Исследование физико-механических свойств полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с целью повышения их ресурса

Актуальность темы

Целлюлозно-бумажная промышленность — отрасль народного хозяйства, специализирующаяся на выпуске бумаги и картона. Технологический процесс бумажного производства осуществляется на уникальном оборудовании, где бумагои картоноделательные машины (БМ) являются наиболее сложными системами, работающие в автоматическом режиме без резервирования.

Повышение производительности современных БМ осуществляется за счет увеличения скорости и единичной мощности, что ведет к изменению многих параметров технологического режима, в частности, увеличению линейного давления между валами. Одновременно повышаются требования к надежности и эффективности работы основных частей и узлов БМ.

Непрерывность и безаварийность работы БМ зависит от многих факторов, среди которых надежность работы узлов и элементов ее составных частей. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия валов. Такие покрытия используются на сетко-, сукно-, бумаговедущих валах, прессовых валах, включая валы клеильных прессов, валах мягких каландров [1]. Использование покрытий делает процесс производства бумаги более рентабельным — увеличивается срок службы валов, повышается качество готовой продукции.

Основная функция полиуретановых покрытий прессовых валов и валов мягких каландров — технологическая. Покрытия сглаживают последствия неправильной бомбировки, обеспечивают более равномерное давление при местных изменениях толщины бумажного полотна по сравнению с металлическими валами, а также дают возможность работать с большим линейным давлением и увеличить время нахождения полотна в захвате [2].

Работа при повышенных линейных давлениях, скоростях, температуры приводит к преждевременному выходу из строя покрытий, вследствие изменения напряженно-деформированного состояния. Это приводит к разрушению адгезионного соединения между покрытием и рубашкой вала (отслоению). В месте отслоения происходит снижение жесткости, что приводит к увеличению общего уровня вибрации валов, снижению качества выпускаемой продукции. Поэтому для обеспечения продолжительной работы покрытий необходимы исследования, направленные на повышение ресурса покрытий.

Степень разработанности проблемы. Вопросам изучения напряженно-деформируемого состояния поверхностных вязкоупругих слоев в рамках теории контактного взаимодействия посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Среди отечественных исследователей, наибольших успехов достигли ученые института проблем механики РАН, в частности, И. Г. Горячева, ее коллеги и ученики [3−6]. Их исследования позволили получить соотношения между напряжениями и деформациями при скольжении цилиндра по вязкоупругому основаниюустановить влияние несовершенной упругости реальных материалов и проскальзывания тел в зоне площадки контакта на распределение напряжений в этой области. Эти работы не могут быть в чистом виде применены для определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с покрытиями, так как не учитывают распределение напряжений, деформаций на границе «рубашка вала-покрытие», где и происходит появление дефектов, приводящих к останову бумагоделательной машины.

Большой вклад в исследовании процессов деформирования облицовочного слоя применительно к оборудованию ЦБП внесли Ефимов [7−9] и Новиков [10].

И.Н. Ефимов предложил систему дифференциальных уравнений термовязко-упругости с начальными и граничными условиями для описания деформирования эластичного слоя (покрытия) прессовых валов [7]. Данный подход позволяет проанализировать несколько параметров, влияющих на работоспособность: линейное давление, толщина облицовки, неравномерность температурного поля и т. д. и получить картины распределения нормальной и касательной составляющих внешней нагрузки и др. К недостаткам данной модели можно отнести то, что процесс деформирования рассматривается в плоскости. Это не позволяет рассматривать распределение деформаций по длине вала, не учитывается влияние краевых эффектов на процессы деформирования в покрытии.

Н.Е. Новиков провел множество экспериментальных исследований по изучению влияния диаметра валов, линейного давления, скорости машины, твердости и толщины резинового слоя, температуры и других показателей на величину площадки контактавлияние времени работы на температуру резиновой облицовки которые отражены в монографии [10]. Однако в монографии не рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния покрытий. Скорость машин, линейное давление и материалы, используемые в качестве покрытий прессовых валов, изменились, требуются новые исследования.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами контакта слоистых упругих и вязкоупругих тел, можно выделить работы Калкера [11] и Брата [12]. В этих работах теоретически и экспериментально изучался контакт качения двух цилиндров с покрытиями из вязкоупругих материалов, в частности резины. Для исследований использовались различные численные и вариационные методы определения напряжений в зоне контакта для слоистых упругих и вязко-упругих покрытий. Однако в трудах этих ученых не учитывается величина адгезии между валом и покрытием, не рассматривается влияние напряжений и деформаций на температуру покрытий, не учитывается влияние краевого эффекта на напряженно-деформированное состояние покрытий.

Срок службы покрытия во многом определяется виброактивностью валов прессовой части. На виброактивность валов прессовой части влияет техническое состояние покрытий. Больших результатов в исследовании виброактивности ПЧ добились ученые кафедры МиО ЦБП Уральского государственного лесотехнического университета. Основная часть исследований проводилась в сфере изучения вибрации [13−17].

Исследованиями колебаний двухвальных прессов занимались С. А. Мишин и С. А. Зарубин. В работе [18] неоднородность упругих свойств облицовки вала рассматривалась как один из источников колебаний валов. Были получены дифференциальные уравнения, описывающие поступательные и поворотные колебания валов.

Динамикой многовальных прессов БМ занимался C.B. Тойбич. В диссертации [19] получены передаточные функции и фазочастотные характеристики элементов прессовых частей с учетом поступательных, поворотных и изгибных колебаний.

A.A. Санников и Н. В. Куцубина занимались разработкой вибрационных расчетов [13,20,21], оценкой и прогнозированием вибрационного состояния бумагоделательных машин, в том числе прессовых частей, было установлено, что большинство источников вибрации проявляется на оборотных частотах, в том числе и дефекты покрытия.

Однако в трудах этих ученых не рассматриваются вопросы изменения параметров колебаний валов с покрытиями на различных силовых и скоростных режимах работы.

Наиболее перспективными являются исследования напряженно-деформированного состояния покрытий различных геометрических размеров с учетом режима работы, динамических характеристик валов с покрытиями и исследование изменения физико-механических характеристик покрытий при изменении температуры. Данные исследования позволят отработать методику определения напряженно-деформированного состояния, получить картины распределения напряжений, деформаций, перемещений в зоне контакта и установить причину их возникновения. Кроме того, определить пятно и жесткость контакта, установить изменение твердости покрытий измеренной по ГОСТ [22,23] и твердости в эксплуатационных условиях и другие параметры.

Применение полученных данных и экспериментально проверенных методик расчета на практике позволят обоснованно вносить изменения геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при изготовлении. Эти данные могут быть также использованы технологическими службами предприятий ЦБП при эксплуатации валов с покрытиями для повышения эффективности их работы.

Целью работы является повышение ресурса полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин путем решения следующих задач: определения параметров напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с учетом физико-механических свойств покрытиймоделирования параметров напряженно-деформированного состояния на краях валов с учетом геометрии скосаэкспериментального определения физико-механических свойств полиурета-новых покрытий с изменением температурыкомплексных исследований полиуретановых покрытий валов на стенде. Методологической основой диссертационного исследования является комплексный подход, базирующийся на на эмпирическо-теоретическом методе познания. Для изучения влияния температуры на физико-механические свойства покрытий, динамических характеристик валов с покрытиями, размеров и формы площадки контакта, жесткости контакта валов использовался общенаучный метод познания — эксперимент. Для исследований напряженно-деформированного состояния, жесткости контакта использовался метод познания — моделирование.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений динамики машин, теории колебаний, методов конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», спроектированном специально для исследований полиуретановых покрытий валов. При экспериментальных исследованиях использован анализатор вибрации «СД-12М» фирмы «ВАСТ», пирометр Center 350, дюрометры типа, А и D, лицензионное программное обеспечение и другое. Геометрические построения выполнены в системе трехмерного параметрического моделирования Pro|Engineer, численные расчеты проведены в системе конечно-элементного анализа ANSYS (в рамках обучающих лицензий и студенческих версий программ).

Научная новизна работы. Реализована математическая модель контакта валов с покрытиями с учетом физико-механических свойств полиуретановых покрытий. Определены размеры и форма пятна контакта между валами при различных линейных давлениях. Реализовано численное моделирование процессов напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий в зоне контакта валов. Установлено изменение твердости полиуретановых покрытий при увеличении температуры. Установлено влияние геометрии скоса на распределение параметров напряженно-деформированного состояния на краях покрытий. Определены коэффициенты жесткости в зоне контакта в зависимости линейного давления. Определено изменение температуры в зоне контакта в зависимости от скоростных режимов и линейного давления. Выявлено изменение динамических характеристик валов на различных режимах работы.

Достоверность результатов исследований и рекомендаций обуславливается использованием при моделировании напряженно-деформированного состояния покрытий прогрессивного метода конечных элементов, реализованного в известных программных средствах, при исследовании вибрационных процессов — развитой теории колебаний. Достоверность численных расчетов подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Величина жесткости контакта модели экспериментально подтверждена на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», при этом погрешность жесткости контакта составила не более 15%. Адекватность описания деформаций сжатия полиуретана моделью подтверждена на испытательной машине INSTRON 5582 лаборатории ООО НПП «Уником-Сервис» -ошибка численного эксперимента для материала с твердостью 70 Шор D не превышает 29% на всем диапазоне усилий прижима, для материала с твердостью 95 Шор, А ошибка не превышает 28%. Достоверность экспериментальных данных по измерению температуры и твердости полиуретановых покрытий обусловлена использованием поверенных средств измерений.

Практическая значимость. Экспериментальные данные и теоретические методики расчета рекомендуется использовать при проектировании новых прессовых валов бумагоделательных машин, а также при выборе геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при нанесении новых покрытий на валы. Экспериментальные данные могут быть использованы технологическими службами предприятий ЦБП для повышения эффективности работы покрытий прессовых валов. Методика моделирования напряженно-деформированного состояния покрытий пригодна для прессовых валов, валов мягких каландров БМ.

Результаты работы следует использовать при проектировании покрытий прессовых валов на предприятиях, изготавливающих покрытия, при эксплуатации прессовых валов на предприятиях ЦБП, а также в учебном процессе в курсах «Теория и конструкция машин и оборудования отрасли» и «Диагностика машин и оборудования». Использование предложенных методик расчета напряженно-деформированного состояния покрытий и экспериментальных данных подтверждены актами внедрения работы на ООО НЛП «Уником-Сервис».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции студентов направления «Технологические машины и оборудование» 2009; международной научно-технической интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» 15.10−11.2012 г. (БГИТА, Брянск) — научно-техническом семинаре «Организация и методы безопасной и эффективной эксплуатации технологических машин и оборудования с исчерпанным нормативным ресурсом» 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы по единому наряд — заказу Минобразования РФ [24].

Научные положения, выносимые на защиту: результаты моделирования напряженно-деформированного состояния валов с полиуретановыми покрытиями с учетом их физико-механических свойств, геометрии и нагружениярезультаты экспериментальных исследований изменения твердости полиуретанов, применяемых для покрытий прессовых валов БМ, при повышенных температурахрезультаты экспериментальных исследований на стенде: определение жесткости контактаопределение коэффициента трения качения валов с покрытиямиопределение температуры покрытий по длинединамические характеристики контакта валов с покрытиями.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Она включает 134 страницы машинописного текста, 58 ил., 21 табл., 111 наименования использованных источников, в том числе 24 иностранных.

109 ВЫВОДЫ.

1. Надежность работы бумагоделательных машин зависит от надежности каждого элемента машины. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия прессовых валов, от которых во многом зависит качество вырабатываемой продукции, эффективность обезвоживания бумажного полотна и динамика прессовых частей. Современные тенденции развития бумажного производства направлены на увеличение скорости машины. Это в свою очередь приводит к повышению линейного давления между валами прессовой части. Изменение рабочих режимов приводит к нагреву покрытий, изменению твердости и напряженно-деформированного состояния и как следствие к сокращению срока службы покрытий из-за появления в нем дефектов, в частности отслоения.

2. Предложена численная модель контакта валов с покрытиями с учетом их физико-механических характеристик и ее решение методом конечных элементов. Численный расчет показал хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями.

3. Установлено, что изменение толщины покрытия приводит к изменению напряжений в зоне контакта. При уменьшении толщины покрытия с 20 до 8 мм напряжения в зоне контакта увеличиваются на 60%, что существенно снижает ресурс покрытия.

4. Предложенная методика расчета напряженно-деформированного состояния была применена для определения напряжений и деформаций в покрытиях на краях с учетом геометрии скосов. Расчетом установлено, что геометрия скоса во многом определяет действующие напряжения и деформации на краях. Использование рациональной геометрии скосов позволяет снизить напряжения и деформации на краях более чем в 2 раза и повысить ресурс покрытий.

5. Проведена серия экспериментальных исследований по определению твердости полиуретанов, используемых для покрытий прессовых валов, при повышенных температурах. Установлено, что разность между заявленной твердостью (по ГОСТ) и твердостью, полученной для диапазона рабочих температур прессов для материала с твердостью 85 ШорА — 3 единицы, для материала с твердостью 91 Шор, А — 9 единиц, для материала с твердостью 97 Шор, А — 4 единицы.

Полученные данные позволяют оценить значения твердости покрытия в эксплуатационных условиях и скорректировать тип используемого материала при изготовлении.

6. Экспериментально определено распределение температуры по длине вала, установлено, что температура по краям покрытий в 2−2,5 раза больше температуры в центральной части. Распределение температуры покрытия по длине хорошо согласуется с его напряженно-деформированным состоянием. Для повышения ресурса покрытий необходимо снизить температуру, предусмотрев скосы на краях.

7. Получены зависимости размеров площадок контакта от линейного давления. Причем изменение ширины средней части площадки контакта происходит по линейному закону, а изменение ширины площадки контакта по краям нелинейно и описывается полиномиальной функций второй степени. Формы полученных площадок контакта наглядно демонстрируют увеличение деформаций на краях покрытий, где и происходит существенное повышение температуры.

8. Показано, как изменяется коэффициент трения качения валов с покрытиями при различных режимах работы. Установлено, что коэффициент трения качения оказывает несущественное влияние на смещение площадки контакта и им можно пренебречь.

9. Получены амплитудно-частотных характеристики валов при изменении скорости и линейного давления. Анализ амплитудно-частотных характеристик показал, что увеличение скорости ведет к линейному росту среднеквадратическо-го значения виброскорости.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика.

БМ — бумагоделательная машина.

КЭ — конечный элемент.

МКЭ — метод конечных элементов.

НДС — напряженно-деформированное состояние.

ПЧ — прессовая часть.

СКЗ — среднеквадратическое значение.

УГЛТУ — Уральский государственный лесотехнический университет.

ЦБП — целлюлозно-бумажное производство.