЇ КОНСТРУКЦІЇ

Спеціальність 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському національному технічному

університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Бохонський Олександр Іванович, Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Севастополь, професор кафедри технічної механіки та машинознавства.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор Должанський Анатолій Михайлович, Національна металургійна академія Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідуючий кафедрою якості, стандартизаціїї та сертифікації;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Приходько Ігор Юрійович, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ, завідуючий відділом проблем прокатки листа.

Провідна

установа : | Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра обробки металів тиском, м. Донецьк.

Захист відбудеться “ 18 ” березня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України за адресою: 40050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України.

Автореферат розісланий “_16 ” лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Існуючі нині виробничі потужності канатних заводів здатні забезпечити Україні одне з провідних місць на ринку збуту стальних канатів, кабелів та металокорду. Однак для цього необхідно різко розширити номенклатуру виробів, що випускаються, і підвищити їх якість.

Актуальність теми. Одним з важливих видів метизного виробництва є стальні канати спіральної конструкції, які застосовуються в різних вузлах дистанційного керування механічних систем. Основний показник якості таких канатів – рівноважність – характеризується кутом пружної открутки готового виробу. Цей параметр визначається внутрішніми (агрегатними) зусиллями і є наслідком залишкових напруг, що виникають у дротах і канаті в результаті складних пружнопластичних деформацій під час руху через технологічні пристрої звиваючого агрегату (преформатор, обтискні плашки, пристрої для знакоперемінного навантаження – торсіонний пристрій, рихтувач).

Діюче на вітчизняних заводах обладнання і існуючі нормативні документи на вибір технологічних режимів процесу звивання не можуть забезпечити виконання зростаючих вимог до якості спіральних канатів, насамперед – по їх рівноважності. На практиці цей параметр може змінюватися в широкому діапазоні, на порядок і більш перевищувати припустимі значення, що приводить до підвищення частки бракованої продукції. Емпіричне визначення раціональних параметрів силової обробки є досить витратним заходом, а відомі теоретичні дослідження і математичні моделі зазначеного процесу малоефективні, оскільки не дозволяють одержати достовірні дані для наукового обґрунтування та створення технології виробництва спіральних канатів з гарантованими показниками якості. Тому дослідження, які спрямовані на удосконалення методів розрахунку технологічних параметрів і підвищення ефективності обладнання для виробництва спіральних канатів, є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дана робота пов’язана з дослідженнями, виконаними кафедрою технічної механіки і машинознавства СевНТУ за напрямком “Розробка конкурентноздатних технологій, обладнання і засобів контролю якості у виробництві стальних канатів” відповідно до планів НДР СевНТУ, ВАТ “Сілур” (Харцизький сталедротово-канатний завод) і ВАТ “ВСДКЗ” (м. Волгоград, Росія) на 2001-2003 рр.: г/д № 1535 (ДР № 0101U001234), г/д № 1536 (ДР № U001235).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток наукових основ для проектування і розробка перспективних напрямків удосконалення технології та обладнання по виготовленню спіральних канатів із забезпеченням заданих вимог з рівноважності.

Відповідно до зазначеної мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Розвиток методів аналізу напруженого стану круглого стального дроту у місцях нелінійної пружнопластичної деформації при спільному впливі подовжньої сили, крутного та згинаючого моментів.

2. Дослідження закономірностей і умов взаємодії дротів та канату з робочими органами технологічних вузлів канатозвивальної машини.

3. Розробка уточненої математичної моделі процесу звивання, а також прикладної програми для комп’ютерного розрахунку залишкових напруг, агрегатних зусиль і параметра рівноважності стальних канатів.

4. Дослідження впливу нестаціонарних технологічних факторів на рівноважність спіральних канатів.

5. Розробка і впровадження рекомендацій по удосконаленню технології й оснащення для виробництва канатів спіральної конструкції, що відповідають сучасним вимогам по рівноважності.

Об’єкт дослідження – технологічний процес виготовлення стальних канатів.

Предмет дослідження – закономірності і технологічні параметри режимів силової обробки при формоутворенні стальних канатів спіральної конструкції із застосуванням методів нейтралізації технологічних напруг.

Методи дослідження засновані на фундаментальних поняттях і закономірностях теорії обробки тиском, а також механіки пружнопластичного середовища. У прикладних розрахунках і програмах використані чисельні методи і сучасні технології комп’ютерної обробки даних. Перевірка адекватності створених математичних моделей виконувалася на основі експериментів і статистичної обробки результатів. Механічні властивості канатного дроту визначалися на розривних машинах, що пройшли держперевірку.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в наступному:

1. Уперше визначені розрахунковим шляхом і перевірені експериментально залежності показника рівноважності спіральних канатів від зміни механічних властивостей дроту, геометричних характеристик каната і параметрів настроювання силового деформуючого обладнання. Раніше зазначені залежності відомі не були. Вони дозволили обґрунтувати рекомендації по вибору припустимих відхилень досліджуваних факторів і раціональної схеми технологічного процесу звивання канатів.

2. Набуло подальший розвиток теоретичне визначення закономірностей взаємного впливу подовжньої сили, крутного та згинаючого моментів на пружнопластичні деформації і розподіл напруг у процесі руху дротів каната через технологічні пристрої звиваючого агрегату. Розробка відрізняється урахуванням зміцнення матеріалу і раціональною розбивкою поперечного перерізу дроту на елементарні площадки, що дозволило підвищити точність розрахунків на (10..20)%.

3. Удосконалено метод чисельного рішення системи диференціальних рівнянь пластичної течії Прандтля-Рейса стосовно до стального дроту. Відмінність розробки полягає в тому, що прирощення шуканої функції напруг на кроці інтегрування визначається не по дотичній до графіка цієї функції, а по дузі окружності в координатах дотичні-нормальні напруги. Використання цього методу у випадку нелінійної траєкторії деформування матеріалу дроту дозволяє (без введення ітераційної процедури) при раціональному кроці інтегрування підвищити точність рішення втричі.

4. Найдені нові теоретичні залежності для розрахунку сили витяжки дроту з преформатора і додаткових деформацій каната в зоні обтискних плашок. Аналіз сили витяжки уперше виконано з урахуванням внутрішнього згинаючого моменту, що змінюється по довжині дроту. Формули для деформацій каната в обтискних плашках раніше відомі не були. Використання цих залежностей у сукупності з удосконаленим методом аналізу напруженого стану дроту дозволили розробити нову, більш точну математичну модель процесу виготовлення спіральних канатів.

Практичне значення одержаних результатів. Створено оригінальну прикладну програму для розрахунку напружено-деформованого стану і залишкових агрегатних зусиль у багатодротових кручених виробах, за допомогою якої за замовленням ВАТ “Сілур” (Харцизький сталедротово-канатний завод) вперше досліджено вплив механічних властивостей дроту, геометричної структури канату, параметрів настроювання технологічних пристроїв на рівноважність спіральних канатів.

Розроблені рекомендації з настроювання діючого звиваючого обладнання і нові зразки техоснащення (голчастий преформатор, модульний рихтувач, каретка з вбудованим регулятором натягу) були впроваджені в канатному цеху ВАТ “Сілур” на сигарній машині SR-6/160 (акт від 5 травня 2003 р.). Виконані дослідження відкривають нові можливості для розвитку серійного виробництва тонких спіральних канатів, які відповідають вимогам по рівноважності, що зросли. Матеріали дисертаційної роботи можуть використовуватися також для проектування технологічних процесів виготовлення інших метизних виробів – кабелів, металокорду.

Особистий внесок здобувача. Усі принципові теоретичні й експериментальні результати, що отримані в дисертації, базуються на розробках і дослідженнях, виконаних автором. У процесі виконання роботи автор проводив теоретичні й експериментальні дослідження, аналіз і обробку результатів. Публікації відображають результати досліджень, виконаних особисто автором. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи і результати досліджень доповідались і обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції “Моделювання та дослідження складних систем” (м. Севастополь, 2001 р.), 2-й і 3-й Всеукраїнських наукових конференціях “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2002, 2003 рр.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми міцності і довговічності стальних канатів” м. Одеса, 2003р.), на науково-методичних семінарах – кафедри технічної механіки та машинознавства СевНТУ, Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (м. Харків), Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 6 статтях у фахових виданнях, додатково освітлені в 2 статтях і одному повідомленні в збірнику, опублікованому за матеріалами конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 125 сторінок, з них 60 ілюстрацій і 2 таблиці; 4 додатки на 9 сторінках, список використаних джерел з 73 найменувань на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, визначені мета і задачі, освітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, зазначений особистий внесок здобувача, викладені результати апробації, приведені структура й обсяг роботи, основні положення, що захищаються автором.

У першому розділі виконано аналіз сучасного стану технології виготовлення канатів спіральної конструкції. Розглянуто етапи технологічної деформації і зміни напруженого стану дротів у процесі звивання канату. Загальна схема реалізації процесу виготовлення каната на сигарній машині зображена на рис. 1. Вона включає наступні основні технологічні елементи: живильні котушки 1, змонтовані на нерухомих каретках усередині ротора 2, що обертається зі швидкістю nр; преформатор 3; обтискні плашки 4; торсіонний пристрій 5, що обертається зі швидкістю nт (на рисунку показаний позитивний напрямок обертання); установлені на нерухомій підставці рихтувач 6 і приймально-витяжний механізм 7.

Рис. 1. Схема реалізації процесу виготовлення каната

Усі зазначені технологічні елементи машини, що звиває, у тому або іншому ступені впливають на величину залишкових внутрішніх зусиль і рівноважність готового канату (кут пружної открутки ?ц, вимірюваний на заданій довжині канату). Тому для проведення ефективних робіт з удосконалення технології виробництва якісних канатів необхідні достовірні відомості про закономірності зміни напружено-деформованого стану дротів і каната під впливом робочих органів технологічних будов звивальної машини.

Дослідженням напруг у пружній стадії навантаження, що виникають при експлуатації стальних канатів, займалися Житков Д.Г., Нестеров П.П., Глушко М.Ф., Маліновський В.О. та інші. У найбільш ранніх роботах по теорії проектування процесу звивання передбачалося, що елементи каната випробують одноосьовий напружений стан. У такій постановці Нестеров П.П., Дородних Б.І., Сухинін В.І., Чаругін В.Н., Козлов В.Т., Кіршанков О.Т. і інші вирішували технологічні задачі з розрахунку режимів витяжки і попередньої деформації канатів. Для аналізу процесів з урахуванням плоского напруженого стану матеріалу дроту і лінійної траєкторії деформування використовувалася деформаційна теорія пластичності. Наприклад, в роботах Козлова В.Т., Козового С.І., Полякова М.Г., Гимазетдинова Р.Ф. на основі цієї теорії досліджується технологія звивання канатів закритої конструкції з фасонного дроту. У більш загальних випадках для нелінійних процесів деформування використовується теорія пластичної течії, відповідно з якою зміна напруженого стану матеріалу описується диференційними рівняннями Прандтля-Рейса. У цьому напрямку відомі роботи Вєтрова О.П., Гончаренко Н.К., Маламена Г.Д., Пахалюка В. І., Хромова В.Г. і інших. Однак більшість розглянутих дотепер задач вирішувалися з використанням істотних спрощень (не враховувалося зміцнення матеріалу дроту, вводилися прості, але відносно грубі схеми взаємодії дротів з робочими органами канатозвивальної машини, окремі етапи деформації взагалі не враховувалися).

Таким чином, залишаються актуальними питання подальшого удосконалення методів рішення технологічних задач і створення уточненої математичної моделі процесу звивання спіральних канатів з використанням теорії пластичності і сучасних комп’ютерних технологій обробки інформації. На основі виконаного в роботі аналітичного огляду сформульовані нові задачі досліджень.

Другий розділ присвячений розвиткові методики розрахунку напруженого стану матеріалу в малій околиці довільної точки поперечного перерізу дроту з урахуванням зміцнення. Приведено вихідні допущення, обрані базові рівняння. Виконано системний аналіз проблемних питань рішення рівнянь пластичної течії при нелінійній траєкторії деформації матеріалу.

Напружений стан у пластичній стадії навантаження для матеріалу з лінійним ізотропним зміцненням визначається на підставі умови плинності Мізеса і диференціальних рівнянь теорії течії, записаних з використанням кінематичної моделі Прагера й умовних кутових параметрів у тригонометричному виді (рис. 2)

, (1)

, , (2)

де , – безрозмірні нормальне і дотичне напруження; , модуль і направляючий кут безрозмірного вектора напруг , відповідно; , – модуль і направляючий кут нескінченно малого вектора приведеної деформації , відповідно; коефіцієнт зміцнення матеріалу.

Рис. 2. Кінематична модель пластичної течії матеріалу.

Для матеріалу зі зміцненням () рівняння (1) неможливо привести до кінцевих аналітичних формул, тобто всі задачі вирішуються тільки на основі чисельних методів і спеціальних програм. При виборі чисельного методу враховувалося, що процедура рішення рівнянь повинна виконуватися для великої кількості точок поперечного перерізу дротів канату (). Для цього класу задач кращим є метод кінцевих прирощень. У класичному варіанті (метод Ейлера) новий напружений стан на кожному кроці інтегрування розраховується за формулами: , , де прирощення напруг , визначаються по дотичній до поверхні плинності. При цьому на кожному кроці порушується умова пластичності і накопичується деяка похибка. Відомий інший варіант, відповідно до якого нормальна напруга також визначається по методу Ейлера, а дотичне напруження розраховується за формулою , тоді умова плинності виконується автоматично. Однак, як показав аналіз, точність розрахунку напруг при цьому залишається на колишньому рівні.

У роботі запропоновано новий варіант методу кінцевих прирощень, відповідно до якого зміна напруг визначається по дузі окружності (поверхні плинності) у координатах дотичні-нормальні напруги (рис. 2). На кожному кроці інтегрування спочатку розраховується збільшення кута нахилу безрозмірного вектора напруг , а потім за формулами (2) окремі компоненти напруг , . На основі серії чисельних експериментів виконана порівняльна оцінка рішення рівнянь пластичної течії за різними методами у випадку нелінійної траєкторії деформування матеріалу. Показано, що відносна погрішність чисельного рішення з застосуванням нового підходу приблизно втричі менша у порівнянні з відомими, і не перевищує 0,8 % при кінцевому прирощенні величини приведеної деформації = 0,1. Цей метод використано далі для створення нової програмної процедури переробки масивів напруг.

У третьому розділі вирішуються приватні задачі, необхідні для побудови загальної математичної моделі процесу формоутворення канату. Це задачі про складне навантаження круглого дроту (одночасний вплив подовжньої сили, крутного і згинаючого моментів), у яких для розрахунку внутрішніх силових факторів і узагальнених коефіцієнтів жорсткості використовуються інтеграли виду

, (3)

де , – нормальні і дотичні напруги в довільній точці поперечного перерізу стержня з координатами х, у; F – площа поперечного перерізу стрижня.

Функції напруг , і підінтегральна функція f(, , х, у) у загальному випадку є нелінійними й інтеграл (3) не обчислюється аналітично. Тому в прикладних розрахунках звичайно використовують дискретну модель, відповідно до якої поперечний переріз дроту розбивається на кінцеве число елементарних площадок, а напруги у всіх точках окремої елементарної площадки вважаються постійними. У роботі на основі чисельних експериментів для круглого стержня з одиничним радіусом R=1 мм і різних видів підінтегральної функції f(, , х, у) досліджено вплив інтервалу розбивки поперечного перерізу на точність розрахунку інтегралів виду (3). Показано, що відносна похибка розрахунку для довільного виду підінтегральної функції не перевищує 0,1% при розбивці поперечного перерізу прямокутною сіткою не менш, ніж на 104 елементарних площадок.

Описані дані в сукупності з результатами попереднього розділу використані для уточненого рішення приватних технологічних задач: пластичне кручення дроту при дії постійної подовжньої сили; пластичний вигин дроту на оправленні при заданих значеннях подовжньої сили і крутного моменту.

Для задачі про кручення вирішувалося інтегро-диференційне рівняння виду:

, (4)

де , (5)

функція, що залежить від “історії” деформації.

У праву частину диференційного рівняння (4) входять функції (5), що не явно залежать від відносного подовження і кручення дроту . Для чисельного рішення цього рівняння з використанням ЕОМ розроблена спеціальна програма, у якій процес пружнопластичного кручення розбивається на кінцеву кількість елементарних етапів з малим збільшенням деформації кручення . Поточний напружений стан у центрі довільної площадки з координатами визначається трьома масивами . Перерахування напруг на кожному елементарному етапі деформації виконується за допомогою нової процедури, описаної в розділі 2.

На рис. 3 приведено приклад розрахункових залежностей крутного моменту і подовження у функції від деформації кручення для різних коефіцієнтів зміцнення (діаметр дроту d=1,22 мм, межа міцності МПа). Зірочками відзначені результати лабораторних експериментів по пружнопластичному крученню сталевого дроту при дії постійної подовжньої сили. Аналогічна програма чисельного рішення розроблена для моделювання пластичного вигину круглого дроту на оправленні.

Рис. 3. Залежності крутного моменту і подовження у функції від

деформації кручення дроту.

Нові програми вперше дозволили вирішувати розглянуті задачі для матеріалу, що зміцнюється. Урахування зміцнення дає можливість підвищити точність розрахунку напружено-деформованого стану канатного дроту на 10..20 %, особливо для перехідних пружнопластичних ділянок деформації. У програмах передбачена можливість побудови 3D-графіків (рис. 4) для візуального аналізу картини розподілу напруг по поперечному перерізу дроту на довільному етапі навантаження.

а) нормальні напруги б) дотичні напруги

Рис. 4. Епюри розподілу напруг у поперечному перерізі дроту

після пружнопластичного гнуття при постійній дії подовжньої сили і крутного моменту.

У четвертому розділі виконано уточнений теоретичний аналіз всіх етапів пружнопластичної деформації дротів і канату при сталому процесі взаємодії з технологічними пристроями звиваючої машини. Уперше враховані та досліджені наступні фактори: зміна технологічного натягу дротів за рахунок вигину в преформаторі, деформація канату в зоні обтискних плашок і знакоперемінна деформація кручення каната в торсіонному пристрої.

На основі принципу можливих переміщень для дроту, що рухається з постійною швидкістю, записаного через елементарні потужності зовнішніх і внутрішніх сил, отримана уточнена формула для розрахунку зусилля витяжки дроту з зони попереднього гнуття:

. (6)

Раніше використовувалася наближена залежність , де -середнє значення моменту. Формула (6) враховує зміну внутрішнього згинаючого моменту дроту в процесі пружнопластичного вигину на роликах преформатора. Для дослідної перевірки нової формули у лабораторії СевНТУ виконано спеціальний експеримент по моделюванню процесу преформації. За даними експерименту зроблено висновок, що формула (6) дозволяє визначати величину зусилля витяжки дроту з зони попереднього гнуття з похибкою (5..15)

Після виходу з преформатора дроти навиваються на сердечник і в зоні обтискних плашок утворюється спіральний канат (рис. 1). У роботі показано, що під впливом зусилля притиснення обтискних плашок канат випробує додаткові деформації подовження і кручення. Аналіз сил, що діють в обтискних плашках, використання диференціальних рівнянь рівноваги, співвідношень між агрегатними зусиллями і параметрами деформації подовжньої осі дозволили одержати наступні рівняння для розрахунку невідомих деформацій канату:

(7)

де, - осьова і тангенціальна складові сили тертя, відповідно; – діаметр канату; A, B, C – пружні коефіцієнти жерсткості канату, визначувані за відомими формулами.

Для регулювання внутрішнього крутного моменту у крученому виробі застосовуються торсіонні пристрої (рис. ). За допомогою діаграми кручення виконано аналіз знакоперемінної деформації кручення канату, що виникає при торсіонній обробці.

Сукупність зазначених теоретичних результатів використана для побудови уточненої математичної моделі процесу звивання. Відповідно до цієї моделі по заданих технологічних і конструктивних факторах здійснюється поетапний розрахунок деформацій і напруженого стану дротів у процесі руху від живильних котушок до прийомного барабана звивальної машини. За напруженим станом розраховуються внутрішні зусилля в поперечному перерізі окремих дротів з номером k за допомогою інтегральних залежностей:

(8)

Потім визначаються внутрішні агрегатні зусилля в готовому канаті:

(9)

де – кут, радіус звивання та кількість елементів канату у прошарку з номером k; m – кількість прошарків.

На заключному етапі обчислюється кут пружної открутки (рівноважність) готового крученого виробу за відомою з механіки стальних канатів формулі:

(10)

де l – довжина ділянки канату, на якій робиться вимір.

Розроблена модель реалізована у виді комп’ютерної програми, що працює в операційних системах сімейства Windows і має зручний користувальницький інтерфейс. Програма дозволяє розрахувати показник рівноважності канату при заданих механічних властивостях дроту, геометричних характеристиках канату й обраних режимів технологічного процесу, а також аналізувати картину розподілу напруг у поперечному перерізі дротів канату на будь-якому етапі технологічного процесу.

У п’ятому розділі викладено результати прикладних досліджень впливу змінних технологічних факторів на рівноважність спіральних канатів, описані методика і програма для розрахунку режимів торсіонної обробки, приведені матеріали використання результатів досліджень у виробництві.

Дослідження виконані для тонких спіральних канатів конструкцій (1+6), (1+6±12) діаметром 0,5..3 мм, отримані розрахункові залежності показника рівноважності ?ц від наступних факторів: межі міцності дроту, кратності звивання, технологічного натягу дротів, зусилля притиснення в плашках, коефіцієнта тертя ковзання в плашках, швидкості обертання торсіона. Виконано серію промислових експериментів, що підтверджують вірогідність теоретичних досліджень. На основі експериментів отримані також дані про вплив рихтування на рівноважність каната.

Матеріали досліджень дозволяють вирішувати дві технологічні задачі: 1) оцінити можливість виготовлення обраного рівноважного канату без застосування торсіонної обробки; якщо це неможливо, то розрахувати режими торсіонної обробки; 2) при заданому припустимому значенні рівноважності [?ц] канату вибрати гранично припустимі інтервали відхилення технологічних параметрів від номінальних значень і розробити обґрунтовані технічні вимоги до застосовуваного обладнання.

Ці задачі були вирішені стосовно до зазначених вище типорозмірів тонких канатів. З урахуванням аналізу стану діючого парку звиваючих машин на ВАТ “Сілур” розроблені наступні рекомендації з модернізації:

- виконати повну заміну зношених кареток для живильних котушок; у нових каретках передбачити установку гальмового шківа на підшипниках кочення, а також пристроїв контролю і підтримки постійної величини натягу дротів;

- преформатори дискового типу, які застосовуються в існуючому технологічному процесі, не забезпечують необхідної точності режимів попередньої деформації дротів; рекомендується використовувати більш точні преформатори голчастого типу;

- обладнати плашкотримач пристроєм контролю зусилля притиснення;

- замінити діючий рихтувач на новий, конструкція якого передбачає можливість високоточного настроювання і підтримки стабільних режимів рихтування;

- замінити діючий привід торсіонного пристрою зі східчастою зубчастою передачею окремим електроприводом з частотним регулятором, що забезпечує плавне і досить точне регулювання швидкості обертання торсіонного пристрою; замінити роликовий торсіон на пристрій ланцюгового типу, що дозволяє зменшити габарити і підвищити надійність роботи.

Виконані на сигарній машині SR-6/160 у канатному цеху ВАТ “Сілур” промислові експерименти з використанням нових зразків техоснащення підтверджують, що розроблені рекомендації забезпечують можливість організації серійного виробництва спіральних канатів зі стабільними властивостями на рівні закордонних аналогів.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведені теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в розвитку методів розрахунку параметрів настроювання деформуючого обладнання і розробці раціональної схеми технологічного процесу звивання, що забезпечує виготовлення спіральних канатів з гарантованим показником рівноважності.

1. На основі аналізу сучасного стану теорії і практики сталеканатного виробництва показано, що для забезпечення сучасних вимог до рівноважності канатів спіральної конструкції залишаються актуальними розвиток методів розрахунку технологічних параметрів і удосконалення устаткування для виробництва якісних стальних канатів спіральної конструкції.

2. Удосконалено метод чисельного рішення системи диференціальних рівнянь пластичної течії Прандтля-Рейса стосовно до стального дроту. Відмінність розробки полягає в тому, що прирощення шуканої функції напруг на кроці інтегрування визначається не по дотичній до графіка цієї функції, а по дузі окружності в координатах дотичні-нормальні напруги. Використання цього методу у випадку нелінійної траєкторії деформування матеріалу дроту дозволяє (без введення ітераційної процедури) при раціональному кроці інтегрування підвищити точність рішення в 3 рази.

3. Набула подальший розвиток методика розрахунку напруженого стану стального круглого дроту у місцях пружнопластичної деформації при спільному впливі подовжньої сили, крутного та згинаючого моментів. Розробка відрізняється урахуванням зміцнення матеріалу і раціональною розбивкою поперечного перерізу дроту на елементарні площадки, що дозволило підвищити точність розрахунків на (10..20)%.

4. Досліджено закономірності й умови взаємодії дротів і каната з робочими органами технологічних вузлів канатозвивальної машини. Установлено нові теоретичні залежності для розрахунку сили витяжки дроту з преформатора і додаткових деформацій канату в зоні обтискних плашок. Аналіз сили витяжки уперше виконано з урахуванням внутрішнього згинаючого моменту, що змінюється по довжині дроту. Формули для деформацій канату в обтискних плашках раніше відомі не були. Використання отриманих залежностей у сукупності з удосконаленим методом аналізу напруженого стану дроту дозволило розробити більш точну математичну модель процесу звивання, яка втілена в програмі для комп’ютерного розрахунку залишкових напруг, агрегатних зусиль і параметра рівноважності спіральних канатів.

5. Уперше визначені розрахунковим шляхом і перевірені експериментально залежності показника рівноважності спіральних канатів від зміни механічних властивостей дроту, геометричних характеристик канату і режимів настроювання деформуючого обладнання. Розбіжність розрахункових і експериментальних значень показника рівноважності в робочому діапазоні зміни технологічних параметрів складає (5..15)%. Раніше зазначені залежності відомі не були. Вони дозволяють розробляти рекомендації з вибору гранично припустимих відхилень досліджуваних параметрів від номінальних значень і обґрунтовані технічні вимоги до застосовуваного обладнання.

6. У результаті досліджень визначені напрямки удосконалення технології для виробництва спіральних канатів з гарантованим показником рівноважності. Розроблені рекомендації з настроювання діючого звиваючого обладнання і дослідні зразки технологічного оснащення (каретка з вбудованим регулятором натягу дроту, високоточні преформатор голчастого типу і модульний рихтувач) впроваджені в канатному цеху ВАТ “Сілур” на сигарній машині SR-6/160 (акт від 5 травня 2003 р.). Матеріали дисертаційної роботи можуть використовуватися також для проектування технологічних процесів виготовлення інших метизних виробів – кабелів, металокорду.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Хромов И.В. Натяжение проволоки в процессе упругопластического изгиба в преформаторе // Вестник СевГТУ. Вып. 38: Механика, энергетика, экология. Севастополь, 2002. С. 49 53.

2. Хромов И.В. Исследование процесса двукратного упругопластического кручения стального каната при свивке на машине сигарного типа // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. – 2003. № 1 – С. 93 – 95.

3. Хромов И.В. Методика расчета скорости вращения торсионного устройства канатовьющей машины // Стальные канаты. Вып. 3. – Одесса: Астропринт, 2003. – С. 145 – 150.

4. Хромов И.В. Теоретический анализ изменения равновесности при изготовлении стальных спиральных канатов // Системные технологии. Вып. 2(25)2003. – Днепропетровск: Системные технологии, 2003. – С. 72 – 77.

5. Бохонский А.И., Хромов И.В. Колебания участка проволоки при свивке в прядь в канатовьющей машине // Вестник СевГТУ. Вып. 48: Механика, энергетика, экология. – Севастополь, 2003. – С. 42 – 47.

6. Хромов И.В. Компьютерное моделирование процессов упругопластической деформации проволоки при намотке // Проблемы прочности. – 2003. – № 6 (366) – С. 134 – 139.

Додатково наукові результати відображені в роботах:

7. Хромов И.В. Исследование точности метода прямоугольников в прикладных расчетах интегральных характеристик упругопластического стержня // Труды Междунар. науч.-техн. конф. “Моделирование и исследование сложных систем” – Том 1. – М.: МГАПиИ, 2001 – С. 85 – 89.

8. Хромов И.В. Кинематический и силовой анализ техпроцесса, реализуемого в машинах с двойным свивающим механизмом // Бюллетень МАИСК. Вып. 2-3. – Одесса: Астропринт, 2002. – С. 32 – 37.

9. Хромов И.В. Влияние упрочнения на деформацию упругопластического стержня при совместном растяжении и кручении // Тезисы докладов II Всеукр. науч. конф. “Математические проблемы технической механики”. – Днепродзержинск, 2002. – С. 36.

АНОТАЦІЇ

Хромов І.В. Удосконалення методів розрахунку параметрів та підвищення ефективності технології виготовлення якісних канатів спіральної конструкції. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, Дніпропетровськ, 2005.

Набули розвиток методи розрахунку напруженого стану стального круглого дроту у осередках пружнопластичної деформації при спільному впливі подовжньої сили, крутного та згинаючого моментів. Приведено нові рішення технологічних задач пружнопластичного деформування з урахуванням зміцнення матеріалу. Показано, що урахування зміцнення і вибір раціональної розбивки поперечного перерізу дроту на елементарні площадки дозволяє підвищити точність розрахунку внутрішніх силових факторів на (10..20)%. Виконано поопераційний теоретичний аналіз деформацій дротів та канату в процесі виготовлення на машинах сигарного типу. Сукупність математичних моделей вказаних етапів деформацій реалізована в комп’ютерній програмі розрахунку залишкових агрегатних зусиль в готовому канаті, що визначають один з основних показників якості – рівноважність. Матеріали досліджень використані при розробці технології виробництва спіральних канатів з гарантованим показником рівноважності. Сформульовано обґрунтовані рекомендації з припустимих відхилень конструктивно-технологічних параметрів. Створено нові конструкції техоснащення (преформатор голчастого типу, модульний рихтувач, каретка з вбудованим регулятором натягу), що дозволяють регулювати з високою точністю і підтримувати постійними параметри режимів механічної обробки.

Ключові слова: технологічний процес звивання, стальні спіральні канати, напружено-деформований стан, агрегатні зусилля, рівноважність, преформатор, рихтувач.

Хромов И.В. Совершенствование методов расчета параметров и повышение эффективности технологии изготовления качественных канатов спиральной конструкции. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию методов проектирования процесса формообразования и нейтрализации остаточных напряжений стальных канатов спиральной конструкции.

Процесс изготовления каната рассматривается как непрерывная последовательность упругопластических деформаций проволок при взаимодействии c технологическими устройствами свивающей машины. При этом происходят изменения напряжений и интегральных внутренних силовых факторов. Достоверные данные о величине указанных усилий, полученные на основе адекватных моделей всех этапов деформирования, позволяют оценить один из главных показателей качества спиральных канатов – равновесность.

В работе получила развитие методика расчета напряженого состояния стальной круглой проволоки в очагах упругопластической деформации при совместном воздействии продольной силы, крутящего и изгибающего моментов. Приведены новые решения технологических задач упругопластического деформирования с учетом упрочнения материала. Показано, что учет упрочнения и выбор рационального разбиения поперечного сечения проволоки на элементарные площадки позволяет повысить точность расчета внутренних силовых факторов на (10..20) %.

Исследованы закономерности и условия взаимодействия проволок и каната с рабочими органами технологических узлов канатовьющей машины. Установлены новые теоретические зависимости для расчета силы вытяжки проволоки из преформатора и дополнительных деформаций каната в зоне обжимных плашек Использование полученных зависимостей в совокупности с усовершенствованной методикой анализа напряженного состояния проволоки позволило разработать более точную математическую модель процесса свивки и новую программу для компьтерного расчета остаточных напряжений, агрегатных усилий и параметра равновесности спиральных канатов.

Теоретически определены и проверены экспериментально зависимости показателя равновесности тонких спиральных канатов от изменения механических свойств проволоки, геометрических характеристик каната и параметров настройки деформирующего оборудования. Разработаны обоснованные рекомендации по допустимым отклонениям исследованных параметров.

Изготовлены и испытаны опытные образцы техоснастки (преформатор игольчатого типа, модульный рихтователь, каретка с встроенным регулятором натяжения), позволяющие с высокой точностью устанавливать и поддерживать постоянными режимы механической обработки каната. Результаты работы использованы для организации производства спиральных канатов с гарантированным показателем равновесности .

Ключевые слова: технологический процесс свивки, стальные спиральные канаты, напряженно-деформированное состояние, агрегатные усилия, равновесность, преформатор, рихтователь.

Hromov I.V. The development of parameter calculations and efficiency enhancement of making the high-quality helical ropes. – A manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a speciality 05.03.05 – Processes and machines of processing by pressure. – Institute of ferrous metallurgy by him. Z.I.Nekrasov NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2005.

The calculations of steel round wire’s stressed state in points of elastoplastic strain during simultaneous impact of normal forcing, rotational and bending moments have been developed. The new solutions of technological problems regarding elastoplastic strain with materials hardening taken into account have been adduced. It has been demonstrated that use of materials hardening and preference of wire cross-section rational division into surfents of area makes it possible to increase the internal force factor calculation accuracy by 10..20 per cent. The postoperative theoretical analysis of wire and rope resiliency during the making on cigar-shaped machines has been accomplished. The mathematical model symbiosis of deformation stated phases has been fulfilled by means of computer program calculating the residual aggregate force in finished rope, which [force] determines one of the major quality indexes — the balance. Research records have been used during the development of making the helical ropes with balance index guaranteed. The recommendations due to the detour limit of mechanical parameters have been made. The new constructions of technological equipment (preformator needle type, modular alignmentor, the carriage with the built - in regulator of a tension) which allows to adjust the production mode parameters with high accuracy and to keep them invariable have been created.

Key words: technological process of rope lay, helical steel rope, mode of deformation, aggregate force, balance, preformator, alignmentor.

Підписано до друку 31.01.2005 р. Формат 60х901/16. Папір офсетний.

Гарнітура Таймс. Умовн. друк. аркуш. 1.0. Тираж 100 экз. Замовл. № 7.

Видавництво СевНТУ, НМЦ, 23-52-10.

99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, 4-й учбовий корпус.