Примеры опубликованных научных статей

Задорожный В.Д.

Новотроицкий филиал МИСиС

 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КРИТИЧЕСКОГО УГЛА ТРЕНИЯ

Определение необходимого и достаточного числа опытов, наряду с выбором условий их проведения, является необходимой процедурой для решения поставленной экспериментальной задачи. Увеличение числа опытов дает возможность получать интерполированные результаты с более высокой степенью точности. Однако в большинстве случаев это сопровождается увеличением затрат времени и материальных ресурсов, особенно если эксперимент является невоспроизводимым. В отличии от традиционных “пассивных” статистических методов математическое планирование эксперимента является активной процедурой, которая определяет довольно жесткую схему проведения испытаний и анализа полученных данных /1/. Предлагаемый метод определения числа опытов на основании гипотезы о нормальном законе распределения результатов измерений является достаточно проверенным, точным и надежным, когда речь идет о массовом эксперименте с получением механических характеристик конструкционных материалов.

При проведении эксперимента по определению критического угла трения (угла самоторможения) для углеродистой качественной конструкционной стали 45 (ГОСТ 1050 – 74) /2/, возникла необходимость в определении минимального количества опытов, гарантирующих заданную точность определяемых параметров.

В связи с тем, что исследуемые характеристики получаются путём испытаний ограниченного числа образцов (моделей), они будут отличаться от так называемых генеральных характеристик. Генеральные характеристики могут быть найдены по результатам испытаний бесконечно большого числа образцов и, соответственно, бесконечно большого числа измерений /1/. Проведённые испытания можно считать выборкой, на основании которой оцениваются с определённой точностью значения генеральных характеристик. Данное решение основывается на гипотезе о нормальном законе распределения результатов измерений, разброс которых обусловлен погрешностью

выбранного экспериментального метода.

При проведении эксперимента получен набор значений угла клина . С учетом того, что число испытаний небольшое, вычисление величины выборочного среднеквадратичного отклонения S_n без больших погрешностей можно осуществить по формуле:

, (1)

где - размах варьирования, равный разности крайних значений измеряемой величины ;

- коэффициент, значение которого зависит от числа измерений n (определяется по справочным данным).

Выборочное среднеарифметическое значение набора измеряемых величин определяется по формуле:

, (2)

где - значение измеряемой величины для i – того образца;

- число испытаний (объём выборки).

Ширина доверительного интервала для математического ожидания определяется числом измерений n и выборочными значениями , S и определяется по формуле:

, (3)

где - коэффициент Стьюдента;

- величина выборочного среднеквадратичного отклонения (среднеквадратичная ошибка).

Величина коэффициента Стьюдента t зависит от объёма выборки n и заданной доверительной вероятности . Для проводимых испытаний, учитывать то, что они являются обычными, можно ограничиться доверительной вероятностью 0,95.

Для оценки степени разброса результатов эксперимента необходимо провести предварительные эксперименты с меньшим числом измерений m. Так как проводимый эксперимент является массовым однотипным испытанием, увеличение количества предварительных опытов будет оправдано.

При оценке точности экспериментального метода по формулам (1) и (2) необходимое количество планируемых экспериментов будет следующим:

, (4)

При проведении эксперимента проведены пять предварительных испытаний пары образцов стали 45 с шероховатостью по . При этом был получен набор значений угла клина , , , , . Следовательно, размах варьирования , а среднеквадратичное отклонение для этой выборки, определённое по формуле (1) , где . Ширина доверительного интервала для данного случая , при .

Таким образом, необходимое минимальное количество планируемых измерений угла клина с учётом формулы (4) . Это количество опытов на основании проведенных расчётов позволяет с требуемой вероятностью и предварительным числом испытаний обеспечить получение достоверных результатов эксперимента. Увеличение числа опытов, если это не требует больших затрат времени и средств, позволяет увеличить степень достоверности получаемых результатов, что и было сделано при проведении рассматриваемого эксперимента /2/.

Применение гипотезы о нормальном законе распределения результатов измерений позволило получить экспериментальные сведения о значении угла клина фрикционной пары “сталь-сталь” с требуемой точностью при минимальных затратах средств и времени.

 

Список использованных источников

 

1 Чиченёв Н.А., Кудрин А.Б., Полухин П.И. Методы исследования процессов обработки металлов давлением. М., “Металлургия”, 1987.

2 Задорожный В.Д., Зленко А.А., Комендантова О.Н. Экспериментальное исследование влияния видов обработки стали на критический угол трения. - Региональная научная конференция “Наука и производство Урала”, сб. науч. трудов. Новотроицк, 2005.

 

 

К ВОПРОСУ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ РОЛИКА УНИФИЦИРОВАННОГО ТРАНСПОРТНОГО РОЛЬГАНГА

 

Шаповалов А.Н.

Новотроицкий филиал

Московского института стали и сплавов

Одним из направлений при создании надёжных, простых в обслуживании и ремонте машин является применение организации машиностроения на основе полной взаимозаменяемости элементов и деталей машин. Это направление было применено при разработке унифицированного рольганга блочно-модульной конструкции для прокатных цехов.

Ролик является массовым элементом рольганга, определяющим его экономичность и надёжность работы. Условия перемещения груза по рольгангу предъявляют к ролику ряд требований:

- наименьший момент инерции вращающихся масс ролика относительно его оси;

- высокая точность изготовления ролика, в частности минимальные отклонения от цилиндрической формы.

Выполнение обоих перечисленных требований обеспечивает нормальную работу рольганга и сохранность транспортируемого груза.

Предлагаемая конструкция унифицированного рольганга даёт возможность рассматривать сам ролик, как модуль, изготавливаемый и транспортируемый до места сборки отдельно от подшипниковых блоков и других элементов рольганга.

Конические отверстия позволяют осуществить быстрое и надёжное присоединение ролика к соответствующим коническим втулкам валов заднего и переднего подшипниковых блоков, а также облегчают их отсоединение.

Основное преимущество конического соединения ролика с подшипниковыми опорами заключается в том, что оно просто в изготовлении, обеспечивает хорошее центрирование ролика, не требует специальных крепёжных деталей, может быть использовано для очень больших нагрузок, а также обеспечивает практически неограниченное число сборок и разборок соединения.

В процессе работы рольганга крутящий момент от привода через коническую втулку подшипникового блока передаётся к ролику благодаря трению-сцеплению, аналогично передаче крутящего момента коническим хвостовиком металлорежущих инструментов (свёрл,

зенкеров, фрез и т.п.).

Предлагаемая конструкция ролика позволит существенно сократить расход материала на изготовление, а также позволит осуществить его водяное охлаждение через сквозное отверстие.

Статистический анализ эксплуатации роликов показывает, что одними из основных причин его отказов является разрушение подшипника качения, износ бочки ролика, поломка опорных шеек (цапф). Отсутствие опорных шеек (с закрепляемыми на них подшипниками) у роликов унифицированного рольганга, снижает вероятность конструктивных и производственных отказов по указанным причинам. При такой конструкции ролика формы его рабочих поверхностей могут быть самыми различными. На рисунке 1 представлены ролики с различными конфигурациями рабочей поверхности, которые удовлетворяют условиям транспортирования различных грузов на всех участках прокатного стана.Представленные ролики могут иметь различные геометрические размеры, в том числе диаметры и длины бочек, однако размеры присоединительных поверхностей у них выполняются одинаковыми.

Таким образом, предлагается провести унификацию роликов всех рольгангов прокатных цехов только по присоединительным размерам. Это даст возможность совмещения роликов любых размеров и конструкций с унифицированными (одинаковыми для роликов всех типов) подшипниковыми опорными модулями.

Применение унифицированного ролика в блочно-модульной конструкции рольганга позволит качественно изменить основные характеристики надёжности металлургических машин: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Ролики рольгангов прокатных станов работают в условиях воздействия высоких знакопеременных нагрузок, температур и значительных контактных напряжений, обуславливающих их износ. В этой связи они должны обладать повышенной теплостойкостью, прочностью, износостойкостью, выносливостью и вязкостью.

Для изготовления роликов применяют такие марки стали как 25Х1МФ, 25Х1М1Ф и др. Механические свойства этих сталей (σ_в = 820 – 840МПа/мм², δ = 14 – 16 %, Ψ = 48 – 52 %, КCU = 57 – 61 Дж/см², НRC = 22 – 26) обеспечивают удовлетворительную работу роликов при температурах до 550 . При более высоких температурах происходит изменение структуры металлической основы роликов, коагуляция карбидов, разупрочнение, приводящее к снижению теплостойкости и износостойкости.

 

 

а) б)

 

 

в) г)

Рисунок 1 - Формы рабочих поверхностей унифицированного ролика

 

Износ бочки ролика является характерной причиной постепенного отказа рольганга, обусловленного естественными процессами старения и изнашивания в процессе эксплуатации. Постепенные отказы происходят в результате многократного воздействия предельных нагрузок, которые вызывают снижение прочностных свойств.

Кроме того, при установившемся процессе эксплуатации рольганга возникают эксплуатационные отказы, которые являются следствием разброса механических свойств материала, из которого изготовляется ролик.

Для качественного изменения показателей, характеризующих безотказность и долговечность ролика, необходимо оптимизировать химический состав тепло-износостойкой стали. Применяемые для изготовления роликов стали, кроме углерода, обязательно содержат хром и молибден.

Хром и молибден являются сильными карбидообразующими, что повышает износостойкость. Их одновременное введение повышает температуру рекристаллизации феррита, что ведёт к повышению теплостойкости. Количество углерода находится в пределах 0,08-0,25 %. Повышение содержания углерода сверх 0,25 % ведёт к росту

износостойкости, однако, снижает теплостойкость.

Для улучшения структуры и повышения износостойкости роликов в состав стали можно вводить такие элементы, как ванадий, титан и бор. Известно, что введение ванадия в сталь приводит к измельчению зерна, и мелкое зерно сохраняется до температуры 900 – 1000 . Ванадий является также карбидообразующим элементом, что повышает износостойкость сталей. Совместное присутствие в стали титана и бора позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали. Измельчение структуры достигается за счёт образования в расплаве дополнительных центров кристаллизации (TiN) и ограничения роста кристаллов за счёт поверхностно активного бора. При последующей фазовой рекристаллизации стали, при термической обработке, структура ещё более измельчается.

Опытные плавки позволили установить оптимальный химический состав стали для роликов: С=0,15-0,3 %; Si=0,20-0,40 %; Mn=0,25-0,35 %; Cr=1,5-1,8%; Mo=0,3-0,5%; V=0,6-0,8%; Ti=0,1-0,12%; B=0,005-0,008%.

Стали данного состава обладают следующими свойствами: HRC = = 32-35; σ_в⁺⁵⁶⁰ = 560 – 580 МПа; σ_в = 880 – 840 МПа; НRC⁺⁶⁵⁰ = 30 – 33; Kи = 2,1 – 2,5.

Таким образом, введение в базовый легирующий комплекс, кроме Cr и Mo, таких элементов, как V, Ti и B, позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства тепло-износостойкой стали для изготовления роликов: прочность, твёрдость, тепло-, жаро- износостойкость. Применение таких сталей для изготовления роликов унифицированной блочно-модульной конструкции рольгангов позволит значительно повысить надёжность всего прокатного стана, т.е. качественно изменить такие показатели безотказности и долговечности, как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, вероятность отказа, а также средний срок службы и средний ресурс.

 

Список использованных источников

 

1 Ю.В. Жиркин. Надёжность металлургических машин. Ч.I: Основы теории надёжности: Учеб. Пособие. Магнитогорск: МГМИ, 1994.-52с.

2 В.Д.Задорожный, Н.А.Чиченёв / Блочно-модульная конструкция рольганга. – II Всероссийская научно-практическая конференция “Инновации в машиностроении”. Сб. статей. Пенза, 2002. – с.147-149.

3 Женин Е.В. Повышение свойств стали для роликов машины непрерывного литья заготовок путем комплексного воздействия на ее

структуру / Автореф. дисс. к. т. н. – Магнитогорск, 2001. – 22с.