Підвищення міцності сталевих циліндричних елементів машин та конструкцій - Автореферат

Основні завдання, які розвязувалися у дисертаційній роботі, відповідали держбюджетним темам, що виконувались на кафедрі "Теоретична механіка" Національного університету "Львівська політехніка": "Дослідження динамічних процесів елементів машин і механізмів з нелінійними пружними характеристиками" (державний реєстраційний номер № 0103U001340, згідно з наказом МОН України № 633 від 05.11.02) протягом 2002-2003 рр., та "Математичний опис нелінійних деформаційних процесів у сучасних матеріалах в умовах складних термомеханічних випробовувань" (державний реєстраційний номер №0105U000613, згідно з наказом МОН України № 960 від 22.12.04) протягом 2004-2005 рр. дослідити вплив неоднорідності механічних властивостей в елементах з м?яким прошарком на їхню міцність; Для досягнення означеної мети та розвязання наукових задач використовувались такі методи: розрахунково-експериментальний метод (РЕМ) визначення напружень в ЦЕМК з кільцевим пластичним швом; метод математичного планування експериментів та статистичного опрацювання експериментальних даних; метод контактної локальної термоелектрорушійної сили (КЛ ТЕРС) для дослідження напруженого стану зерен мартенситу; визначення міцності при розтязі та характеристик тріщиностійкості при статичному й циклічному навантаженнях; вимірювання залишкових напружень методами сіток, механічної і магнітопружної тензометрії. удосконалено РЕМ визначення напружень, що виникають при зварюванні ЦЕМК зі сталей, схильних до мартенситного перетворення, чого досягнено розширенням множини функцій, які дозволили апроксимувати поля залишкових пластичних деформацій; В опублікованих у співавторстві роботах дисертанту належить: [1] - опрацювання краєвих умов; [2] - обґрунтування розрахункової схеми визначення напружень; [3] - аналіз впливу форми розробки крайок на вигляд функції поля умовних пластичних деформацій і виразів для визначення залишкових напружень; [6] - експериментальні вимірювання напружень з допомогою КЛ ТЕРС, статистичне опрацювання результатів; [9] - аналіз впливу параметрів, які характеризують поле пластичних деформацій, на розподіли залишкових напружень; [10] - розробка методики вимірювання КЛ ТЕРС; [12] - опрацювання результатів експериментальних досліджень; [15] - розрахунок розподілу залишкових напружень, залежно від параметрів поля пластичних деформацій; [16] - дослідження впливу мікроструктури оболонкових елементів на розподіл напружень; [17] - моделювання напруженого стану у зєднаннях високоміцних сталей; [18] - аналіз впливу складу шва на залишкові напруження; [20] - вивчення величини напружень 2-го роду у ЗТДВ.У дисертації наведено теоретичні та експериментальні результати досліджень щодо підвищення міцності циліндричних елементів машин та конструкцій з високоміцних низьколегованих сталей із властивостями: SB = 800-1050 МПА, s0,2 =500-800 Мпа, d = 15-20 %, при їх зварюванні без підігрівання та додаткового термічного оброблення, за рахунок зниження рівня залишкових напружень, забезпечення однорідності механічних властивостей та одержання певних геометричних розмірів зєднання. Встановлено, що існуючі методи забезпечення міцності переважно спрямовані на запобігання утворенню технологічних тріщин, але при цьому в недостатній мірі вирішується питання експлуатаційної надійності зєднань, із-за наявності в них значних залишкових напружень та істотної неоднорідності за механічними властивостями. Це дало можливість підвищити достовірність відтворення розподілу залишкових напружень за товщиною стінки елементів, з використанням даних про залишкові напруження на поверхні, отриманих експериментальними неруйнівними способами. Встановлено, що найефективніше керувати залишковими напруженнями можна розмірами зони пластичних деформацій і відстанню їх максимальних значень від осі шва, що досягається зміною його геометричних розмірів і параметрів режиму зварювання. Їх застосування дає змогу: досягти підвищення міцності і надійності демпферів та валів вантажних автомобілів і автобусів різних класів; підвищити достовірність відтворення результатів неруйнівного контролю залишкових напружень у трубопроводах; забезпечити прогнозовану експлуатаційну міцність при зварюванні елементів обсадних колон, що уможливлює отримання річного економічного ефекту в розмірі 22600 грн.

У дисертації наведено теоретичні та експериментальні результати досліджень щодо підвищення міцності циліндричних елементів машин та конструкцій з високоміцних низьколегованих сталей із властивостями: SB = 800-1050 МПА, s0,2 =500-800 Мпа, d = 15-20 %, при їх зварюванні без підігрівання та додаткового термічного оброблення, за рахунок зниження рівня залишкових напружень, забезпечення однорідності механічних властивостей та одержання певних геометричних розмірів зєднання.

1. Встановлено, що існуючі методи забезпечення міцності переважно спрямовані на запобігання утворенню технологічних тріщин, але при цьому в недостатній мірі вирішується питання експлуатаційної надійності зєднань, із-за наявності в них значних залишкових напружень та істотної неоднорідності за механічними властивостями.

2. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод визначення напружень у циліндричних елементах зі сталей, схильних до мартенситного перетворення, що досягнено розширенням множини функцій, які дозволили апроксимувати поля залишкових пластичних деформацій. Це дало можливість підвищити достовірність відтворення розподілу залишкових напружень за товщиною стінки елементів, з використанням даних про залишкові напруження на поверхні, отриманих експериментальними неруйнівними способами.

3. Проаналізовано вплив параметрів, що характеризують поле пластичних деформацій, на розподіл залишкових напружень у різних площинах циліндричних елементів із високоміцних сталей за наявності пластичного шва. Встановлено, що найефективніше керувати залишковими напруженнями можна розмірами зони пластичних деформацій і відстанню їх максимальних значень від осі шва, що досягається зміною його геометричних розмірів і параметрів режиму зварювання.

4. Встановлено, що міцність циліндричних елементів машин і конструкцій підвищується за рахунок формування аустенітного шва, що містить (11-15)% Mn та (0,3-0,38)% С, за якого досягається зменшення напружень 2-го роду у ЗТДВ на величину до 30% порівняно з іншими складами швів. Для отримання такого шва розроблений самозахисний порошковий дріт марки 40Г20.

5. Побудовано номограму для визначення відносної товщини мякого прошарку, необхідної для досягнення рівноміцності в з?єднаннях при розтязі циліндричних елементів. Для розробленого хімічного складу аустенітного шва вона знаходиться в діапазоні значень 0,4-0,6.

6. Встановлено, що за рахунок впровадження рекомендацій для виготовлення зєднань, отримуються такі геометричні параметри шва, які зумовлюють зменшення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в середньому на 15-25% в порівнянні з існуючими.

7. Доведено теоретично та підтверджено експериментально, що у разі формування шва декількома проходами, при певних його розмірах, хімічному складі та режимах зварювання, досягається зниження максимальних залишкових напружень розтягу до рівня 15-20 % від межі плинності основного металу. Рекомендації щодо підвищення міцності циліндричних елементів машин і конструкцій впроваджені у виробництво на підприємствах: ВАТ "Львівський завод гідромеханічних передач", ВАТ "Інститут автобусо- і тролейбусобудування", ЗАТ "Нафтогазбуд", ДП "Західукргеологія". Їх застосування дає змогу: досягти підвищення міцності і надійності демпферів та валів вантажних автомобілів і автобусів різних класів; підвищити достовірність відтворення результатів неруйнівного контролю залишкових напружень у трубопроводах; забезпечити прогнозовану експлуатаційну міцність при зварюванні елементів обсадних колон, що уможливлює отримання річного економічного ефекту в розмірі 22600 грн. Це підтверджено відповідними актами про впровадження.

Перелік основних публікацій за темою дисертації

1. Осадчук В.А., Палаш Р.В. Визначення залишкових напружень у тонких пластинах з прямолінійними швами // Вісник ДУ"ЛП" "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". - Львів. - 2000. - № 396. - С. 91-95.

2. Дзюбик А.Р., Назар І.Б., палаш Р.В. Метод визначення залишкових напружень у зварних зєднаннях коловим швом сталей, схильних до гартування // Машинознавство. - Львів. - 2002. - № 4. - С. 33-36.

3. Осадчук В. А., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. Напруження у стикових зварних зєднаннях кільцевим швом труб, які схильні до гартування // Вісник НУ"ЛП" "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". - Львів. - 2002. - №456. - С. 107-111.

4. Палаш Р.В. Підвищення надійності кільцевих зєднань обсадних труб / Вісник НУ "ЛП" "Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні". - Львів. - 2003. - №480. - С. 114-118.

5. Палаш Р.В. Вплив величини зони пластичних деформацій на залишкові напруження в кільцевих швах обсадних труб // Вісник НУ "ЛП" "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". - 2004. - № 509. - С. 99-104.

6. Палаш Р.В., Дзюбик А.Р. Дослідження особливостей напруженого стану нерозємних з?єднань деталей із високоміцних сталей // Вісник Луганського національного університету ім. В. Даля. - Луганськ. - 2005. - № 11(93). - С. 144-147.

7. Палаш Р.В. Формування залишкового напруженого стану на внутрішній поверхні зварних циліндричних елементів конструкцій із високоміцних сталей // Науковий вісник Укр. ДЛТУ: збірник науково-технічних праць. - 2005. - № 15.2. - С. 58-63.

8. Палаш Р.В. Підвищення технологічної та експлуатаційної міцності зварних деталей машин з високоміцних сталей // Машинознавство. -Львів. -2004. -№ 8 - С. 52-55.

9. Кузьо І., Палаш Р. Розподіл залишкових напружень у стиковому зварному зєднанні циліндричних деталей машин та елементів конструкцій із високоміцних сталей // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - Т. 10. - № 3. - С. 5-9.

10. Деклараційний патент на винахід № 68991 А, Україна, МПК G01L1/20, H01L35/28H01L35/30, H01L35/32, Спосіб визначення напружень в поверхневому шарі металевого виробу і пристрій для його реалізації, Кузьо І.В., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. (Україна) № 20031110619; Заявл. 25.11.2003; Опубл. 16.08.2004// Промислова власність -2004. - №8. - 3 с.

11. Деклараційний патент на корисну модель № 4992, Україна, МПК В23К9/00, Спосіб автоматичного електродугового зварювання обсадних труб, Палаш Р.В. (Україна) № 20040604506; Заявл. 09.06.2004; Опубл. 15.02.2005// Промислова власність. - 2005. - №2. - 2 с.

12. Деклараційний патент на корисну модель № 8135, Україна, МПК G01B5/30, G01L1/06, Спосіб визначення розмірів зони пластичних деформацій в зварному зєднанні, Палаш В.М., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. (Україна) № u 2005 00679; Заявл. 25.01.2005; Опубл. 15.07.2005 // Промислова власність. - 2005. - № 7. - 1 с.

13. Палаш Р. Умови забезпечення експлуатаційної надійності деталей машин з високоміцних сталей при наявності в зварних зєднаннях механічних неоднорідностей // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції "Дні науки - 2005". - Том 35 "Техніка". - Дніпропетровськ. - 2005. - С. 31-32.

14. Палаш Р.В. забезпечення міцності кільцевих зєднань зварних деталей машин із термічно зміцнених сталей // Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології". - Київ. - 2005. - с. 36.

15. Кузьо И., Палаш Р. "Исследование остаточных напряжений в кольцевых соединениях из высокопрочных сталей" // IY Международный конгресс "Машиностроительные технологии": Сборник докладов. - Варна. - 2004. - т.1. - С. 83-85.

16. Осадчук В., Палаш Р., Пороховський В. Розподіл залишкових напружень у зварних стикових зєднаннях високоміцних сталей // Тези доповідей 5-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-5). - Львів. - 2001. - С. 7.

17. Осадчук В., Палаш Р. Підвищення надійності зварних кільцевих зєднань з високоміцних сталей // Тези доповідей 6-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-6). - Львів. - 2003. - с. 126.

18. Осадчук В.А., Дзюбик А.Р., Палаш Р.В. Визначення залишкових напружень в зварних зєднаннях кільцевим швом сталевих труб, схильних до гартування // Збірник тез стендових доповідей Міжнародної конференції "Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій". - Київ: ІЕЗ ім. Патона. - 2003. - с. 125.

19. Палаш Р.В. Підвищення надійності кільцевих зварних зєднань обсадних труб із високоміцних сталей // Збірник тез ІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології". - Київ. - 2003. -С. 17.

20. Палаш Р, Кузьо І. Підвищення міцності зварних деталей машин з високоміцних сталей // Тези доповідей 7-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові (МСУІМЛ-7). - Львів. - 2005. - с. 102-103.