На правах рукописи

ЗАРЕЦКИЙ ЛЕВ МАРКОВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, СПОСОБОВ

ПЛАСТИЧЕСКОГО ОБЖАТИЯ АРМАТУРНЫХ КАНАТОВ

И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.03.05 – «Технологии и машины

обработки давлением». Технические наук

и

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Магнитогорск 2007 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Харитонов Вениамин Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Кулеша Вадим Анатольевич кандидат технических наук, доцент Белан Анатолий Кириллович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Защита состоится 19.04.2007 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г.

Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан « 18 » марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Арматурные канаты являются наиболее эффективным видом арматуры для предварительно напряженных железобетонных изделий. Однако применяемые сегодня конструкции и способы изготовления канатов для армирования «на упор» в своем жизненном цикле достигли насыщения и дальнейшее их совершенствование не дает значительного повышения эффективности. Применение традиционных схем пластического обжатия (волочение, продольная прокатка) при изготовлении канатов спиральной конструкции для армирования «на бетон» не обеспечивает требуемых эксплуатационных свойств. В этой связи решение актуальной задачи повышения конкурентоспособности арматурных канатов возможно инновационным способом, основанным на разработке новых конструкций канатов и способов их пластического обжатия.

Целью работы является разработка новых конструкций, способов и оборудования для пластического обжатия арматурных канатов.

Задачи исследований 1. Разработка новых конструкций канатов для армирования «на упор», технологии и оборудования для их изготовления 2. Совершенствование методики расчета сцепления арматурных канатов с бетоном.

3. Анализ причин возникновения подкручивания проволок при пластической деформации канатов и разработка способов минимизации данного эффекта.

4. Разработка технологии и оборудования для изготовления пластически обжатых канатов для армирования «на бетон».

Научная новизна 1. Разработана методика расчета возникающего при обжатии спиральных канатов остаточного крутящего момента и вызванных его наличием дополнительных контактных напряжений в проволоках пластически обжатого каната и предложен способ управления величиной остаточного крутящего момента в проволоках спиральных канатов.

2. Методика оценки сцепления арматурных канатов с бетоном дополнена с учетом эффекта ввинчивания, периодического профиля, фасонного сечения и дополнительных элементов каната, создающих механическое сцепление.

Практическая ценность работы.

1. Разработанный способ пластического обжатия спиральных канатов обеспечивает повышение эффективности армирования «на бетон» за счет устранения остаточного кручения проволок. Одновременно разработанный способ снижает расход энергии на обжатие каната.

2. Разработанная конструкция каната для армирования «на упор», помимо увеличения сцепления с бетоном в сравнении с аналогами за счет периодического профиля на поверхности, обеспечивает высокий коэффициент заполнения сечения и структурную целостность каната.

3. Пластическая деформация прядей и канатов любых конструкций и назначения способом продольно-винтового обжатия позволяет обеспечить снижение энергозатрат на обжатие и повышение ресурса канатов за счет уменьшения фрикционного износа проволок в процессе эксплуатации.

Реализация работы.

1. Проведен промышленный эксперимент по изготовлению пластически обжатого арматурного каната с периодическим профилем наружной поверхности в условиях ОАО «БМК». Изготовлены опытные образцы пластически обжатого каната с периодическим профилем поверхности.

2. Разработан рабочий проект оборудования для реализации продольно-винтового пластического обжатия канатов в рамках хоздоговорной работы с ОАО «МКЗ».

3. Разработаны варианты технологических схем продольно-винтового пластического обжатия канатов различной конструкции и назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на Международной конференции канатчиков (Одесса, г.), 60-й научно-технической конференции, посвященной 70-летию ММК (Магнитогорск, 2001 г.), IV, V, VI Международных конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001 г., Череповец, 2003 г., Липецк, г.), конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2002, 2003, 2004).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 19 печатных работах, в том числе 2 патентах на изобретения и 1 авторском свидетельстве на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложения объемом 42 страницы. Ее содержание изложено на страницах машинописного текста. Работа содержит 45 рисунков и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе проанализированы условия работы арматурных канатов и требования к ним в зависимости от вида армирования. Показано, что для армирования как «на упор», так и «на бетон» в основном применяются арматурные канаты конструкции 17, изготавливаемые из гладкой круглой проволоки. Однако такие канаты имеют неэффективное сцепление – недостаточное для армирования «на упор» и избыточное для армирования «на бетон». Отличительной особенностью витых арматурных канатов является эффект ввинчивания, заключающийся в продольно-винтовом перемещении каната по собственному оттиску в бетоне без его разрушения. При этом нет методик, позволяющих оценивать сопротивлении ввинчиванию канатов с периодическим профилем и другими улучшающими сцепление элементами.

Рациональной конструкцией для армирования «на бетон» по всем формальным признакам является пластически обжатый спиральный канат, однако на практике такие канаты практически не выпускаются.

Одной из причин этого является подкручивание проволок после пластической деформации, однако методики оценки данного эффекта в литературе не найдены.

Поскольку существующие конструкции канатов, процессы и оборудование их производства не позволяют решать данные задачи, для конкурентоспособного производства арматурных канатов необходимо разработать новые конструкции канатов, способы производства и оборудование для их реализации.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки остаточного крутящего момента.

2. Способ продольно-винтового пластического обжатия канатов.

3. Конструкции арматурных канатов с периодическим профилем наружной поверхности и без касания наружных проволок с металлическим винтовым сердечником.

4. Принципиальная схема устройства для пластического обжатия канатов.

Во второй главе рассмотрен процесс пластического обжатия спирального каната продольной деформацией.

Приложенное при обжатии к проволоке со стороны инструмента усилие можно представить в виде геометрической суммы усилий Р y и Р x, действующих, соответственно, в поперечном и продольном направлениях. Усилие Р x направлено под углом к проволокам, в связи с чем раскладывается на сонаправленную проволоке составляющую Рx// и поперечную составляющую Р x/. Нами принято, что поперечная составляющая усилия направлена перпендикулярно проволоке, т.к. при таком распределении усилий сонаправленная проволоке составляющая Рx// меньше усилия Р x. Поперечная составляющая Р x/ стремится повернуть проволоки относительно опоры – контакта с центральной проволокой и, соответственно, формирует действующий на проволоки в очаге деформации крутящий момент, который не компенсируется усилиями взаимодействия смежных проволок повива, так как данные усилия симметричны.

Показано, что за счет поворота проволок относительно зафиксированного их гранями углового положения на выходе формируются касательные напряжения в поперечном сечении проволок, которые в совокупности создают крутящий момент, противодействующий моменту, создаваемому обжимающей нагрузкой (рис.1, а). После снятия внешней нагрузки, уравновешиваемой сформированным крутящим моментом, последний сохраняется (рис.1, б). Соответственно, в канате присутствуют дополнительные напряжения в сечении проволок и на поверхности их контакта, что снижает его прочностные и пластические свойства.

Рис. 1. Распределение усилий в канате при обжатии и разгрузке.

Обосновано, что наличие в проволоках обжимаемого каната крутящего момента является причиной появление «фонаря».

Показано, что прокатка/протяжка по системе калибров «кругкруг» является наиболее благоприятной схемой продольного обжатия, менее благоприятны волочение, и прокатка/протяжка по системе калибров «круг- фасонное сечение-круг».

Предложен способ продольно-винтового обжатия в роликах, установленных под углом к оси каната во вращающейся клети. Угол наклона валков при этом соответствует углу свивки проволок в канате, а период вращения клети равен шагу свивки каната. Способ обеспечивает равномерную по длине осесимметричную деформацию каната, что снижает его металлоемкость и повышает агрегатные прочностные характеристики, а также не формирует крутящий момент при обжатии.

При продольно-винтовой прокатке/протяжке очаг имеет значительно меньшую длину, чем при продольной прокатке/протяжке при равных обжатиях и радиусах роликов, что позволяет снизить расход энергии на изготовление каната. Предложенный способ защищен патентом РФ на изобретение №2245407.

По методике Б.А. Бирюкова, учитывающей свойства металла, степень обжатия, конфигурацию исходного каната, а также длину и ширину площадок контакта, проведен расчет радиальных и продольных усилий для продольной и продольно-винтовой деформации с равной степенью обжатия (таблицы 1 и 2).

Усилия при продольной протяжке арматурного каната в двухроликовом калибре с диаметром роликов 160 мм Усилия при продольно-винтовой протяжке арматурного каната в трехроликовом калибре с диаметром роликов 160 мм Из полученных результатов следует, что продольно-винтовая деформация энергетически выгоднее продольной.

Для оценки значимости крутящего момента проволок при продольной протяжке арматурного каната проведен расчет его величины.

Крутящий момент проволок обжатого каната определяется как:

где T – усилие продольного перемещения при обжатии, h – высота наружной проволоки обжатого каната, н – угол наклона наружной поверхности проволоки каната.

Остаточный крутящий момент проволоки повива уравновешивается нагрузкой в контакте ее с центральной проволокой, так как напряжения в контакте со смежными наружными проволоками симметричны. Повороту относительно площадки контакта с центральной проволокой препятствует смежная проволока повива. Момент, создаваемый контактными напряжениями, выражается как:

где kpr – удельная нагрузка при единичном расстоянии от оси поворота до рассматриваемой точки, – угол между плоскостью контакта и нормалью к линии, соединяющей рассматриваемую точку с осью поворота, В данном выражении пределы интегрирования определяются исходя из геометрических параметров проволоки обжатого каната.

Рассчитана величина остаточного крутящего момента и максимальные значения напряжения н в контакте наружной проволоки со смежной наружной проволокой и напряжения ц в контакте наружной проволоки с центральной проволокой (таблица 3).

Крутящий момент проволок и контактные напряжения при продольной протяжке арматурного каната Исходный Диаметр Шаг Крутящий мо- Максимальное Максимальное диаметр обжатого свивки, мент проволо- значение, значение, Как показывают приведенные данные, неучет контактных напряжений приведет к значимым погрешностям.

В третьей главе предложены конструкции арматурных канатов с периодическим профилем наружной поверхности (рис.2, а) и без касания наружных проволок с металлическим винтовым сердечником (рис.2, б), а также способы их изготовления.

Для оценки сцепления канатов с бетоном видоизменен показатель f r площади смятия. При этом отдельно рассчитывается показатель f r1, удельной площади проекции в направлении продольного перемещения и показатель f r2 удельной площади проекции в направлении продольно-винтового перемещения. Это позволяет учитывать влияние периодического профиля, фасонного сечения и других элементов, создающих механическое сцепление в продольном или продольно-винтовом направлении. В общем виде адаптированный показатель сопротивf r ления продольному перемещению будет иметь вид:

– удельная площадь проекции дополнительных элементов.

Показатель f r2 удельной площади проекции элементов профиля, препятствующих ввинчиванию, рассчитывается как:

где – площадь проекции элемента периодического профиля на Рассчитаны показатели сцепления пластически обжатых канатов периодического профиля, канатов из гладкой круглой проволоки стандарта ГОСТ 13840–68 и канатов периодического профиля стандарта BS 5896–1980 (таблица 4).

Показатели сцепления арматурных канатов Результаты расчетов показывают преимущество разработанных канатов. Способ изготовления пластически обжатого каната периодического профиля защищен патентом РФ на изобретение №2256755.

Четвертая глава посвящена лабораторным и промышленным экспериментам по изготовлению пластически обжатого арматурного каната с периодическим профилем наружной поверхности и каната без касания наружных проволок.

Для проверки методики оценки сцепления в лабораторном эксперименте прокатаны свинцовые модели каната правой и левой свивки и стальные канаты номинального диаметра 9,35 мм производства ОАО «БМК» по ГОСТ 13840–68. Эксперимент показал принципиальную осуществимость предложенного способа изготовления арматурного каната периодического профиля, позволил выработать рекомендации по конструкции и калибровкам валков для изготовления качественного каната с периодическим профилем наружной поверхности и подтвердил теоретические выводы, сделанные при разработке методики определения сцепления канатов с бетоном.

На экспериментальной установке, созданной в цехе №16 ОАО «БМК», изготовлены образцы арматурных канатов номинального диаметра 12,40 мм. Проведены испытания пластически обжатого каната с периодическим профилем, не подвергавшегося низкотемпературному отпуску (таблица 5).

Результаты испытаний на разрыв пластически обжатого каната с периодическим профилем № Разрывное усилие Разрывное усилие наружных Суммарное Агрегатное Агрегатное разрывное усилие каната составило 98,5% от суммарного разрывного усилия. Это позволяет утверждать, что в проволоках обжатого каната свивочные напряжения практически полностью уравновешены напряжениями, сформированными в процессе пластического обжатия.

Проведено экспериментальное исследование процесса волочения проволоки сердечника в шариковой волоке, а также смоделирован процесс свивки каната без касания наружных проволок и изготовлены образцы. На разработанную конструкцию каната получено авторское свидетельство РФ на полезную модель №23894.

В пятой главе проведен анализ требований к оборудованию для реализации разработанного способа пластического обжатия каната и разработана конструкция обжимного узла.

Выполнен рабочий проект опытно-промышленной установки для обжатия методом продольно-винтовой протяжки, предназначенный для обжатия в линии сигарной канатовьющей машины канатов диаметром до 38 мм. Схематичное изображение разработанного узла показано на рис. 3.

Установка включает в себя клеть с поворотными роликовыми узлами, угол поворота которых регулируется червячными механизмами, узел синхронной радиальной регулировки роликов в виде конического нажимного барабана и соединительный вал, связывающий клеть с ротором канатовьющей машины.

Рис.3. Разрез установки продольно-винтового обжатия канатов.

Показано, что регулированием угла поворота роликов обжимного узла обеспечивается формирование заданного остаточного крутящего момента при обжатии прядей для последующей двойной свивки или подкручивания в процессе эксплуатации.

Разработаны принципиальные схемы продольно-винтовой деформации для канатов различных конструкций и назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Показано, что приложение обжимающего усилия под углом к проволокам спирального каната приводит к возникновению в них остаточного крутящего момента при пластической деформации.

Разработана методика расчета величины остаточного крутящего момента и вызванных им дополнительных контактных напряжений.

2. Разработан новый способ пластического обжатия канатов, исключающий формирование остаточного крутящего момента за счет приложения обжимающего усилия вдоль проволок, что позволяет изготавливать пластически обжатые канаты для армирования «на бетон»,. Для реализации способа разработано на уровне рабочих чертежей оборудование, позволяющее осуществлять пластическое обжатие канатов в линии канатовьющей машины или отдельно.

Способ обжатия и конструкция оборудования защищены патентом на изобретение №2245407.

3. Усовершенствована методика расчета сцепления арматурных канатов с бетоном по удельной площади смятия, обеспечивающая учет сцепления в направлении ввинчивания.

4. Предложена новая конструкция пластически обжатого каната для армирования «на упор», имеющего развитую поверхность периодического профиля, повышенный коэффициент заполнения сечения и поверхностный контакт между проволоками, что обеспечивает их надежную взаимосвязь. Разработана и проверена экспериментально в лабораторных и промышленных условиях технология изготовления каната. Применение пластического обжатия при изготовлении каната позволяет увеличить производительность канатовьющего оборудования и снизить свивочные напряжения за счет увеличения шага свивки. Способ изготовления каната защищен патентом на изобретение №2256755.

5. Предложена новая конструкция каната для армирования «на упор»

без касания наружных проволок друг с другом, обеспечивающая заполнение всех пустот между проволоками бетоном. Применение данного каната позволяет повысить стойкость железобетонных конструкций в агрессивных средах за счет отсутствия пустот в изделии. Технология изготовления каната проверена экспериментально в лабораторных условиях. Конструкция каната защищена авторским свидетельством на полезную модель №23894.

6. Применение разработанного способа пластического обжатия при производстве канатов различных конструкций и назначения позволяет повысить их ресурс относительно обжатых аналогов за счет уменьшения контактных напряжений, а также снизить энергозатраты на процесс обжатия. Разработаны принципиальные технологические схемы применения предложенного способа для пластического обжатия канатов различных конструкций и назначения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Зарецкий Л.М. К выбору эффективных схем пластического обжатия круглопроволочных канатов // Производство проката. – 2006. – №4. – С 23 – 26. (Рецензируемое издание) 2. Патент РФ на изобретение №2245407. Способ изготовления канатов и устройство для его осуществления / Н.М. Харлов, Е.К. Горбатов, Л.М. Зарецкий и др. – Опубл. в Б.И.П.М. №3 от 27.01. 2005. С. 642.

3. Патент РФ на изобретение №2256755. Способ изготовления арматурных канатов / Б.А. Никифоров, В.А. Харитонов и Л.М. Зарецкий.

– Опубл. в Б.И.П.М. №20 от 20.07.2005. С 583.

4. А.с. РФ на ПМ №23894. Арматурный канат / В.П. Рудаков, В.П. Манин, Л.М. Зарецкий и др. – Опубл. в Б.И.П.М. №20 от 20.07.2002. С.

428.

5. Моделирование напряженно-деформированного состояния элементов двухпроволочного арматурного каната/ Манин В.П., Зарецкий Л.М., Макарова Н.П. и др. // Труды IV конгресса прокатчиков. – Магнитогорск. – 2002. – С 212 – 214.

6. Применение холодной прокатки для производства пластически деформированных канатов гладкого и периодического профиля / Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Ставничук П.А., Зарецкий Л.М.

//Труды V конгресса прокатчиков. – Череповец. – 2003. – С 456 – 458.

7. Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Зарецкий Л.М. Повышение конкурентоспособности канатов на основе совершенствования существующих и разработки новых способов пластического обжатия // Труды VI конгресса прокатчиков. – Липецк. – 18 – 21 октября г. М. 2005. – С 484 – 486.

8. V.A. Haritonov, L.M. Zaretsky. Rolling for the production of plastically strained ropes and strands/ Eurowire Magazine. – 2004. – №1. – C. 100 – 101.

9. V. Haritonov, L. Zaretsky. Das linear-wendelfrmige Walzen erzeugt Seile und Litzen mit verbesserten Eigensghaften/ Eurowire Magazine. – 2005. – №5. – C. 84 – 86.

10. Харитонов В.А., Зарецкий Л.М. Повышение конкурентоспособности канатов на основе совершенствования существующих и разработки новых способов пластического обжатия / Eurowire Magazine.

– 2005. – №6. – C. 79 – 80.

11. Разработка технологической схемы производства высокопрочных арматурных канатов малых диаметров / Манин В.П., Зарецкий Л.М., Шубин И.Г. и др. // Cтальные канаты: Сб. научных трудов. – Одесса: «АстраПринт». – 1999. – С 103 – 105.

12. Моделирование процесса волочения заготовки сердечника двухпроволочного арматурного каната / Манин В.П., Зарецкий Л.М., Шубин И.Г. и др. // Cтальные канаты: Сб. научных трудов. – Одесса: «АстраПринт». – 1999. – С 106 – 107.

13. Харитонов В.А., Манин В.П., Зарецкий Л.М. Сравнительная оценка свойств шестипроволочного арматурного каната / // Деп в ВИНИТИ, 23.09.2002. № 1605 – В2002. 21 с.

14. Адамчук С.В., Зарецкий Л.М., Манин В.П. Определение момента закручивания методом песчаной аналогии // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Сб. научных трудов. – Магнитогорск. – МГТУ. – 2000. – С 277 – 280.

15. Определение параметров очага деформации при формировании спирального паза в сердечнике арматурного каната / Манин В.П., Зарецкий Л.М., Шубин И.Г. и др. // Обработка сплошных и слоистых материалов: Сб. научных трудов. – Магнитогорск. – МГТУ. – 2002. – С 199 – 203.

16. Зарецкий Л.М. Расчет геометрических параметров очага деформации в процессе формирования спирального профиля шаровой обоймой // Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследованиях: Сб. научных трудов. – Магнитогорск. – МГТУ. – 2003. – С. 138 – 142.

17. Зарецкий Л.М. Экспериментальное моделирование процесса формирования спиральных пазов шаровой обоймой // Современные технологии и материаловедение: Сб. научных трудов. – Магнитогорск. – МГТУ. – 2003. – С. 106 – 108.

18. Харитонов В.А., Зарецкий Л.М. Направления развития производства пластически обжатых канатов // Моделирование и развитие технологических процессов: Сб. научных трудов. – Магнитогорск. – МГТУ. – 2004. – С. 98 – 104.

19. Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Зарецкий Л.М. Повышение эффективности производства пластически обжатых канатов //Обработка сплошных и слоистых материалов: Сб. научных трудов.

– Магнитогорск. – МГТУ. – 2005. – С. 57 – 61.