РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКОЙ

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 106 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 резке снижает работоспособность цилиндра, имеющего удачную форму н 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 (аг) сжимающее, а ок­ружное (at)—растягивающее. Характер распределения этих напряжений приведен на рис. 11.

При отсутствии осевых сил эквивалентное напряжение равно[3]

п & + >* , n n 2Я2

a3i-« = а1 — ‘ (—* ) = г.

акв 1 ' ц 2 ri v рг ri

При малой толщине стенки сосуда окружные напряжения (с<) будут распределены почти равномерно по толщине стенки, а ра-

6)

Рис 9. Цилиндр машины для литья под давлением: a — цилиндр в момент образования трещины и выхода жидкости около пи­тательного отверстия; б — разрез цилиндра и схема распространения трещины

диальные (о,-) будут малы по сравнению с окружными в той ме­ре, в какой толщина стенки мала по отношению к радиусу.

При больших толщинах, когда Р-+оо, имеем ожв = 2Р. Прак - R.

тически, при 4— > 4 можно считать, что стенка сосуда имеет

бесконечно большую толщину. В этом случае вже составит Уіб 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 давленнями, превышающими рабочие, чтобы получить остаточные напряже­ния (вс внутренних слоях — сжатие, во внешних -- растяжение). С этой течки зрения сварочные термические напряжения также можно рассматривать как упрочняющие, увеличивающие общую работсспоссбнссть цилиндра.

Внутренние дефекты. Различные поверхностные дефекты, рас­положенные на внутренней поверхности, где действуют наиболь­шие напряжения, неизбежно являются концентраторами напря­жении и очагами возникновения трещин. 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 дефек­тов (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 нормальней 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, тс 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 или поверхностной наплавкой. Между тем, 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 споры но всему спорному 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 гре-

щины, 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.

Несмотря на различные причины выхода из строя цилиндров гидравлических прессов, для их восстановления обычно приме­няются общие технологические приемы, выполнение которых обеспечивает получение высокого качества ремонта. Ниже при­водится описание этих приемов.

1. Дефектное место должно быть полностью удалено. При очень глубоком и неудобном расположении дефектов прихо­дится в ряде случаев удалять значительный объем металла. Иногда на месте удаленных участков целесообразно размещать вновь изготовленные вставки. Однако во всех случаях дефект должен быть удален полностью. Подготовка под сварку может выполняться механическими способами и газокислородной рез­кой. При газовой резке стальные литые или кованные цилиндры из стали, содержащей более 0,23% С, должны быть предвари­тельно подвергнуты общему нагреву до 150—300° С. Это особен­но необходимо в том случае, если дефект расположен в жест­ком контуре и не выходит на край детали.

2. Разделка дефектного места должна быть выполнена гак, чтобы месте сварки было расположено достаточно удобно для сварщика, а объем наплавляемого металла был минимальным.

3. Сварка производится с общим предварительным и сопутст­вующим подогревами цилиндра. В большинстве случаев для равномерного подогрева и поддержания нужной температуры в процессе сварки приходится сооружать специальные печи с электрическим обогревом. Такие печи должны обеспечивать воз­можность сварки цилиндра в нагретом состоянии без извлече­ния его из печи, а также допускать регулировку температуры нагрева до 700° С. При толщине стенок свыше 200 мм и боль­шом объеме наплавляемого. металла рекомендуется для снятия внутренних объемных напряжений производить несколько (от 1 до 4-х) промежуточных высокотемпературных отпусков при 650—670° С.

4. Сварка выполняется электродами типа Э50А по ГОСТу 9467—60 марок УОНИ-13/55 или УОНИ 13/65. В некоторых случаях для сварки деталей, изготовленных из малоуглероди­стых сталей (до 0,23% С), можно применять электроды УОНИ - 13/45. Сварка выполняется многослойными швами с наложе­нием швов «каскадом» или «горкой». Для ускорения сварки при­меняются электроды большого диаметра, а при отсутствии та­ковых — пучки электродов из двух, трех или четырех электро­дов диаметром по 5—6 мм.

5. Наложение отдельных слоев производится с послойной проковкой шва (чеканкой) пневматическим молотком-зубилом с закругленным бойком. Проковка ведется до уничтожения ри­сунка шва. Проковка уменьшает внутренние напряжения и снижает величину короблений, т. е. изменение размеров детали. 56

б. После окончания сварочных работ необходим высокотем­пературный отпуск по следующему режиму: для сталей, содер­жащих до 0,23% углерода, при 600- 650°С; для сталей, содер­жащих 0,35—0,45% углерода,— 670° С; для сталей, легирован­ных молибденом и хромом, — 730 °С. Время выдержки при температуре отпуска 2—2,5 мин на 1 мм толщины стенки. Время выдержки может меняться в зависимости от марки ста­ли и объема наплавленного металла.

Охлаждение детали производят вместе с печью до 250— 200°С, после чего деталь может охлаждаться в цехе, будучи за­щищенной от сквозняков и резких изменений темпера­туры.

Такая термообработка полностью устраняет внутренние на­пряжения и обеспечивает прочность детали при знакоперемен­ных и цикличных нагрузках. Следует отметить, что общая тер­мообработка цилиндра является полезной также потому, что снимает и все внутренние напряжения, возникшие в процессе эксплуатации. Сваренную а термически обработанную деталь следует рассматривать как полностью восстановленную и год­ную для нормальной эксплуатации наравне с новей деталью.