1. ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЙ
Глава III. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СВАРКОЙ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ И СТАНИН ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССОВ
1. ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЙ
Практика длительной эксплуатации горизонтальных и вертикальных гидравлических прессов с усилиями прессования от 100 до 30 000 т показала, что наиболее нагруженными деталями пресса являются гидравлические цилиндры. Выход из строя и длительный простой прессов чаще всего вызываются возникновением трещин или разрывов в наиболее нагруженных участках цилиндра.
Анализ достаточно большого количества разрушений показывает, что основными причинами аварий прессов являются: неправильный расчет, наличие внутренних дефектов металла, не обнаруженных при изготовлении, конструктивные недостатки изделия (резкие переходы сечений, малые радиусы закруглений и др.), неправильная механическая обработка и, наконец, действие реактивных сил.
Дефекты, связанные с конструктивными недостатками. Длительное время считалось, что гидравлические цилиндры вследствие плавного нагружения их жидкостью можно рассчитывать как статически нагруженные системы без учета цикличности нагрузки. Поэтому в ряде цилиндров, изготовленных из сталей Ст. ЗЛ и Ст 4Л, были слишком высокие допускаемые напряжения (900— 1000 кГ/см2).
Практика показывает, что цикличные гидравлические нагрузки в цилиндрах более опасны, чем механические цикличные нагрузки. Обычно в гидравлических цилиндрах, изготовленных из литых углеродистых сталей при допускаемом напряжении 900 кГ/см2, разрушение наступает после 10е циклов.
Следует отметить, что в этом случае обычно наблюдается разрыв цилиндра по его образующей. Разрушение может наступить и при меньшем количестве циклов, если кроме высоких напряжений имеются конструктивные недостатки, ослабляющие критическое сечение. На рис. 8 показан цилиндр горизонтального гидравлического пресса, у которого питательное отверстие расположено на цилиндрической части. В этом случае разрывы стенок начинаются на двух противоположных кромках отверстия и, постепенно развиваясь, выходят наружу.
В ряде случаев, например в запорных цилиндрах машин для литья под давлением фирмы «Поллак», наблюдаются систематические радиальные разрушения по узлу перехода от стенки цилиндра к плоскому днищу. В этом случае в зоне перехода возникают пиковые местные напряжения, значительно превышающие допускаемые, и цилиндры выходят из строя, не выдержав 1 млн. циклов (рис. 9).
В цилиндрах вертикальных гидравлических прессов, изготовленных по так называемой сов-мешенной схеме, возникают кольцевые трещины на участке перехода цилиндрической части в купольную в том месте, где заканчивается механическая обработка (рис. 10). Эти цилиндры запроектированы с достаточным радиусом у сферической части днища, которая должна обеспечить надежную работоспособность всей конструкции. Однако при механической обработке зеркала цилиндра в силу невозможности создания плавного перехода от цилиндра к сфере на этом участке образуется острый угол, где и концентрируются напряжения. Таким образом, неправильная механическая обработка резко снижает работоспособность цилиндра, имеюшего удачную форму и правильное конструктивное решение. Следует учитывать, что гидравлические цилиндры имеют всегда значительную толщину стенок, поэтому учет распределения напряжений и расчет прочности для них ведется, как при толстостенном сосуде.
В стенке толстостенного сосуда, нагруженного внутренним давлением Р, имеет место радиальное и окружное напряжение (задача Ламе). Радиальное напряжение (ог) сжимающее, а окружное (щ)—растягивающее. Характер распределения этих напряжений приведен на рис. 11. При отсутствии осевых сил эквивалентное напряжение равно При малой толщине стенки сосуда окружные напряжения (о<) будут распределены почти равномерно по толщине стенки, а ра-диальные (ог) будут малы по сравнению с окружными в тон мере, в какой толщина стенки мала по отношению к радиусу. При больших толщинах, когда R-^oa, имеем ожв =2Р. Прак-тически, можно считать, что стенка сосуда имеет бесконечно большую толщину. В этом случае сгэкв составит ’/16 от максимального напряжения в стенке. Поэтому нельзя увеличивать прочность цилиндра за счет дальнейшего увеличения толщины его стенок.
Для обеспечения прочности стенок при больших давлениях либо применяют составные сосуды, вставляя цилиндр в цилиндр с натягом, либо предварительно нагружают сосуд давлениями, превышающими рабочие, чтобы получить остаточные напряжения (во внутренних слоях — сжатие, во внешних — растяжение). С этой точки зрения сварочные термические напряжения также можно рассматривать как упрочняющие, увеличивающие общую работоспособность цилиндра.
Внутренние дефекты. Различные поверхностные дефекты, расположенные на внутренней поверхности, где действуют наибольшие напряжения, неизбежно являются концентраторами напряжений и очагами возникновения трешпн. Концентраторами напряжений являются, например, литейные дефекты, расположенные на необрабатываемых поверхностях: раковины, складки металла, газовые ходы, неровности, откуда обычно и начинаются разрушения, а также дефекты, возникшие в процессе механической обработки,— подрезы, риски, надрезы с острыми краями, острые переходы без достаточных радиусов, закругления и др.
Литейные дефекты часто наблюдаются в цилиндрах, изготовленных из стального литья. Наличие внутренних литейных дефек тов (раковин, шлаковых засоров, несливов и др.), расположенных в толще металла и не выходящих на наружную и внутреннюю поверхности, создает при эксплуатации местные концентрации напряжений, которые ведут к разрыву перемычек между дефектами, при этом само разрушение происходит постепенно. Известны случаи, когда литейные дефекты выявлялись только после 8—12-летней эксплуатации цилиндра. Окончательное разрушение возникает тогда, когда напряжение в оставшихся перемычках достигнет предела прочности металла; в это время происходит сквозной разрыв и цилиндр выходит из строя. Известен случай, когда цилиндр вертикального пресса усилием 5000 т вышел из строя после 15-летней нормальной эксплуатации. Первый дефект выявился после свища размером в 10 мм2. После вскрытия стенки цилиндра в ней был обнаружен литейный дефект в виде большой полости.
При заварке цилиндров следует принять все возможные меры, чтобы на внутренней их поверхности не было сварочных дефектов — подрезов, непроваров, неровностей металла. Во всех случаях, когда это возможно, следует произвести последующую механическую обработку сварных соединений, расположенных на внутренней поверхности.
Поскольку волокна металла, расположенные на внутренней поверхности цилиндра, работают на растяжение, то все разрушения, возникающие от действия давления жидкости в цилиндре, появляются на внутренних поверхностях и, постепенно развиваясь, выходят на наружную поверхность, образуя разрыв стенки.
Следует учитывать, что характер развития разрушений от внутренней к наружной стороне стенки создает значительные трудности при разделке такого дефекта под сварку. Обычно длина трещины на внутренней поверхности цилиндра бывает в 2—4 раза больше ее длины на наружной поверхности. Соотношение между этими длинами зависит от толщины стенки. Чем больше толщина, тем больше это отношение (рис. 12). Персонал, эксплуатирующий пресс, первое, появление течи обычно воспринимает как свищ литейного происхождения и безуспешно пытается ликвидировать его установкой пробок на резьбе пли поверхностной наплавкой. Между гем, исправление любых повреждений, возникших в результате действия внутреннего давления, возможно только с полным удалением всего дефекта, проваром всего сечения и последующей термообработкой цилиндра.
Действие реактивных сил. Прессовое усилие, развиваемое в цилиндре, передается на плунжер, а затем — рабочему прессовому инструменту. В ряде случаев при неправильном расчете и конструктивном оформлении реактивные силы могут вызывать разрушения цилиндров в участках наибольшей концентрации напряжений. В качестве примера можно привести два случая таких разрушений.
1. Разрушение цилиндра вертикального пресса усилием 10 000 т. Три цилиндра пресса работают параллельно и передают усилие траверсе через опорные борта (рис. 13). Недостаточная высота опорного борта в сочетании с малым радиусом перехода к цилиндрической части создавала в цилиндрах значительные перенапряжения, которые привели к образованию трещин, начинавшихся в углу перехода и распространявшихся в тело цилиндра примерно под углом 45°.
Такие разрушения в процессе эксплуатации приводили к сквозным трещинам примерно через 106 циклов. Началу разрушения способствовала также недостаточная жесткость опорной подвижной траверсы. Вследствие прогиба траверсы цилиндры не имели полной опоры по всему опорному кольцу и опорное усилие воспринималось двумя диаметрально противоположными участками. В этих местах и возникали трещины. Этот узел цилиндра недоступен для осмотра при эксплуатации и трещины можно обнаружить только тогда, когда они станут сквозными и через них начнет выходить рабочая жидкость.
Восстановленные сваркой цилиндры обычно работали нормальный срок нагрузки в 106 циклов. Разрушения прекратились после того, когда была увеличена высота опорного борта.
2. Разрушение цилиндра машины литья под давлением ЛМ-2000 по перемычкам опорной плиты. Переход от цилиндрической части к опорной плите выполнен неудачно. Поэтому на участках примыкания плиты к цилиндру концентрируются значительные растягивающие напряжения и образуются грещины, входящие в тело цилиндра (рис. 14). С течением времени трещины под действием нагрузки постепенно увеличиваются и достигают внутренней полости, после чего пресс к эксплуатации будет непригоден. При исправлении таких разрушений необходимо одновременно с заваркой всех дефектов и разрывов предусмотреть мероприятия по усилению перенапряженных участков. Конструктивно в данном случае задача была решена изменением радиуса перехода от плиты к цилиндру путем наплавки и приваркой усиливающих ребер.