Гандель П.В. Отчет по НИР Расчет долговечности шпинделя прокатного стана ХПЛ-160

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4. Компьютерные осциллограммы

Поэтому для расчета долговечности шпинделя из литературного

источника [2, с.194] взяты осциллограммы крутящих моментов на нижнем

и на верхнем М

шпинделях прокатного стана ХПЛ-160 (рис.5),

полученные на рулонной бумаге. На этих осциллограммах отчетливо видны

высокоамплитудные пики нагружения, возникшие в результате «выборки»

зазоров в приводе.

Рис. 5. Осциллограммы на рулонной бумаге

На практике симметричное нагружение верхней и нижней ветвей

линии привода является редким случаем. Возникновению разности

моментов прокатки на верхнем и нижнем рабочих валках способствует

большое количество факторов. Среди них можно выделить две группы. К

технологической группе относятся неравномерная толщина заготовки,

наличие окалины, влияние собственного веса заготовки. К механической

группе относятся разница в моменте инерции линий верхнего и нижнего

валков, разница величины зазоров в соединениях. Осциллограммы

показали, что верхний шпиндель является более нагруженным, чем нижний,

поэтому далее обрабатывается осциллограмма только верхнего шпинделя.

ОБРАБОТКА ОСЦИЛЛОГРАММЫ

На осциллограмме крутящих моментов на верхнем шпинделе (рис.6)

видно, что процесс прокатки длится 0,16 секунды.

Рис. 6. Осциллограмма крутящих моментов

Переходный процесс, связанный с захватом металла валками,

продолжается менее 0,1 секунды.

Коэффициент динамичности К

= 1040 / 600 = 1,7 — отношение

максимального крутящего момента к установившемуся значению крутящего

момента.

Частота колебаний ν = 60 Гц — число колебаний, произошедших за

одну секунду времени.

Переход от крутящих моментов М к касательным напряжениям τ,

возникающим при кручении, осуществлен по формуле













=⋅=

⋅

==τ

Па

15023

][м06020

м][Н

2333

, (1)

где

— полярный момент инерции;

м0,06мм60

— диаметр шпинделя

(рис. 7).

Рис. 7. Эскиз шпинделя

Осциллограмма крутящих моментов преобразована в осциллограмму

напряжений, действующих в опасном сечении шпинделя (рис.8).

Рис. 8. Осциллограмма касательных напряжений

На осциллограмме видно, что на шпиндель действуют асимметричные

относительно оси абсцисс циклы напряжений. У каждого цикла имеются

свое амплитудное

и среднее

значения напряжений (рис. 9).

Рис. 9. Асимметричный цикл нагружения

В результате обработки осциллограммы учтены первые пять циклов

(табл.1).

Таблица 1

Результат обработки осциллограммы

№

цикла

Напряжения, МПа

максимальное

max

минимальное

min

амплитудное

среднее

1 24 6 9 15

2 18 11 3,5 14,5

3 15 12 1,5 13,5

4 16 14 1 15

5 15 13 1 14

Каждый асимметричный цикл обязательно приводится к

симметричному циклу по формуле

пр

, (2)

где

= 0,05 — коэффициент чувствительности углеродистой стали ст. 45

(материал, из которого изготовлен шпиндель) к асимметрии цикла, взятый из

литературного источника [1, с. 95]

При построении блока нагружения заданной детали (рис.6) в ее

опасном сечении число циклов в каждой ступени принято равным половине

от числа размахов ν = N/2, так как размах соответствует полуциклу

напряжений. Продолжительность блока определяется производственной

программой стана и составляет один год, то есть блок нагружения учитывает

весь годовой сортамент и количество выпускаемого проката каждого

типоразмера.

ДИАГРАММА РАЗРУШЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ

Параметрами диаграммы Веллера для материала, изображенной в

двойных логарифмических координатах, являются: предел выносливости

гладкого лабораторного образца при знакопеременном кручении τ

–1Д

; число

циклов N

, соответствующее точке перегиба кривой; коэффициент m,

характеризующий наклон левого участка кривой. Традиционно при

переходе к кривой усталости для детали основное внимание уделяется

влиянию различных факторов только на предел выносливости.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений K

масштабный коэффициент ε

могут быть найдены независимо друг от друга

или по статистической теории подобия усталостного разрушения. Эта теория

описывает совместное влияние концентрации напряжений и масштабного

фактора на сопротивление усталости для детали.

Коэффициент, учитывающий совместное влияние концентрации

напряжений и масштабного фактора, определяется по формуле

−













⋅+

88,3

α2

(3)

Теоретический коэффициент концентрации для первого главного

напряжения в зоне концентрации

определяется из номограммы по эскизу

детали — по соотношениям d/D и ρ/D, где D — больший диаметр вала, d —

меньший диаметр вала, ρ — радиус кривизны (галтель).

Рис. 10. Номограммы для определения α

Параметр L , характеризующий протяженность зоны концентрации

напряжений, равен периметру рабочего сечения, если максимальные

напряжения одинаковы по всему периметру (периметр рабочего сечения

круглых валов L = πd), или части периметра, прилегающей к зоне

повышенной напряженности для других случаев.

Относительный градиент первого главного напряжения определяется

по формуле

, (4)

где

=α

— для предохранительного шпинделя и

151,

=α

— для карданного

шпинделя, рабочего валка и универсального шпинделя. Градиент

напряжений характеризует скорость убывания напряжений по мере удаления

от места концентрации напряжений. Чем выше этот градиент, тем в

меньшем объеме концентрируются высокие напряжения, тем меньше зерен

металла приходится на этот объем и тем меньше вероятность образования

здесь усталостной трещины.

Параметр уравнения подобия усталостного разрушения ν

характеризующий чувствительность к концентрации напряжений и

масштабному фактору, определяется из таблицы. Чем больше величина ν

тем меньше чувствительность к концентрации напряжений и более резко

проявляется масштабный фактор.

Суммарный коэффициент К

учитывает влияние четырех факторов на

предел выносливости:

упрτ













−+=

(5)

где β — коэффициент качества обработки поверхности детали; β

упр

—

коэффициент упрочнения поверхности.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ШПИНДЕЛЯ

В приводе клети прокатного стана ХПЛ-160 возможны усталостные

повреждения рабочих валков, муфт, шестеренных валков, зубчатых колес и

других ответственных деталей. В работе выполнен расчет срока службы

верхнего шпинделя.

Расчет усталостной долговечности производится, поскольку блок

содержит повреждающие ступени с амплитудами выше уровня предела

выносливости детали τ

–1д

— в противном случае шпиндель не выходит из

строя по причине усталости. Условно повреждающие ступени с

амплитудами выше уровня к

–1д

, где к

= 0,6 — коэффициент,

определяющий нижнюю границу повреждающих напряжений, обязательно

учитываются при расчете усталостной долговечности, но только после

первой повреждающей ступени с амплитудами выше уровня предела

выносливости детали. Безопасные ступени имеют амплитуды ниже значения

-1д

Блок нагружения универсального шпинделя стана ДУО-140 имеет две

повреждающие (τ

, τ

> τ

−

1д

= 103 МПа), четыре условно повреждающие (τ

, τ

> 0,6 τ

−

1д

= 61,8 МПа) и одну безопасную ступени.

Формула для вычисления долговечности имеет вид:

( )

бсл



⋅

⋅α

=⋅λ=

∑

⋅

⋅≥

1д-i

ττ

1д-

(6)

где λ — ресурс детали, выраженный числом блоков нагружения до появления

первой макроскопической трещины;



= 1 год — длина блока нагружения;

= 0,6 — постоянное число, определяющее нижнюю границу

повреждающих напряжений; τ

−

1д

, N

, m — параметры кривой усталости,

инвариантные относительно блока нагружения; τ

, n

— амплитуды и число

циклов в i –той ступени блока нагружения.

Корректирующий коэффициент α

определяется как