CC BY
14
шй в сечениях и запасов прочности, динамического коэффициента, учитывающего же прогиба при приближении к резонансной частоте, приведенных и растягивающих 1ий нагрузочного цикла, а также расчетного числа циклов работы вала до его разрушения) выполнять по известной методике для радиальных машин [2J, имея в виду, что степень жчности нагрузочного цикла главных валов диаметральных машин будет при этом ниже
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Беляев И.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976. - 450 с.
2. Ковалевская В.И., Бабак Г.А.., Пак В.В. Шахтные центробежные вентиляторы. - М.: Недра. - 320 с.
3. Копачев В.Ф. Определение реверсивных аэродинамических характеристик радиально-шьных установок главного проветривания // Известия вузов. Горный журнал. - 1999. - Xsl-2. -
162
4. Тммухип С.А., Копачев В.Ф. О создании поверхностных комплексов центробежных главных )рных установок без обводных каналов и переключающих ляд // Известия вузов. Горный журнал.
№7. -8. -С. 143-146.
622. 44
A.B. Сигошин, С.С.Шантарин, В.С.Марущак
АНАЛИЗ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ВАЛОВ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
При детерминированном подходе к оценке выносливости валов шахтных вентиляторов главного проветривания (ВГП) учитываются следующие исходные факторы: фактическая загруженность, степень асимметричности нагрузочного цикла, уровень концентрации аапряженнй, материал вала, его диаметр и рабочие частоты вращения, степень поверхностной яоррозии, а также качество обработки поверхности.
Следовательно, зависимость допускаемого числа рабочих циклов главных валов вентиляторов является многофакторной, что вызывает необходимость установления степени влияния различных факторов на долговечность валов, а следовательно, и ВГП в целом.
Используем для этого главный двухопорный вал вентилятора ВЦД-47, имеющий конкретную рабочую нагружснность [3|, и следующие конструктивные характеристики: ват имеет переменное сечение (под ступицей рабочего колеса его диаметр составляет 700 мм, а в местах
посадки подшипников 390 мм); вал имеет 8 галтельных и 2 конических перехода; масса вала 23600 кг; рабочий диапазон частот вращения 250 - 490 мин материал вала Ст. 20. Поверхностному упрочнению вал не подвергался.
Выполним анализ влияния указанных выше факторов на расчетное допустимое число рабочих циклов этого вала, определяемое по методу Бсрснова. который базируется на предположении, что при любом стремящемся к нулю напряжении разрушение наступает при числе циклов 1014 [11. Необходимость использования этого метода объясняется тем, что рабочее число циклов вала ротора вентилятора на один-два порядка превышает 107 Так, за один год работы число циклов при частоте вращения 600 мин 1 составляет 3 108, а за четыре года более 109. При анализе будем использовать три различные марки стали (Ст.20, Ст. 35, Ст. 40), из которых, как правило, изготавливают коренные валы крупных ВГП.
Для наглядности представления результатов используем полулогарифмическую систему координат, где по оси абсцисс откладываются исследуемые факторы, а по оси ординат - числа циклов работы вала. При этом числам циклов работы вала соответствуют следующие периоды времени непрерывной его эксплуатации: 107 - 0,038 лет, 108 - 0,38 лет,......10й - 383 года.
Рассмотрим поочередно влияние каждого из этих факторов в отдельности для установления характера зависимости от каждого из них на долговечность вала (прочие факторы остаются при этом в некотором среднем своем значении). Следует добавить, что значительное влияние на величину нагрузок, действующих на вал в процессе эксплуатации, оказывает уровень вибрации подшипниковых опор, поэтому принимаем допущение, что осуществляется непрерывный контроль вибрации и ее уровень не превышает границ, обусловленных эксплуатационными нормами [2, 7).
Рассмотрим влияние состояния поверхности валов на их усталостную прочность. Общеизвестно, что при построении кривых усталости используют результаты опытов, проводимых, как правило, на гладких отполированных образцах О^ <, 15 мм. Поэтому
определяемые в ходе этих опытов технические характеристики стали являются по сути характеристиками образца, и при переходе к реальной машине необходимо вводить ряд поправочных коэффициентов.
Одним из этих коэффициентов является коэффициент качества обработки поверхности, который учитывает повышение уровня концентрации напряжений при ухудшении качества обработки поверхности. В нашем случае, исходя из реального состояния поверхности в опасном сечении (галтельный переход), этот коэффициент был принят К0=0,87, т.е. при расчете реальная величина предела выносливости составила 0,87 • сг_, (<т_, -табличное значение предела выносливости). Здесь необходимо отмстить, что данный коэффициент не учитывает повышения уровня концентрации напряжений вследствие дальнейшего ухудшения состояния поверхности вала, которое неизбежно имеет место при длительной эксплуатации вентилятора (особенно это
для проточной части всасывающих ВГП). Для учета влияния этого фактора на по напряжений в расчетах вводится так называемый коэффициент коррозии Кк. Результаты исследования влияния Кк вала на его долговечность представлены на рис.1, видно, что зависимости N = / (Кх\ где N - допускаемое число циклов работы вала до 1ия (Кк в нашей задаче был проварьирован в диапазоне от 0 до 50 %), имеют :йный характер. Нулевое значение Кх соответствовало идеализированному процессу, Iкггором коррозии нет. Данные зависимости могут быть описаны полиномом второй степени.
-.«г
I «•
itr
К. Л
19%
jos
0Л1
0JM
0.05
504 0.0»
Рис.1. Допускаемые числа циклов работы вала в зависимости от коэффициента коррозии и радиуса галтельного перехода к диаметру вала
Другим фактором, рассматриваемым в рамках влияния состояния поверхности на >сталость, является наличие различных местных концентраторов напряжения (прессовая посадка, галтельный переход, шпоночный паз и т.п.). В нашем случае это галтельный переход, у которого Hd - 0,024 где г - радиус галтельного перехода; d - диаметр вала. Изменяя радиус галтели расчетным путем, получим зависимости N = f (rid) рис.1. Зависимости носят прямолинейный характер и могут быть описаны полиномом первой степени.
Следующим фактором, реально влияющим на предел выносливости и соответственно на долговечность узла, является масштабный фактор, суть которого заключается в уменьшении предела выносливости при переходе к большим сечениям. Это явление объясняют различными
причинами, основной из них, по-видимому, является падение механических свойств стали при переходе от малых сечений к большим. Для учета влияния этого фактора в расчете был использован коэффициент влияния абсолютных размеров е= 0,76 (при диаметре вала в опасном сечении Э, = 420 мм). При существующих в настоящее время некоторых незначительных расхождениях в способах определения этого коэффициента можно отмстить одну закономерность. Для конструкционных сталей этот коэффициент резко снижается в пределах от 10 до 50 мм, затем его влияние становится все более незначительным и при й £ 200 мм он практически не изменяется.
t>.%
♦ 104 ♦»* 0 -J* -104
Рис.2. Допускаемые числа циклов работы вала в зависимости от частоты его вращения и его диаметра
Результаты влияния изменения диаметра вала на его долговечность приведены на рис.2, где представлены зависимости N = / (/),). При расчете диаметр вала изменялся в процентном отношении от исходного (420 мм) в пределах от -10 % до +10 %. Зависимости носят криволинейный характер и могут быть описаны полиномом второй степени. Их сравнительный анализ показывает, что данный фактор наиболее значимо влияет на долговечность вала. Необходимо также отмстить, что в данном расчете соответствующим образом учитывалось изменение динамического коэффициента, зависящего от рабочей скорости вращения и от геометрических параметров и массы вала.
Рис.3. Допускаемые числа циклов работы вала в зависимости от коэффициента асимметрии
На рис.2 представлены зависимости N = / (п), т.е. результаты исследования влияния вращения вала на его долговечность. При этом значения п изменялись от 250 до 500 мин соответствует реальному диапазону изменения скоростей вращения вентилятора ВЦД -47. юсти носят криволинейный характер и могут быть описаны полиномом второй степени.
Результаты расчета влияния степени асимметричности цикла нагружения вала на его долговечность, т.е. зависимости N = /(г) приведены на рис.3, где г = СГ|Ш" (г - коэффициент
асимметрии цикла, сг^ст^ - максимальные и минимальные растягивающие напряжения
цикла). При этом значения коэффициента г варьировались в диапазоне от г = -1 (симметричный знакопеременный цикл) до г =0,8 (асимметричный знакопостоянный цикл). Расчет проводился с помощью диаграмм предельных напряжений (диаграмм Смита). Рассматриваемые зависимости могут быть описаны полиномом второй степени. Из рис.3 можно сделать следующие выводы:
- с увеличением г возрастает и допустимое число циклов работы вала до разрушения;
- увеличение ам ( <тм = 0,5-(сг^ +<тМ1П) - средние напряжения цикла) при неизменных
максимальных растягивающих напряжениях цикла сгмах также приводит к увеличению
допустимого числа циклов работы вала до разрушения.
Как видно из рис.1, 2, 3, допускаемое число циклов работы вала до разрушения повышается с улучшением технических характеристик стали (максимальное у ст.40). Из этого напрашивается вывод, что достаточно применять более прочные легированные стали для
изготовления коренных валов ВГП с целью обеспечения их более надежной работы при длительной эксплуатации. Однако это не совсем так. Дело в том. что легированные стали настолько более чувствительны к концентраторам напряжений, что приведенный предел выносливости их зачастую оказывается примерно равным или даже ниже, чем у низкоуглсродистых конструкционных сталей.
а. МПо
Рис.4. Приведенный блок нагружения вала, соответствующий суточному графику подачи воздуха
Следует отметить, что детерминированный подход при оценке долговечности валов ВГП имеет ряд недостатков. В частности, при таком подходе не учитывается ряд факторов, таких, как:
- температура окружающей срсды;
- изменения напряженного состояния, происходящие вследствие регулирования ВГП;
- спектр нагружения (складывается из степени периодичности нагружения, частотности циклов напряжений в пределах блока нагружения, относительной длительности периодов работа -отдых и др.);
- возможные перегрузки, возникающие вследствие повышенного уровня вибрации подшипниковых опор.
Если предположить, что вентилятор работает согласно суточному графику работы, приведенному в [8], т.е. подвергается регулированию, в данном случае изменением частоты вращения, то можно рассчитать его суточный блок нагружения (рис.4). Проведя обработку данного блока по методике, приведенной в [6], получаем значительное увеличение допустимого числа циклов работы вала до разрушения по сравнению с детерминированным способом расчета. Так, для точки а (см.рис.3) допускаемая длительность работы вала составляет 8,23 года (при
ВГП на максимальном режиме), если же вентилятор подвергается регулированию согласно
(8], то допускаемая длительность эксплуатации составит 10,11 года. Таким образом, для более полного учета факторов, влияющих на долговечность коренных и других основных узлов ВГП, необходима разработка вероятностной методики, >щсй прогнозировать остаточный ресурс ВГП с вероятностью 90-95% [5].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Беренов Д.И. Расчеты деталей на прочность. - М.: Машгиз. 1959. - 316 с.
2. Болотин В.В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984.
с
3. Ковалевская В.И., Бабак Г.А., Пак В.В. Шахтные центробежные вентиляторы. - М.: Недра, -320 с.
4. Марочник сталей и сплавов / Под общ ред. В.Г.Сорокина. - М.: Машиностроение. 1989. -
с
5. Методические указания но определению остаточного ресурса ногешдиалыю опасных ов, поднадзорных Госгортехнадзору России. РД-09-102-95, утвержденные постановлением
Гхгортсхнадзора России 17.11.95. за №57.
6. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическос пооэбие. Т.1. - М.: ЭЬжнностросние, 1988 -640 с
7. Руководство по ревизии и палатке главных вентиляторных установок шахт / Гофман A.C., ед И.С., Цуцык ИТ. и др. - М.: Недра 1981. - 123 с.
8. Тимухин С.А. Обоснование и обеспечение рациональных режимов эксплуатации шахтных х вентиляторных установок: Авторсф. дис. ... д-ра техн. наук. - Екатеринбург. 1998. - 38 с.
