В процессе работы лесопильного оборудования возникают вибрации «различных частот и амплитуд. С целью повышения долговечности оборудования и инструмента, увеличения точности обработки применяют различные виды виброизоляторов (амортизаторов и демпферов).
Колебания оборудования во время работы располагаются в очень широком диапазоне частот (от 5 до 1000 Гц) и амплитуд (от 0,01 до 5 мм).
Например, низкочастотные вибрации возвратно-поступательно движущихся пильных рам создают упругое поле радиусом в сотни метров, в которое попадают не только операторы станка, но и окружающие строения. В результате снижается ресурс зданий и прочих конструкций.
Источниками колебаний ротационного оборудования являются неуравновешенность (дисбаланс) вращающихся масс, технологические нагрузки, воздействие подшипниковых опор, перекосы и несоосности сопрягаемых звеньев, например пильного вала и ротора электродвигателя. Возникающие при вращении силы инерции от дисбаланса создают т дополнительные нагрузки на опоры, возбуждают колебания деталей и узлов оборудования.
Кроме того, рубильные машины генерируют вибрации, возбуждаемые ударными нагрузками, возникающими в процессе рубки древесины. Дополнительными источниками колебаний являются удары баланса о диск рубительной машины.
Одним из источников структурных вибраций являются редукторные передачи, выполненные, как правило, на зубчатых колесах из однородного материала.
Вибрации ленточнопильных станков провоцируются неуравновешенностью вращающихся масс приводных барабанов и сильно влияют на точность пиления.
Резонансные колебания дисковых пил возникают в результате изменения режущей силы при врезании каждого зуба, поэтому их диапазон — десятки герц.
Основным и наиболее проблемным источником вибраций в лесопильных цехах являются лесопильные рамы. Основными силами, т возбуждающими колебания лесопильных рам, являются силы инерции механизма резания.
Существует несколько путей борьбы с вибрациями: балансировка подвижных масс, уравновешивание инерционных сил с помощью различных устройств, групповая установка оборудования для взаимного гашения вибраций, а также виброизоляция оборудования или его отдельных движущихся частей.
Многократно предпринимались попытки уравновесить возвратнопоступательно движущиеся большие массы, но решения задачи найдено не было. Поэтому наиболее перспективным решением представляется виброизоляция подвижных частей лесопильной рамы или ее фундамента.
Наибольшее применение в настоящее время находят резиновые и резинометаллические амортизаторы. Эти амортизаторы выпускаются серийно большими партиямиони достаточно полно изучены (имеются методики расчёта резиновых амортизаторов) — просты в устройстве, изготовлении и эксплуатации.
Но вместе с этим, резина как материал исчерпала свои возможности, и принципиально новых амортизаторов на основе резины в настоящее время нет. В процессе эксплуатации под нагрузкой резина течёт и меняет свои размеры, что приводит к нарушению связей между отдельными элементами машин. Резина стареет, что приводит к заметному ухудшению её физических свойств. Свойства резины так же зависят от температуры. В зимний период амортизаторы становятся гораздо жёстче, чем летом. Кроме того, резина подвержена влиянию атмосферных воздействий, древесной пыли, агрессивных сред, топлива и масел.
По комплексу эксплуатационных свойств (диапазон демпфируемых колебаний, выносливость, постоянство характеристик на протяжении времени эксплуатации, способность работать в агрессивных средах и в широком диапазоне температур) лучшими для деревообрабатывающего оборудования являются пластинчатые амортизаторы-демпферы. Они представляют собой пакеты гофрированных металлических пластин, иногда заполненной демпфирующей жидкостью (масло, жидкости на кремниевой основе).
Все свойства амортизаторов зависят от материала, из которого изготовлены упругие элементы. Таким образом, исследования дополнительных возможностей для оптимизации свойств этих материалов одновременно служат и целям экономии ресурсов, и повышению эксплуатационных характеристик конкретных изделий, что определяет их эффективность.
Особенно остро эта проблема стоит в отношении сплавов, из которых изготавливаются элементы и узлы, определяющие надёжность и долговечность промышленных изделий, в данном случае виброизоляторов. К числу подобных сложных задач может быть отнесена задача повышения комплекса свойств аустенитного дисперсионно-твердеющего пружинного сплава 36НХТЮ. Этот сплав характеризуется уникальным сочетанием физико-химических, механических и технологических свойств [34]: он немагнитен вплоть до криогенных температур, коррозионностоек в атмосферных условиях и в ряде окислительных сред. В закалённом' состоянии сплав отличается высокой пластичностью, хорошо штампуется, допускает применение глубокой вытяжки. После старения в сплаве достигается весьма высокий уровень упрочнения. Подобное состояние свойств и предопределило применение сплава 36НХТЮ для изготовления ответственных упругих элементов.
Тем не менее, практика использования сплава 36НХТЮ для упругих элементов сложной формы (типа мембран), особенно при осуществлении новых конструктивных решений, ориентированных на повышение рабочих параметров, надёжности и долговечности, выявила ряд серьёзны* недостатков. Сплав не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям главным образом по двум критериям: вследствие низкого сопротивления усталостному разрушению и недостаточной технологической пластичности, что и ограничивает возможность его применения.
При постановке исследований учитывали следующие обстоятельства:
1. Структурная неоднородность — характерная особенность сплава 36НХТЮ, подвергнутого упрочняющей термической обработке по обычно применяемому режиму. После закалки и старения в нём формируется структура смешанного типа: в пределах каждого зерна приграничные* области имеют ячеистую структуру со стержнеобразными частицами упрочняющей у'-фазы, образовавшуюся в результате их выделения по прерывистому механизмув центральных областях зёрен присутствуют равноосные частицы у'-фазы, обусловленные распадом по непрерывному механизму. Подобная смешанная структура характеризуется не только микроскопической неоднородностью, но и неоднородностью упрочнения в областях прерывистого и непрерывного распада, вследствие чего границы указанных областей, как можно предположить, могут стать местами зарождения и развития усталостных трещин.
2. Технология изготовления мембран предполагает проведение холодной пластической деформации (штамповки) непосредственно перед заключительным старением. Пластическая деформация в различных зонах мембран может быть весьма неоднородной и достигать значительной величины, дополнительно усиливая структурную неоднородность сплава (изменяя соотношение объёмной доли прерывистого и непрерывного распада), фиксируемую после старения. Подобные изменения структуры способны оказать существенное влияние на усталостную повреждаемость мембраны.
3. Появление усталостных трещин инициируется, как известно, в первую очередь в местах концентрации напряжений. Поэтому проблема структурной неоднородности сплава, усиливающейся в отдельных зонах мембраны, должна рассматриваться совместно с анализом распределения и уровня напряжений, действующих в мембране при её нагружении. Причинами преждевременного разрушения мембран могут стать превышение допустимого уровня напряжений при их концентрации именно в участках наиболее высокой структурной неоднородности.
Основной этап исследований посвящен изысканию эффективных путей реализации оптимального структурного состояния сплава 36НХТЮ, обеспечивающего достижение требуемого уровня технологической пластичности и улучшение эксплуатационных характеристик.
Их реализация связана с двумя условиями: необходимо использовать холоднодеформированный сплав с обжатием не менее 50%, а также применять режимы скоростной термической обработки. Последнее условие трудно выполнить, используя обычное печное оборудование, что и сдерживает применение рекомендованных схем обработки.
Весьма перспективной для выполнения операций нагрева тонколистовых заготовок может оказаться скоростная термическая обработка (СТО) с нагревом электрическим током. Основные преимущества’нагрева проходящим током — высокая скорость нагрева (до 104 °С/с), возможность осуществлять безокислительный нагрев, обеспечить высокую скорость охлаждения, точное воспроизведение всего цикла обработки в автоматическом режиме.
Для выяснения перспективности применения СТО с целью формирования сплава 36НХТЮ оптимального структурного состояния и существенного улучшения его свойств провели:
1. Исследование возможности получения мелкозернистой структуры при использовании электронагрева в качестве скоростной рекристаллизационной обработки.
2. Исследование возможности получения мелкозернистой структуры при использовании электронагрева в качестве скоростной обработки на возврат.
3. Сравнительный анализ физико-механических и технологических свойств сплава 36НХТЮ после стандартного способа упрочнения и разработанных схемобработки, включающих применение скоростного электроконтактного нагрева.
Целью исследований является снижение уровня динамических нагрузок (гашения вибраций) лесопильного оборудования за счет применения в виброизоляционных опорах упругих элементов новых конструкций и повышение эффективности работы упругих элементов в виброизоляционных опорах.
Для этого решали следующие задачи:
1. Определение пути снижения вибраций фундаментов лесопильных рам.
2. Анализ конструкций виброизоляторов.
3. Разработка конструкции виброизолятора и исследование его упругих характеристик.
Научная новизна работы:
1. На основании проведенного анализа подобран и исследован материал с высокими упругими свойствами.
2. Предложены способы формирования в материале однородного структурного состояния, гарантирующего повышение его сопротивления усталостному разрушению основанные на использовании скоростной термической обработки.
3. Составлен алгоритм расчета напряжений для усталостных испытаний материала по методу «плоский изгиб».
Практическая ценность полученных результатов:
1. На основе разработанной конструкции виброизолятора для лесопильных рам предложены оптимальные режимы скоростной-термической обработки сплава 36НХТЮ, обеспечивающие высокий уровень механических свойств материала.
2. Разработана опытно-экспериментальная установка для скоростной термической обработки ленточных заготовок и пружин и технологический процесс термической обработки пластинчатых и гофрированных упругих элементов виброизоляторов.
Реализация работы.
Разработанные виброизоляторы применены на лесопильном участке МУП «Куликовское ЖКХ».
Апробация работы.
По основным научным результатам работы сделаны доклады: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ (Архангельск, 2005 г. и 2006 г.) — на международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АГТУ (2004 г.) — на 4-й всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону» (Вологда, 2006 г.).
Выполненные исследования показали, что разработанные и рекомендуемые технологические процессы, использующие проведение рекристаплизационной обработки и обработки на возврат сплава 36НХТЮ с применением скоростного электроконтактного нагрева — перспективный и т высокоэффективный путь существенного улучшения комплекса его технологических и эксплуатационных свойств. Электроконтактный нагрев экологически чистый, ресурсосберегающий процесс, осуществляемый в автоматическом режиме, в защитной атмосфере, с точным контролем температуры (±-5°С), времени (±0,01 с), скорости нагрева (±3%).
Электронагрев легко вписывается в технологию изготовлению большинства видов упругих элементов из ленточных и проволочных полуфабрикатов, может быть совмещён с проведением операции штамповки.
Указанные обстоятельства обусловливают целесообразность его широкого применения при изготовлении упругих элементов сложной формы, применяемых в амортизаторах для лесопильного оборудования, из сплава 36НХТЮ. I.
На защиту выносятся:
1. Конструкция пластинчатого виброизолятора для деревообрабатывающего оборудования.
2. Технологический процесс изготовления коррозионнои теплостойких пластинчатых виброизоляторов для лесопильных рам.
3. Закономерности влияния параметров термической обработки на эксплуатационные свойства упругих элементов.
4. Метод испытания тонких пластин на выносливость по схеме продольный изгиб" и алгоритм расчета напряжений при испытании образцов. 1.
1. Состояние вопроса.
Выводы.
1. Применение упругих элементов, изготовленных по полученной технологии, существенно повышает ресурс виброизолирующих опор, устанавливаемых на лесопильном оборудовании.
2. Упругие элементы, изготовленные из сплава 36НХТЮ, особенно эффективно работают в диапазоне низких и инфранизких частот (4−20 Гц), что соответствует нормальному режиму работы лесопильных рам. Они могут без ущерба для эксплуатационных характеристик работать в условиях воздействия агрессивных сред и горюче-смазочных материалов. Отмечена высокая стабильность свойств упругих элементов на протяжении всего срока эксплуатации виброизоляционных опор.
3. Наиболее низкий уровень упрочнения и наиболее высокий уровень пластичности (для эффективной штамповки) обеспечивает электронагрев до Ю50°С (т = 3−6 с) или до I Ю0°С (т =3 с), причём уровень указанных свойств сплава после этих режимов практически одинаков.
4. Установлен оптимальный режим проведения электронагрева при обработке на возврат: нагрев до Ю00°С, выдержка 3−6 с, скорость нагрева т.
300−3000°С/с, ускоренное охлаждение, который гарантирует формирование в сплаве, подвергнутом предварительному старению при 680 °C, 6 ч, особомелкозернистой структуры пересыщенного распада во всём объёме сплава при окончательном старении.
5. Получена новая технология упрочняющей механико-термической обработки сплава 36НХТЮ: деформация 50%, предварительное старение при 680 °C, 6 ч, электронагрев проходящим током (Унагр. 300−3000°С/с) при Ю00°С, время выдержки 3−6 с, охлаждение между водоохлаждаемыми плитами, старение при 600 °C, 2 ч.
6. Показано, что в условиях одинаковой мелкозернистой структуры с однородным прерывистым выделением упрочняющей /-фазы во всём объёме сплава 36НХТЮ более высокое сопротивление усталостному разрушению обеспечивает наиболее дисперсная ламельная структура, формирующаяся при пониженной температуре окончательного старения -600°С.
7. Разработана новая технология упрочняющей механико-термической обработки сплава 36НХТЮ, включающая проведение предварительного старения деформированного сплава при 680 °C, 2 ч, обработку на возврат с применением электроконтактного нагрева (нагрев до 1000 °C (Унагр. = 300−3000°С/с, выдержка 3−6 с) и заключительное старение при 600 °C, 2 ч,) применение которой обеспечивает наиболее существенное повышение основных характеристик сплава 36НХТЮ: предела упругости до 1280 МПа, предела выносливости до 980 МПа, что на 40% выше, чем после обычно применяемой термической обработки.
8. Выполненные исследования показали, что технологические процессы, использующие проведение рекристаллизационной обработки и обработки на возврат сплава 36НХТЮ с применением скоростного электроконтактного нагрева — перспективный и высокоэффективный путь существенного улучшения технологических и эксплуатационных свойств упругих элементов. *.
9. Применение виброизоляционных опор, изготовленных по полученной технологии, позволило снизить уровень вибронагрузок от 4 лесопильных рам в 1,7−2 раза, что дает возможность рекомендовать их для установки на лесопильном оборудовании.
