Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы
Наружные поверхности цапф мельниц по переработке сырья подвержены интенсивному износу от трения в подшипниках. Износ уменьшает толщину цапф. В совокупности с остаточными растягивающими напряжениями от наружной восстановительной наплавки это может привести к образованию продольных трещин. Предложен...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103116 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы / В.А. Коротков // Автоматическая сварка. — 2013. — № 9 (725). — С. 48-51. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-103116 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1031162016-06-15T03:02:40Z Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы Коротков, В.А. Производственный раздел Наружные поверхности цапф мельниц по переработке сырья подвержены интенсивному износу от трения в подшипниках. Износ уменьшает толщину цапф. В совокупности с остаточными растягивающими напряжениями от наружной восстановительной наплавки это может привести к образованию продольных трещин. Предложено восстановление прочности цапф путем наплавки их по внутренней поверхности. При этом достигается эффект закрепления цапф, заключающийся в том, что отрицательные остаточные напряжения уменьшают рабочие напряжения и позволяют полым цилиндрам выдерживать более высокие нагрузки. Расчетный анализ и экспериментальная проверка напряженного состояния, образующегося при наплавке цапфы мельницы по внутренней поверхности, показал, что на наружной поверхности цапфы образуются остаточные напряжения сжатия, существенные по величине и создающие автоскрепляющий эффект, повышающий сопротивляемость цапф образованию трещин от рабочих нагрузок. 2013 Article Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы / В.А. Коротков // Автоматическая сварка. — 2013. — № 9 (725). — С. 48-51. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103116 621.791.92 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Коротков, В.А. Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы Автоматическая сварка |
| description |
Наружные поверхности цапф мельниц по переработке сырья подвержены интенсивному износу от трения в подшипниках. Износ уменьшает толщину цапф. В совокупности с остаточными растягивающими напряжениями от
наружной восстановительной наплавки это может привести к образованию продольных трещин. Предложено восстановление прочности цапф путем наплавки их по внутренней поверхности. При этом достигается эффект закрепления цапф, заключающийся в том, что отрицательные остаточные напряжения уменьшают рабочие напряжения
и позволяют полым цилиндрам выдерживать более высокие нагрузки. Расчетный анализ и экспериментальная
проверка напряженного состояния, образующегося при наплавке цапфы мельницы по внутренней поверхности,
показал, что на наружной поверхности цапфы образуются остаточные напряжения сжатия, существенные по величине
и создающие автоскрепляющий эффект, повышающий сопротивляемость цапф образованию трещин от рабочих
нагрузок. |
| format |
Article |
| author |
Коротков, В.А. |
| author_facet |
Коротков, В.А. |
| author_sort |
Коротков, В.А. |
| title |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_short |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_full |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_fullStr |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_full_unstemmed |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_sort |
влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление цапф в корпусе мельницы |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103116 |
| citation_txt |
Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы / В.А. Коротков // Автоматическая сварка. — 2013. — № 9 (725). — С. 48-51. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT korotkovva vliânieostatočnyhnaprâženijprinaplavkenazakrepleniecapfvkorpusemelʹnicy |
| first_indexed |
2025-07-07T13:21:10Z |
| last_indexed |
2025-07-07T13:21:10Z |
| _version_ |
1836994515340099584 |
| fulltext |
УДК 621.791.92
ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАПЛАВКЕ
НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЦАПФ В КОРПУСЕ МЕЛЬНИЦЫ
В. А. КОРОТКОВ
Нижнетагильский технологич. ин-т (филиал) УрФУ. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59.
E-mail: vk@udgz.ru
Наружные поверхности цапф мельниц по переработке сырья подвержены интенсивному износу от трения в под-
шипниках. Износ уменьшает толщину цапф. В совокупности с остаточными растягивающими напряжениями от
наружной восстановительной наплавки это может привести к образованию продольных трещин. Предложено вос-
становление прочности цапф путем наплавки их по внутренней поверхности. При этом достигается эффект зак-
репления цапф, заключающийся в том, что отрицательные остаточные напряжения уменьшают рабочие напряжения
и позволяют полым цилиндрам выдерживать более высокие нагрузки. Расчетный анализ и экспериментальная
проверка напряженного состояния, образующегося при наплавке цапфы мельницы по внутренней поверхности,
показал, что на наружной поверхности цапфы образуются остаточные напряжения сжатия, существенные по величине
и создающие автоскрепляющий эффект, повышающий сопротивляемость цапф образованию трещин от рабочих
нагрузок. Библиогр. 8, рис. 3.
К л ю ч е в ы е с л о в а : наплавка, остаточные напряжения, цапфы мельниц
Торцевые стенки мельниц (МСЦ 3,6×4,5 и др.)
представляют собой диск с впрессованной в него
цапфой. При эксплуатации диск изнашивается в
местах примыкания к бочке мельницы в резуль-
тате проникновения пульпы под уплотнения, а
цапфы — по наружной поверхности от трения в
подшипниках. ООО «Композит» в конце 1990 го-
дов освоил их восстановление наплавкой [1]. Диск
наплавляли сначала «мягкой» сталью, чтобы не
иметь затруднений при механообработке, а после
проточки с занижением на 3 мм — «в размер»
твердым сплавом для увеличения износостойкос-
ти. Цапфы наплавляли сварочным полуавтоматом
(рис. 1) и протачивали до чертежного размера.
Было восстановлено более 50 шт. торцевых сте-
нок для Качканарского и Высокогорского ГОКов,
Среднеуральского и Красноуральского медепла-
вильных заводов с экономией около 1 млн руб.
на каждом изделии.
Восстановление существенно, примерно в 2 ра-
за, продлило срок службы торцевых стенок, во
время которого происходило увеличение износа
внутренней поверхности цапф, контактирующих
с загрузочными патрубками. На некоторых цап-
фах он достиг 20 мм. Износ уменьшает толщину
цапф и, как следствие, увеличивает рабочие нап-
ряжения, которые в совокупности с остаточными
растягивающими напряжениями в наружной нап-
лавке способствуют образованию продольных
трещин. За последние два года было выявлено
около 10 шт. цапф, имеющих трещины в наруж-
ной поверхности, некоторые из которых превра-
тились в сквозные. Таким образом, существует
необходимость в увеличении прочности восста-
новленных цапф мельниц.
Очевидной мерой по восстановлению прочнос-
ти является наплавка цапф по внутренней повер-
хности. При этом наплавка, соразмерная износу
(20 мм), представляется невозможной из-за веро-
ятной усадки цапфы и потери прочности ее зак-
репления (прессовой посадки) в торцевой стенке.
Наплавка более тонкого слоя (около 5 мм), во
избежание усадки, на первый взгляд, не выглядит
оправданной, так как не дает полного восстанов-
ления поперечного сечения цапфы, а следователь-
но, и полного восстановления прочности. Но от-
ношение к ней может измениться, если рассмот-
реть возможность сопутствующего автоскрепле-
ния цапф сварочными напряжениями. Эффект ав-
тоскрепления заключается в том, что остаточные
напряжения противоположного знака, т. е. умень-
шающие рабочие напряжения, позволяют полым
цилиндрам выдерживать более высокие, прила-
гаемые к ним, нагрузки [2, 3]. Применительно к
данному случаю повысить сопротивление обра-
зованию продольных трещин могут остаточные
окружные напряжения сжатия на наружной по-
верхности цапф. Возможность их наведения от
наплавки по внутренней поверхности исследована
в настоящей работе.
Анализ остаточных напряжений, образую-
щихся при наплавке цапф мельниц по внут-
ренней поверхности. Остаточные напряжения
при сварке (наплавке) образуются в результате
тепловой усадки нагретого металла, представля-
ющего собой наплавленный металл и часть зоны
© В. А. Коротков, 2013
48 9/2013
термического влияния (ЗТВ) в основном металле,
получившую пластическую деформацию сжатия
при нагреве [4–6]. Схема образования остаточных
напряжений в цапфе с наплавкой по внутренней
поверхности приведена на рис. 2. Из рисунка вид-
но, что внутренняя часть 1 в результате тепловой
усадки увлекает за собой наружную часть 2, соз-
давая в ней окружные напряжения сжатия Gt. Фор-
мула для окружных напряжений в упругой об-
ласти произвольно выбранного полого цилиндра
(a ≤ r ≤ b), согласно данным работы [7], имеет
вид:
Gt(r) =
Gr(b)b
2(r2 + a2) – Gr(a)a
2(b2 + r2)
(b2 – a2)r2 . (1)
Запишем выражение (1) для наружной повер-
хности (r = b) части 2 при следующих условиях:
— наружная поверхность, являясь свободной,
радиальных напряжений не имеет (Gr(b) = 0);
— на нижней границе части 2 (r = d) действуют
радиальные напряжения Gr(d) = p:
Gt(b) = – Gr(d)
2d2
b2 – d2, (2)
где Gt(b) — окружные напряжения на наружной
поверхности (r = b) цапфы; Gr(d) — радиальные
напряжения на радиусе (r = d).
Поскольку радиальные напряжения в полых
цилиндрах многократно меньше окружных, то го-
ворить об автоскрепляющем влиянии внутренней
наплавки имеет смысл лишь при условии
2d2
b2 – d2 ≥ 1, выполняющимся при условии
d ≥ 0,6b. (3)
Для нахождения радиуса r = d примем во вни-
мание, что он располагается внутри ЗТВ от нап-
лавки. В работах [4–6] показано, что в зависи-
мости от условий сварочного нагрева и жесткости
детали граница пластического сжатия располага-
ется в диапазоне изотерм 100…600 °С. С целью
сокращения расчетов можно опустить из рассмот-
рения ЗТВ и полагать, что силовое воздействие
на наружную часть втулки оказывает только нап-
лавленный металл. В конечном счете это приб-
лижение уменьшает вероятность того, что рас-
четное автоскрепление не подтвердится в дейс-
твительности. Тогда значение радиуса d находит-
ся из выражения d = a + h, где a — радиус внут-
ренней (изношенной) поверхности втулки до нап-
лавки; h = 4 мм — глубина проплавления при
токе наплавки 400 А (из расчета 1 мм на каждые
100 А сварочного тока [8]).
Применительно к цапфе (рис. 1) с размерами
b = 675 мм, a = 578 мм значение радиуса d, на
котором создаются радиальные напряжения, вы-
зывающие автоскрепление цапфы, составляет: d =
= (578 + 10) + 4 = 592 мм, где 10 (мм) — глубина
износа цапфы по внутренней поверхности.
Таким образом, условие (4) выполняется: 592 >
> 0,6⋅675 = 405, что означает возможность по-
явления от однослойной внутренней наплавки
значимых по величине окружных сжимающих
напряжений на наружной поверхности. Это, в
свою очередь, показывает, что внутренняя нап-
лавка сопровождается автоскреплением цапф и
может способствовать предупреждению появле-
ния трещин на их наружной поверхности при эк-
сплуатации.
Для оценки тепловых радиальных напряжений
при r = d применена формула из работы [9]:
Gr(r) = αE
r2
⎡
⎢
⎣
r2 – a2
b2 – a2 ∫
a
b
T(r)rdr – ∫
а
r
T(r)rdr
⎤
⎥
⎦
. (4)
Рис. 1. Наплавка цапфы мельницы сварочным полуавтоматом и эскиз цапфы
9/2013 49
Расчеты по ней выполнены со следующими
допущениями:
при T < 600 °С предел текучести материала
постоянен (Gт = const);
при Т > 600 °С предел текучести материала
пренебрежимо мал (Gт = 0);
остывание наплавленного слоя происходит за
счет теплообмена с окружающей средой, т. е.
часть 2 на рис. 2 температуру не повышает, что
означает:
T(а) = T(d–) = –600 °С, где T(d–) — темпе-
ратура на границе наплавки с внутренней сторо-
ны;
T(d+) = T(b) = 0 °С, где T(d+) — температура
на границе наплавки с наружной стороны;
знак минус означает, что тепловые напряжения
возникают при понижении температуры.
Принятые допущения не являются оригиналь-
ными, подобные применялись в названных выше
работах по сварочным напряжениям и деформа-
циям. С их учетом выражение (6) принимает вид:
Gr(d) = – 600αE
⎡
⎢
⎣
(d2 – a2)(d2 – a2)
2(b2 – a2)d2 – d
2 – a2
2d2
⎤
⎥
⎦
. (5)
Уменьшаемое в квадратных скобках в формуле
(5) существенно меньше вычитаемого, что поз-
воляет его опустить из рассмотрения. Тогда ра-
диальные напряжения при r = d находятся из вы-
ражения
Gr(d) = 600 α E d
2 – a2
2d2 , (6)
где α = 14⋅10–6 1/°С — коэффициент линейного
расширения; E = 1,5⋅105 МПа — модуль упру-
гости; значения радиусов a, d приведены выше.
Вычисления по формуле (6) показывают, что
радиальные напряжения на границе пластических
деформаций, создающие окружные автоскрепля-
ющие напряжения на наружной поверхности цап-
фы при наплавке, равны Gr(d) ≈ 29 МПа.
Подставляя это значение в выражение (2) по-
лучаем остаточные окружные напряжения на на-
ружной поверхности цапфы Gt(b) ≈ –168 МПа.
Можно отметить их сопоставимость с преде-
лом текучести (270 МПа) материала цапфы (сталь
35Л) и на основе этого сделать вывод о сущес-
твенном автоскрепляющем эффекте, сопровожда-
ющем наплавку цапф по внутренней поверхности.
Экспериментальная проверка расчета. Про-
водили однослойную наплавку сварочным полу-
автоматом на внутреннюю поверхность цапфы
мельницы по технологии, аналогичной наплавке
наружной поверхности.
Предварительно на наружную поверхность
цапфы приклеивали тарированные рабочие дат-
чики в окружном и осевом направлениях (для ком-
пенсационных датчиков приваривали пластины).
В качестве датчиков использовали тензорезисто-
ры типа ФКПА 10-100, имеющие длину базы
10 мм и сопротивлением 91,6…92,0 Ом. Усили-
тели сигнала, модули подключения датчиков и
программное обеспечение КСКWin использованы
от разработчика и изготовителя измерительной
системы ЗАО «Теплоэнергетические технологии».
После сборки тензометрической цепи, но до
наплавки цапфы по внутренней поверхности, про-
водили балансировку измерительных сигналов с
датчиков (установка «0»). Перед наплавкой ап-
паратуру отключали, а после ее выполнения снова
подключали и регистрировали значения напряже-
ний в окружном и осевом направлениях. Резуль-
таты измерений представлены на рис. 3. Видно,
что остаточные напряжения на наружной повер-
Рис. 2. Схема образования остаточных напряжений сжатия в
наружной части цапфы при наплавке ее внутренней поверх-
ности: 1 — зона наплавленного металла и высокотем-
пературного участка ЗТВ; 2 — зона наружной части цапфы;
P (стрелки) — направления силового воздействия внутренней
части 1 на наружную часть цапфы 2
Рис. 3. Осциллограммы остаточных напряжений: σy — в нап-
равлении Y (осевые); σx — в направлении X (окружные)
50 9/2013
хности цапфы являются сжимающими. В окруж-
ном направлении они находятся на уровне 90, а
в продольном 80 МПа.
Эксперимент подтвердил расчетный прогноз
появления на наружной поверхности цапфы сжи-
мающих напряжений. Экспериментальные значе-
ния оказались вдвое ниже расчетных (подобная
точность характерна для расчетов при сварке), но
при этом они составляют порядка 30 % предела
текучести материала цапф (сталь 35Л; σ0,2 =
= 270 МПа) и поэтому могут рассматриваться как
существенный фактор, повышающий сопротивле-
ние образованию трещин при эксплуатации. Та-
ким образом, наплавка внутренней поверхности
цапф способна одновременно восстанавливать ее
износ (от контакта с загрузочным патрубком) и
выполнять скрепляющую роль, увеличивая соп-
ротивление цапф рабочим нагрузкам.
В заключение следует отметить, что расчетный
анализ и экспериментальная проверка напряженно-
го состояния, образующегося при наплавке цапфы
мельницы по внутренней поверхности, показал, что
на наружной поверхности цапфы образуются ос-
таточные напряжения сжатия, существенные по
величине и создающие автозакрепляющий эф-
фект, повышающий сопротивляемость цапф об-
разованию трещин от рабочих нагрузок.
1. Коротков В. А., Замотин В. А. Восстановление деталей
горного оборудования // Горный ж. — 2001. — № 8. —
С. 53–56.
2. Смирнов–Аляев Г. А. Теория автоскрепления цилиндров.
— М.: Оборонгиз, 1940. — 286 с.
3. Регулирование прочности прессовых соединений при на-
личии остаточных напряжений. // Изв. вузов. Машиност-
роение. — 1971. — № 8. — С. 29–33.
4. Бакши О. А. Деформации и напряжения при местном
нагреве стального листа // Автоген. дело. — 1953. —
№ 2. — С. 1–6.
5. Талыпов Г. П. Приближенная теория сварочных дефор-
маций и напряжений. — Изд-во ЛГУ, 1957. — 207 с.
6. Коротков В. А., Трошин О. В., Феофанова В. А. Исследо-
вание термодеформаций втулок при поверхностном наг-
реве. В 2-х сообщениях. // Изв. вузов. Машиностроение.
— 1996. — № 10–12. — С. 90–98; 1997. — № 1–3. —
С. 96–103.
7. Илюшин А. А., Огибалов П. М. Упругопластические де-
формации полых цилиндров. — М.: Изд-во МГУ, 1960.
— 226 с.
8. Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова. — М.:
Машиностроение, 1975. — 520 с.
Поступила в редакцию 26.06.2013
СВАРКА И НАПЛАВКА МЕДИ И СПЛАВОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ / Составители: В.М. Илюшенко, Е. П.
Лукьянченко. — Киев: Международная ассоциация «Сварка», 2013. — 396 с. Мягкий переплет,
165х235 мм.
Сборник включает основные публикации — статьи, доклады, информационные
материалы и изобретения в области сварки и наплавки меди и ее сплавов за период
с 1953 по 2013 гг., авторами которых являлись в основном сотрудники Института
электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. В представленных материалах освещен
широкий круг вопросов разработки прогрессивных технологических процессов сварки
и наплавки этих материалов и опыт их производственного применения в различных
отраслях промышленности.
Сборник может быть полезен инженерно-техническим работникам сварочного
производства, а также специалистам, развивающим исследования в этой области.
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ ХАОС В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ. В. Н.
Сидорец, И.В. Пентегов. — Киев: Международная ассоциация «Сварка», 2013. — 272 с. Твердый
переплет, 165х235 мм.
Монография посвящена изложению результатов исследования фундаментальных
свойств электрической дуги как нелинейного элемента электрических цепей. Описаны
выявленные закономерности и механизмы возникновения детерминированного хаоса
в этих цепях и сценарии его развития. Особое внимание уделено оригинальным
математическим методам исследования нелинейных динамических систем. Все по-
лученные результаты проиллюстрированны. Рассчитана на широкий круг специа-
листов в областях теоретической электротехники и нелинейных динамических систем,
а также аспирантов и студентов.
По вопросам заказов на книги просьба обращаться
в редакцию журнала «Автоматическая сварка». Тел.: 200-54-84.
НОВЫЕ КНИГИ
9/2013 51
|