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. П...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.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| _version_ | 1860090475233411072 |
|---|---|
| author | Коротков, В.А. |
| author_facet | Коротков, В.А. |
| 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. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | 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.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:22:49Z |
| format | Article |
| 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
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103116 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:22:49Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коротков, В.А. 2016-06-14T04:47:17Z 2016-06-14T04:47:17Z 2013 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. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103116 621.791.92 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. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы Effect of residual stresses in surfacing at pins fastening in mill body Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы Коротков, В.А. Производственный раздел |
| title | Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_alt | Effect of residual stresses in surfacing at pins fastening in mill body |
| 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_short | Влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление ЦАПФ в корпусе мельницы |
| title_sort | влияние остаточных напряжений при наплавке на закрепление цапф в корпусе мельницы |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103116 |
| work_keys_str_mv | AT korotkovva vliânieostatočnyhnaprâženiiprinaplavkenazakrepleniecapfvkorpusemelʹnicy AT korotkovva effectofresidualstressesinsurfacingatpinsfasteninginmillbody |