ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИЙ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ ПРИ ИХ ГИБКЕ С РАСКАТЫВАНИЕМ

 Гибка труб является одной из основных операций технологического процесса изготовления деталей трубопроводов. Она нашла весьма широкое и разностороннее применение в различных отраслях общего и специального машиностроения. Несмотря на это, в современных производственных условиях практически невозможно осуществить качественную гибку в холодном состоянии труб диаметром свыше 60-70 мм, поскольку она сопровождается нежелательными для последующей эксплуатации явлениями: утонением стенки на внешней части трубы, овализацией (сплющивание) поперечного сечения, образованием гофр и изломов на внутренней части [4, 6].

Разработанная в ЮУрГУ технология гибки тонкостенных труб с раскатыванием (рис. 1) устраняет перечисленные недостатки. Данная технология заключается в следующем. При вращении раскатника, заведённого в трубу с достаточно большим натягом, в каждой точке кольцевой зоны раскатывания возникает знакопеременный изгиб, при котором изгибные напряжения кратковременно достигают предела текучести σт. В результате при приложении относительно небольшого изгибающего усилия происходит гибка в перемещающейся кольцевой зоне раскатывания [3, 8, 9].

При гибке труб с раскатыванием происходит  удлинение внешней стенки трубы, укорачивание внутренней стенки и изменение длины боковой стенки. Это приводит к преобразованию формы и исходной толщины стенок трубы в поперечном сечении [5, 7].

Целью экспериментов является определение и оценка деформаций при гибке тонкостенных труб из коррозионностойких сталей при гибке с раскатыванием, информации по которым еще достаточно мало.

Методика проведения эксперимента:

1. Заготовка: труба 12Х18Н9; ø42,5×2,25×1400 мм, ГОСТ 9941-81.

2.     Инструмент: шариковый раскатник с 3-мя деформирующими элементами;

3.      Оборудование: специальный станок для гибки труб с раскатыванием;

4.      Угол изгиба трубы: 90°;

5.      Способ гибки: гибка трубы с раскатыванием, путем наматывания на ролик-шаблон;

6.      Радиус гиба: 2Ду = 80 мм;

7.      Режимы гибки: натяг N = 0,5 мм; N = 1 мм; N = 1,5 мм; частота вращения раскатника: 300 об/мин;

8.     В качестве привода главного движения использовался электродвигатель мощностью 0,95 кВт с частотой вращения n = 450 об/мин;

 9.     Частота вращения гибочного ролика: 0,15 об/мин, что обеспечивает подачу трубы равную 120 мм/мин;

10. В качестве деформирующих элементов раскатника использовались шарики из стали марки ШХ15 диаметром 14,1 мм.

Эксперименты были проведены на специальном станке (рис. 1) для холодной гибки труб с раскатыванием [2, 10]. Предложенное нами устройство просто по конструкции и надежно в эксплуатации. Преимущество перед известными устройствами, использующими метод пластического шарнира, заключается в том, что возможно изготовление крутозагнутых (до 180о) отводов труб из мерной заготовки (отходов) с минимальными прямыми концами, сопоставимыми с диаметром трубы и практически постоянной толщиной стенки отводов трубы после гибки.

Для оценки деформаций был использован "Метод сеток" [1, 5, 7]. Сложность форм и габариты конструкций делают трудным осуществление натурного эксперимента. Благодаря развитию ЭВМ стало возможным моделирование сложных физических явлений. Среди всех численных методов наиболее широкое распространение получил "Метод сеток". Этот метод является самым эффективным и универсальным. "Метод сеток" на сегодняшний день является общепризнанным методом структурного анализа в целом ряде областей науки и техники.

На трубу перед гибкой были нанесены риски через каждые 5 мм. На рис. 2 приведены изображения трубы после разметки и гибки, а также образец трубы в разрезе. Измерения проводились электронным штангенциркулем с точностью до 0,01 мм.

После гибки трубы были измерены расстояния между рисками, были подсчитаны величины удлинения и уменьшения длины стенок трубы, участвовавших в гибе (рис. 3).

В результате проведённых исследований были получены графические зависимости, по которым можно понять характер удлинения и уменьшения длины стенок трубы в различных местах гиба (рис. 4). Анализируя графики (рис. 4) можно установить определенную закономерность изменений деформаций на различных участках изгибаемой трубы при различных натягах (табл. 1).

Таблица 1

Выпадение ряда точек на внутренней стенке, обусловлено наличием гофрообразования трубы при малых натягах. Выпадение точек на боковой стенке, внешней стенке, а также на участках 2 и 4 (рис. 3), обусловлено наличием гофрообразования трубы, трением трубы при гибке о ролик-шаблон, неравномерностью толщин стенок трубы и структуры металла. Среднеквадратичное отклонение точек графиков (рис. 4), где Li – длина интервалов, Lt – длина измеряемого участка трубы: R2 = 0,5155 (точка 1); R2 = 0,0777 (точка 2); R2 = 0,5389 (точка 3); R2 = 0,4995 (точка 4); R2 = 0,7823 (точка 5). Графики изменения длин интервалов (рис. 4) строились для 3-х зон натягов (зона a) – натяг N = 0,5 мм, зона b) – натяг N = 1,0 мм, зона c) – натяг N = 1,5 мм): 1 график – для точки 1; 2 график – для точки 2; 3 график – для точки 3; 4 график – для точки 4; 5 график – для точка 5.

Величина натяга раскатника является основным параметром от которого зависят величины продольных деформаций и качество гнутой трубы.

Расчетная толщина стенки трубы на внутренней, боковой и наружной поверхности, а также между ними, по точкам 1-5 (рис. 3), менялась пропорционально изменению величины продольных деформаций на соответствующих участках графиков изменения длин интервалов (рис. 4). Изменения толщины стенок трубы (рис. 5) рассчитывались для 3-х зон натягов (зона a) – натяг N = 0,5 мм, зона b) – натяг N = 1,0 мм, зона c) – натяг N = 1,5 мм).

В результате проведенного исследования удалось оценить степень и характер деформации в продольном и поперечном сечении стенок трубы при гибке с раскатыванием и, как следствие, рассчитать указанные деформации и утонения стенок трубы, а именно на внутренней стенке наблюдалось уменьшение длины стенки трубы в среднем от 7,4% до 12,0%, между внутренней и боковой стенкой наблюдалось уменьшение длины стенки трубы в среднем от 4,6% до 5,6%, на боковой стенке наблюдалось удлинение стенки трубы в среднем от 12,0% до 18,0%, между боковой и внешней стенкой наблюдалось удлинение стенки трубы в среднем от 16,6% до 28,6%, на внешней стенке наблюдалось удлинение стенки трубы в среднем от 35,2% до 39,4%. Полученные результаты проведенных экспериментов, позволяют прогнозировать величины утонения стенок трубы, а следовательно, и общий срок службы. В целом на опытной установке из трубных заготовок диаметром 42,5 мм получены крутозагнутые отводы с радиусами 2Ду, геометрия которых соответствует требованиям ГОСТ 9941-81.

Список литературы

1. Беляев, Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. – 14-е изд. – М.: Наука, 1965. – 608 с.

2.      Гальперин, А.И. Машины и оборудование для гибки труб / А.И. Гальперин. – М.: Машиностроение, 1983. – 203 с.

3.     Джонсон, У.С. Теория пластичности для инженеров / У.С. Джонсон, П.Б. Меллор. –  М.: Машиностроение, 1979. – 567 с.

4. Козлов А.В. Развитие теории, технологии и оборудования для холодной гибки тонкостенных труб с воздействием на трубу вращающимся деформирующим инструментом: дис… докт. технич. наук. Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, 2010.

5.   Kozlov, A.V. Stress state in pipe on flexure with internal shairing / Kozlov A.V., Sherkunov V.G., Kyilcevich Ya.M. Russian Engineering Reseach. – New York: Allerton Press, Inc., 2009. – Т. 29. № 8. – С. 809–812.

6.   Козлов, А.В. Технология и оборудование холодной гибки тонкостенных труб: монография / А.В. Козлов, А.В. Бобылев. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – 169 с.

7.   Kozlov, А.V. The technology and equipment for cold bending of pipes / А.V. Kozlov, Y. Khilkevich // The 29th International Conference on Mechanical Engineering: Book of Conference Lecturer. – Haifa, Israel: Technion, 2003. – С. 190–192.

8.    Патент 818707 Российская Федерация, МКИ В 21 D 9/14. Способ гибки труб / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич (РФ); № 2713945125; опубл. 07.04.1981, Бюл. № 13.

9.     Пригоровский, Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений:справочник / Н.И. Пригоровский. – М.: Машиностроение, 1983. – 248 с.

10.   Патент 157963 Российская Федерация, МКИ В 21 D 9/14. Установка для гибки мелкоразмерных труб с раскатыванием / Е.В. Халиулин, А.В. Козлов, М.В. Герасимов (РФ); № 2014153158; опубл. 25.12.2014, Бюл. № 35.