Объектом исследования в данной работе является вал ротора электродвигателя привода нижнего валка клети 950 как элемент главной линии клети.
Внимание, оказанное этой детали, объясняется тем, что разрушение такого рода деталей происходит крайне редко, но их отказ влечёт за собой остановку всего стана и, следовательно, значительные затраты и простой цеха. Поэтому очень важно тщательно проанализировать этот случай и сделать соответствующие выводы о причинах рассматриваемой аварии.
В свою очередь, знание причин разрушения данного конкретного объекта необходимо для того, чтобы определить, единичный ли это отказ, или подобные отказы могут произойти на аналогичных объектах. Эта проблема особенно актуальна в свете того, что рассматриваемые детали и оборудование в целом являются уникальными, поэтому их аварийный отказ влечёт длительный простой стана, и как следствие, крупные потери и значительные затраты на восстановление работоспособности.
Своевременное обнаружение этих причин на других объектах ремонтной службой или цеховой службой диагностирования позволит предотвратить их аварийные отказы и контролировать в дальнейшем развитие данных причин.
Цель настоящих исследований заключается в выявлении факторов, обуславливающих напряжённо-деформированное состояние вала двигателя, оценке степени их влияния, а также в установлении истинных причин, приведших к разрушению вала ротора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд следующих задач:
1) визуально проанализировать характер разрушения вала двигателя;
2) определить силовые факторы, воздействующие на вал;
3) выполнить математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния вала с учётом выявленных силовых факторов, оценить степень их влияния.
Научную новизну в данной работе составит выявление факторов, обуславливающих напряжённо-деформированное состояние вала двигателя, оценка степени их влияния на характер распределения напряжений в теле вала и техническое состояние вала ротора электродвигателя в целом, а также определение их числовых значений.
Практическое использование результатов данных исследований может быть применено для предотвращения аварийных разрушений аналогичных валов путём устранения факторов, способствующих возникновению и развитию усталостных трещин в деталях.
Обзор существующих на данный момент исследований и разработок производился в следующих трёх направлениях: обзор научной и учебной литературы; обзор периодических изданий; обзор полезной информации в сети Интернет. В качестве полезной информации рассматривались три основных аспекта исследований: теоретические основы расчётов силовых факторов, действующих на валы; методология проведения анализа отказов валов, в том числе усталостных разрушений валов электродвигателей, а также механизмы зарождения и развития усталостных трещин в деталях машин и различных конструкциях; математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния валов с помощью метода конечных элементов от воздействия различных нагружающих факторов.
Результатом обзора научной и учебной литературы является довольно большое число полезных источников,
содержащих ценную информацию о характерных особенностях усталостных изломов, сущности усталостных явлений,
зарождении усталостных трещин, факторах, влияющих на усталостную прочность, влиянии действующих напряжений на характер излома, методах и последовательности анализа усталостных разрушений валов[1,2,3,4].
Очень полезной оказалась найденная классификация строения усталостных изломов при различных видах и характерах разрушения [4], при помощи которой была определена схема разрушения исследуемого вала.
Таблица 1 - Классификация строения усталостных изломов при различных видах и характерах нагружения.
Кроме того, была найдена методика расчёта различных силовых факторов, действующих на вал двигателя, таких как моменты прокатки, давление от напрессовки полумуфты, нагрузки, возникающие при погрешностях монтажа, и влияния их на напряжённо-деформированное состояние исследуемого объекта [5].
По проблеме математического моделирования напряжённо-деформированного состояния валов с помощью метода конечных элементов можно отметить наличие специализированной литературы, в которой описывается суть и основные положения метода конечных элементов, а также приводятся различные примеры [6]. Наиболее близким к данным исследованиям является пример, моделирующий напряжённое состояние при напрессовке втулки на вал. Результат моделирования представлен на рисунке 1.
Рис. 1 – Моделирование напряжений в соединении «вал – втулка».
Обзор периодических изданий проводился за последние 5 – 10 лет в таких журналах: «Сталь», «Металлургическая и горнорудная промышленность», «Металл и литьё Украины», «Производство проката». Практически никакой информации по теме данных исследований найдено не было, за исключением статьи "Частотные свойства главных приводных линий клетей широкополосных станов" в журнале "Сталь"[7].
В результате поиска информации в сети Интернет были найдены полезные ресурсы, содержащие довольно большой объём информации по теме исследований, хотя в большинстве случаев это информация, касающаяся методологии проведения анализа усталостных разрушений валов электродвигателей, механизмов зарождения и развития усталостных трещин в деталях [8]. Например, в статье «Усталостные трещины» изложены основные принципы возникновения и развития усталостных трещин. Для объяснения зарождения усталостных трещин локальными пластическими деформациями рассмотрены несколько эквивалентных моделей. Представлены снимки микроструктуры изломов образцов, по которым можно судить о типе и причине разрушения детали. В статье «Распространение усталостной трещины» рассматриваются теоретические основы зарождения и последующего распространения усталостных трещин. Описываются закономерности появления усталостных трещин при циклическом нагружении. На рисунке 2 показаны зависимости, характеризующие распространение усталостных трещин.
а — кривые роста трещины; б — скорость распространения трещины
Рис. 2 - Распространение усталостной трещины
Статья «Трещины в конструкции» описывает поведение усталостной трещины при действии циклических нагрузок на конструкцию. Для обеспечения надежности конструкции необходимо предсказать, как быстро будут расти трещины и как быстро будет уменьшаться остаточная прочность. На рисунке 3 изображена зависимость остаточной прочности от размера трещины.
Рис. 3 - Кривая остаточной прочности
В статье «Анализ разрушений в условиях эксплуатации» рассматриваются причины необходимости проведения анализа разрушений эксплуатируемых объектов, доскональное исследование случаев разрушений с целью выявления характерных признаков и установления факторов, которые привели к излому.
Также несколько статей по теме исследований было найдено на английском языке. В статье «Root cause failure analysis - interpretation of fatigue failures» рассматриваются различные причины поломок валов. В деталях описываются характерные признаки усталостных разрушений валов, их характерные особенности [9].
Статья «Root cause failure analysis - understanding mechanical failures» рассматривает возможные типы разрушений валов, виды усталостных разрушений, методику определения нагрузки, приведшей деталь к поломке, а также принципы визуального анализа поверхности изломов [10].
Довольно информативной оказалась статья «The cause and analysis of shaft stress», в которой рассматриваются причины разрушения валов электродвигателей и методика анализа усталостных разрушений валов [11]. На рисунке 4 изображён вал электродвигателя с выделенными зонами концентрации напряжений.
Рис. 4 – Места концентрации напряжений на валу электродвигателя.
Интернет-источников, посвящённых математическому моделированию напряжённо-деформированного состояния валов электродвигателей не оказалось, однако ресурсов, содержащих описание методики и приводящих примеры по моделированию различных процессов и конструкций, довольно много.
Таким образом, подводя итог проведенного обзора существующих исследований и разработок, можно говорить о том, что аналогичных данному исследованию работ ранее выполнено не было, что лишний раз подтверждает необходимость его проведения. В процессе поиска были выявлены лишь теоретические положения, касающиеся темы настоящих исследований.
В результате проведённых исследований будут выявлены факторы, обуславливающие напряжённо-деформированное состояние вала двигателя, получена достоверная картина степени влияния каждого из этих факторов на характер распределения напряжений в теле вала и техническое состояние вала ротора электродвигателя в целом.
Проведение исследований по проблеме аварийных разрушений валов электродвигателей привода рабочих клетей является чрезвычайно важной задачей, несмотря на всю сложность поставленной задачи, состоящую в определении всех возможных факторов, воздействующих на вал, и оценке степени их влияния на его напряжённо-деформированное состояние, так как своевременное предупреждение развития выявленных факторов на других объектах позволит избежать аварийных отказов и существенно снизить экономические потери и затраты на восстановление работоспособности оборудования.
На данный момент (май 2006г.) магистерская работа находится в стадии разработки. Срок окончательного завершения работы - январь 2007г. По всем интересующим вопросам обращайтесь к автору.
Отчёт о поиске
Ссылки по теме
Электронная библиотека
Индивидуальное задание