Features of Calculating Kinematic and Roughness Parameters at Abrasive Finishing of Shut-Off Surfaces of Gate Valve Bodies Connecting Pipes

全文:

Введение

Для обеспечения качественных параметров запорных элементов притиркой необходимо обращать внимание на:

– исходное состояние поверхности детали;

– скорости вращения инструментального блока и инструментов для абразивной доводки (их величины зависят от характера доводочной операции);

– давление (усилие прижима) притира на обрабатываемые поверхности;

– состав абразивной рабочей среды.

При производстве или ремонте запорных (уплотнительных) деталей трубопроводной арматуры (в частности при мелком ремонте, то есть восстановлении уплотнительных поверхностей корпусов клиновых задвижек) необходимым параметром является герметичность затвора. Для этого необходимо получить заданные качественные характеристики уплотнительных поверхностей на специальном станке
ГАКС-Ф-4¹ [1–3] с определенным сочетанием движений притира и рабочего диска (рис. 1):

– главного движения (вращения диска, на котором закреплен инструмент, непосредственно от двигателя);

– движения, обеспечивающего равномерную обработку (вращения инструмента вокруг своей оси).

 

 

Рис. 1. Схема переносного станка для абразивной доводки
1 – обрабатываемый корпус; 2 – станок; 3 – регулировочные винты для приложения усилия;
А – обрабатываемая уплотнительная поверхность корпуса задвижки

Fig. 1. Scheme of portable machine for abrasive finishing
1 – treated housing; 2 – machine; 3 – adjustment screws for force application;
A – machined sealing surface of the gate valve body

 

 

Плотность (непроницаемость уплотнительных поверхностей деталей арматуры-задвижки и корпуса) в процессе ремонта достигается абразивной доводкой. К уплотнительным поверхностям деталей трубопроводной  арматуры, обработанным доводкой, предъявляются следующие требования: шероховатость поверхности не ниже R_а = 0,08 мкм, отклонения от плоскостности до 1 мкм.

Обзор литературы

При абразивной доводке запорных поверхностей деталей трубопроводной арматуры основным недостатком является отсутствие основных положений особенностей кинематики движения инструмента относительно обрабатываемых уплотнительных поверхностей деталей трубопроводной арматуры. Отсутствуют также методики определения режимных параметров и величины шероховатости в процессе абразивной доводки уплотнительных поверхностей² [2–5]. Неполностью раскрыты вопросы настройки технологического оборудования перед притиркой поверхностей. Все это негативным образом влияет на производительность и качество процесса обработки и требует применения соответствующих технических и технологических решений. Большой вклад  в создание установок для абразивной доводки уплотнительных поверхностей деталей трубопроводной арматуры внесли ученые и инженеры немецких фирм, в том числе Л. В. Молчанова, генеральный директор концерна Unigrind-SLIM, и Якоб Вост, генеральный директор концерна EFCO-HSL, а также российские ученые и специалисты: С. В. Сейнов, А. К. Адаменков, В. А. Поляков, В. К. Погодин и др. Однако конструкции установок немецких фирм при всей их оригинальности обладают определенными недостатками: малая мощность электро- или пневмодвигателя, по сравнению с российской фирмой «ГАКС-РЕМ-АРМ», и малая глубина погружения шинделя с инструментальным диском, оборудованным притирами, не позволяют обеспечить высокую производительность и заданные качественные параметры при абразивной доводке крупногабаритных корпусов клиновых задвижек с диаметром условного прохода DN = 1000…1400 мм и глубиной погружения L = 1200…1400 мм. Одними из первых предприятий в России по производству вышеуказанных установок и по технологии шлифования и доводки запорных поверхностей деталей трубопроводной арматуры являются «ГАКС-АРМ-Сервис» и «ГАКС-РЕМ-АРМ» в составе «ГАКС-АРМ-Сервис», генеральным директором которых является Ю. С. Сейнов, а президентом ‒ профессор С. В. Сейнов. Значительный вклад в вопросы настройки переносных станков для абразивной доводки и создания методики определения режимных параметров и величины шероховатости процесса абразивной доводки уплотнительных поверхностей, а также в вопросы выбора рациональных абразивных материалов и смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), внес ведущий эксперт вышеуказанных предприятий профессор В. А. Скрябин.

Материалы и методы

При решении данной задачи необходимо определить траекторию движения инструмента. Для этого выполним расчет по определению кинематических параметров и шероховатости обработанной уплотнительной поверхности задвижки с диаметром условного прохода DN 100 по схеме, приведенной на рисунке 2. Определяем размеры ОА и АС [4–7].

 

 

Рис. 2. Схема для определения угловых скоростей инструментального блока и инструмента (притира)

Fig. 2. Scheme for determining the angular velocities of the tool block and the tool (lapper)

 

 

На рисунке 3 показан инструментальный блок 1 с расположенными на нем пластинами 2, на которых закрепляются инструменты 3.

 

 

Рис. 3. Общий вид блока инструментального DN 100…200

Fig. 3. General view of the tool unit DN 100...200

 

 

Наружные диаметры инструментальных блоков D = Ø116,5…241 мм; D_{инструмента} = 40 мм; D_диска = 40 мм.

Из рисунков 2 и 3: ОА ‒ расстояние от центра инструментального блока до центра инструмента; ОА = 116,5/2 – 40/2 = 58,25 – 20 = 38,25 мм; AC ‒ расстояние от центра инструментального блока до середины обрабатываемой уплотнительной поверхности; H ‒ ширина уплотнительной поверхности. Для DN 100 – H =$\frac{D_{max}-D_{\min }}{2}$  , H = (125 – 110)/2 = 7,5 мм. Из рисунка 2: AC = $\frac{D_{инструмента}}{2}-\Delta -\frac{H}{2},$   где Δ ‒ вылет инструмента за край уплотнительной поверхности для исключения его торможения за счет разности линейных скоростей вращения инструментального блока V_А и инструмента V_САΔ ≈ 5 мм.

AC = $\frac{40}{2}-5-\mathrm{3,75}=\mathrm{11,25}мм\text{.}$ 

Мощность резания определяется по формуле:

N_рез = n∙R_p∙V_C,

где n – число одновременно работающих инструментов; R_р – сила резания; V_C – линейная скорость точки приложения силы сопротивления. Сила резания подсчитывается по формуле:

R_p = f∙F_пр,

где f – коэффициент (трения) сопротивления между инструментом и обрабатываемой поверхностью; F_пр – усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. По производственным данным при чистовой притирке V_C ограничивают значениями 0,25…0,5 м/с, а при черновой притирке V_C ограничивают значениями 0,4…2 м/с.

Коэффициент трения f между абразивным инструментом и обрабатываемой поверхностью из легированной стали изменяется в диапазоне 0,1…0,4. В этом случае N_рез = n∙f∙F_пр∙V_C.

Для определения усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности F_пр приведем таблицу 1. Все рекомендуемые усилия прижима в таблице 1 являются данными, полученными в результате производственных испытаний на базе ООО «ГАКС-РЕМ-АРМ (г. Пенза).

Таблица 1 Рекомендуемые значения усилия прижима

Table 1 Recommended values of the clamping force

N_рез = 3∙0,2∙70∙0,3 = 12,6 Н∙м/с = 12,6 Вт = 0,0126 кВт – чистовая притирка.

N_рез = 3∙0,2∙85∙0,4 = 20 Н∙м/с = 26 Вт = 0,02 кВт – черновая притирка.

Угловая скорость вращения инструмента определяется по следующей зависимости (рис. 2) [4; 8; 9]:

$\omega {}_2=\frac{n\cdot f\cdot F_{пр}\cdot {\omega }_1\cdot OA-N_{рез}}{n\cdot f\cdot F_{пн\cdot }\cdot AC},$

где n – число одновременно работающих инструментальных головок; R_р = f∙F_пр – сила резания; ω₁, ω₂ – угловые скорости двигателя привода и инструмента; ОА, АС – плечи приложения движущей силы Р_дв от привода, приложенной в точке А и результирующей силой резания R_р; f – коэффициент (трения) сопротивления между инструментом и обрабатываемой поверхностью; F_пр – усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Мощность резания и мощность двигателя привода связаны соотношением:

N_рез ≤ η∙N_ДВ,

где η – КПД привода (η ≈ 0,9).

Результаты исследования

Мощность двигателя связана с моментом вращения двигателя привода зависимостью:

η∙N_ДВ= M_дв∙ω₁.

Угловая скорость двигателя определяется следующим образом:

${\omega }_1=\frac{2\pi n}{60}$ .

По производственным данным технологических процессов ООО «ГАКС-РЕМ-АРМ» n₁=120 мин^–1 при черновой притирке. Тогда:

${\omega }_1=\frac{2\pi n}{60}=\frac{\mathrm{6,28}\cdot 120}{60}=\mathrm{12,6}\frac{рад}{с}$ .

При получистовой и чистовой притирке:

ω₁= $\frac{\mathrm{6,28}\cdot 100}{60}=\mathrm{10,4}\frac{рад}{с}$ .

При чистовой притирке:

M_ДВ =$\frac{\eta \cdot N_{ДВ}}{{\omega }_1}=\frac{\mathrm{0,9}\cdot 2}{\mathrm{12,6}}=\mathrm{0,16}\text{\hspace{0.33em}кН}\cdot м\text{.}$ 

При черновой притирке:

M_ДВ =$\frac{\eta \cdot N_{ДВ}}{{\omega }_1}=\frac{\mathrm{0,9}\cdot 2}{\mathrm{10,4}}=\mathrm{0,18}\text{\hspace{0.33em}кН}\cdot м\text{.}$ 

Угловая скорость инструмента ω₂ для чистовой притирки определяется как:

$\omega {}_2=\frac{3\cdot \mathrm{0,2}\cdot 70\cdot \mathrm{10,4}\cdot \mathrm{38,25}\cdot {10}^{-3}-\mathrm{12,6}}{3\cdot \mathrm{0,2}\cdot 70\cdot \mathrm{11,25}\cdot {10}^{-3}}=\frac{\mathrm{4,1}}{\mathrm{0,47}}=\mathrm{8,72}\frac{рад}{с}.$

Определим линейную скорость инструмента по зависимости:

V₂ = ω₂∙R, где R ‒ радиус инструмента.

V₂ = 8,72∙20∙10^–3 = 0,174 $\frac{м}{с}\left(\mathrm{10,44}\frac{м}{мин}\right).$ 

В соответствии с производственными данными по предприятиям России и литературным источникам окружная скорость при чистовой притирке ограничивается значениями не более 0,5..0,8 м/с и рекомендуется задавать ее в диапазоне 0,2…0,5 м/с.

Давление притира на обрабатываемую поверхность определяется как:

$P=\frac{F_{пр}}{S}=\frac{7}{28}=\mathrm{0,25}\frac{кгс}{{\text{см}}^{\text{2}}}=\mathrm{0,025}$  МПа.

Среднее давление по таблице 1: P = 0,04…0,1 МПа (0,4…1$\frac{кгс}{с{м}^{\text{2}}}$ ).

По производственным и литературным данным давление при чистовой притирке находится в диапазоне 0,05…0,12 МПа.

Определим скорость вращения диска с инструментами:

$V_1=\frac{\pi \cdot D_{диска}\cdot n}{1000}=\frac{\mathrm{3,14}\cdot \mathrm{116,5}\cdot 100}{1000}\approx 37\frac{м}{мин}.$

Шероховатость обработанной поверхности при плоской притирке, согласно исследованиям П. Н. Орлова (МГТУ им. Н. Э. Баумана), определяется по следующей зависимости:

$R_a=C_{R_a}\cdot P^y\cdot H{B}^{-m}\cdot d$ ,

где C_Ra ‒ коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, абразива и других условий обработки; P ‒ давление притира на обрабатываемый материал; HB ‒ твердость обрабатываемого материала; d ‒ диаметр абразивных зерен. Для наплавленной поверхности из высоколегированной стали марки Св-15Х18Н12С4ТЮ HB = 120 $\frac{кгс}{м{м}^{\text{2}}}$  . P = 0,4 $\frac{кгс}{с{м}^{\text{2}}}$  (0,04 МПа), y = 1, m = ‒1, абразивный материал – микрошлифпорошки М10(F800) электрокорунда хромотитанистого марок 91А…95А; C_Ra = 235…280.

$R_a=235\cdot {\mathrm{0,4}}^1\cdot {(120\cdot {10}^2)}^{-1}\cdot 10\approx \mathrm{0,07}\text{\hspace{0.33em}мкм}.$

Угловая скорость инструмента ω₂ для черновой притирки определяется как:

${\omega }_2=\frac{3\cdot \mathrm{0,25}\cdot 85\cdot \mathrm{12,6}\cdot \mathrm{38,25}\cdot {10}^{-3}-20}{3\cdot \mathrm{0,25}\cdot 85\cdot \mathrm{11,25}\cdot {10}^{-3}}=\frac{\mathrm{10,7}}{\mathrm{0,7}}=\mathrm{15,2}\frac{рад}{с}.$

V₂ = 15,2∙20∙10^–3 = 0,31 $\frac{м}{с}\left(\mathrm{18,6}\frac{м}{мин}\right).$ 

При механической доводке плоских наружных поверхностей рациональные значения давлений в соответствии с производственными и литературными данными скорости вращения притира составляют для предварительной притирки и изменяются в диапазоне 0,5…2 м/с.

$P=\frac{F_{пр}}{S}=\frac{\mathrm{10,5}}{28}=\mathrm{0,4}\frac{кгс}{с{м}^{\text{2}}}=\mathrm{0,04}$  МПа

(0,15 МПа).

Определим скорость вращения диска с инструментами:

$V_1=\frac{\pi \cdot D_{диска}\cdot n}{1000}=\frac{\mathrm{3,14}\cdot \mathrm{116,5}\cdot 120}{1000}\approx \mathrm{43,92}\frac{м}{мин}.$

По производственным и литературным данным, давление при черновой притирке находится в диапазоне 0,12…0,2 МПа. В качестве абразивного материала используются микрошлифпорошки М14(F600) электрокорунда хромотитанистого марок 91А…95А; C_Ra = 235…280 [10–14].

$R_a=280\cdot {\mathrm{1,5}}^1\cdot {(120\cdot {10}^2)}^{-1}\cdot 14\approx \mathrm{0,56}мкм.$

Вследствие того, что построение траекторий движения инструмента связано с достаточно трудоемкими и длительными по времени вычислениями, следует использовать программный продукт, который позволит быстро и точно рассчитать положение заданных точек в определенный момент времени.

Визуализация траектории движения точек инструмента выполнена с помощью программного продукта Lazarus (симбиоз программ DELFI и C++) .

Одним из важных вопросов стабильного обеспечения качества обработки поверхностей деталей является управление траекторией движения притира.

На рисунке 4 показан след точки притира по обрабатываемой поверхности.

 

 

Рис. 4 . След точки притира по обрабатываемой поверхности

Fig. 4. Trace of the point of lapping on the processed surface

 

 

На рисунке 5 приведено графическое изображение следов сетки точки притира на обрабатываемой поверхности.

 

 

Рис. 5. Графическое построение следов сетки точки притира на обрабатываемой поверхности
с помощью программы Lazarus

Fig. 5. Graphic construction of traces of the point of lapping on the processed surface with the help
of the program Lazarus

 

 

Анализ теоретических результатов исследований сложного движения пластин показывает влияние следа точки инструмента по обрабатываемой уплотнительной поверхности  на качество обработки поверхностей деталей. Из рисунков 4 и 5  следует, что равномерная сетка при пересечении рисок от наложения двух движений получилась за счет плавной и равномерной скорости движения инструмента по траектории, стабильной величины давления притира на обрабатываемую поверхность по всей ее площади. Это уменьшает завал торцевой уплотнительной плоскости и способствует достижению заданных параметров качества поверхности.

Удельное межуплотнительное пространство определяется в соответствии с литературным источником³ [10] по следующей зависимости:

S_мп = R_max∙L∙K,

где L ‒ базовая длина, мм; K ‒ коэффициент, учитывающий незаполненное пространство профиля.

При чистовой доводке уплотнительных поверхностей согласно предшествующим расчетам Ra = 0,07 мкм, R_max = 0,4 мкм, L = 0,25 мм,

K = 0,5.

S_мп = 0,4∙250∙0,5 = 50 мкм².

Эта величина хорошо соответствует величине удельного межуплотнительного пространства, определенного экспериментальным путем на предприятии ООО «ГАКС-АРМ-СЕРВИС.

Обсуждение и заключение

Анализ представленных результатов позволил решить вопрос о месте расположения притиров на инструментальном блоке относительно обрабатываемых уплотнительных поверхностей (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Положение притира 3 слева от обрабатываемой уплотнительной поверхности:
Rи_min и Rи_max – минимальный и максимальный радиусы рабочей поверхности притира;
R_min и R_max – минимальный и максимальный радиусы обрабатываемой уплотнительной
поверхности; φ – угол поворота водила с инструментом; M, M₁, A и A₁ – точки начала и конца
рабочей поверхности притира; r_d и R_d – радиусы окружностей, описываемых при вращении вала
крепления притира при вращении его вокруг своей оси 2 и вокруг оси инструментального блока 1;
V – вектор линейной скорости вращения инструмента

 

Fig. 6. Position of lapper 3 to the left of the machined sealing surfaces:
Rи_min and Rи_max minimum and maximum radii of the working surface of the lapper;
R_min and R_max – minimum and maximum radii of the processed sealing the surface;
φ – angle of rotation of the carrier with the tool; M, M₁, A and A₁ – start and end points of the working
surface of the lapper; r_d and R_d are the radii of the circles described by the rotation of the shaft mounting
lapper by rotating it around its axis 2 and axis tools instrumental block 1;
V - is the vector of linear speed of rotation of the tool

 

 

Диаметр посадочной поверхности притира D_d = 13 мм для DN 100. Таким образом, ширина рабочей поверхности притира:

B =$\frac{D{}_{инструмента}-D_d}{2}=\frac{40-13}{2}=\mathrm{13,5}мм.$  

R_max = 20 мм, R_min = 6,5 мм. С учетом выхода верхней точки притира относительно верхней точки обрабатываемой уплотнительной поверхности на величину Δ ≈ 5 мм контакт притира с обрабатываемой поверхностью детали происходит по размеру 8,5 мм и на 1 мм перекрывает ширину уплотнительной поверхности H = 7,5 мм.

Оптимальный сектор контакта притира и уплотнительной поверхности, рекомендуемый для благоприятных условий вращения абразивного инструмента определяется следующим образом из рисунка 7:

 

 

 

Рис. 7. Определение оптимального угла контакта абразивного инструмента
с уплотнительной поверхностью

 

Fig. 7. Determination of the optimum contact angle of the abrasive tool with the sealing surface

 

 

Из рассмотрения треугольника АОК ‒ ОК определяется как:

ОК = d/2 – Δ – 7,5 – 1 = 20 – 5 – 7,5 – 1 = 6,5 мм.

Sin угла АКО = ОА/АК.; Sin угла АКО = 6,5/20 = 0,325; Угол АКО = 19⁰. Угол ОАК = 90⁰ – 19⁰ = 71⁰. Оптимальный угол контакта КАМ равен 142⁰.

На рисунке 8 положение притира изображено справа от уплотнительной поверхности.

 

 

Рис. 8. Положение притира 3 справа от обрабатываемой уплотнительной поверхности

Fig. 8. Position of the lapper 3 to the right of the machined sealing surface

 

 

Предварительные расчеты показали, что площадь контакта и оптимальный угол контакта изменятся незначительно в пределах относительной погрешности 5…10 %.

Экспериментально установлено, что при настройке переносного станка более предпочтительным будет расположение притира 3 слева от обрабатываемой поверхности, так как схема, предложенная на рисунке 8, обладает рядом существенных недостатков:

1. Увеличение плеча ОС инструментального диска примерно на 15…20 мм с учетом того, что он изготовлен из алюминиевого сплава, уменьшает жесткость инструментальной системы и повышает ее вибрации, что негативно влияет на качественные параметры обрабатываемой поверхности.
2. Кроме того, это может привести к проблеме размещения инструментов на обрабатываемой уплотнительной поверхности деталей трубопроводной арматуры.

¹           Сейнов С. В., Сейнов Ю. С., Мартынов А. Н. Технологии и оборудование для притирки уплотнений арматуры: технич. справочник. М.: Прондо, 2013. 250 с. URL: http://tpkom.com/book/book.php?ID=1414.5 (дата обращения: 30.08.2019).

²           Там же.

³           Там же.

作者简介

Vladimir Skryabin

编辑信件的主要联系方式.
Email: vs_51@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-7156-9198
Researcher ID: R-2385-2018

Professor of the Chair of Technology and Equipment in Mechanical Engineering, Dr.Sci. (Engr.)

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Scheme of portable machine for abrasive finishing 1 – treated housing; 2 – machine; 3 – adjustment screws for force application; A – machined sealing surface of the gate valve body

下载 (38KB)

索引源数据

3. Fig. 2. Scheme for determining the angular velocities of the tool block and the tool (lapper)

下载 (44KB)

索引源数据

4. Fig. 3. General view of the tool unit DN 100...200

下载 (60KB)

索引源数据

5. Fig. 4. Trace of the point of lapping on the processed surface

下载 (60KB)

索引源数据

6. Fig. 5. Graphic construction of traces of the point of lapping on the processed surface with the help of the program Lazarus

下载 (32KB)

索引源数据

7. Fig. 6. Position of lapper 3 to the left of the machined sealing surfaces: Rиmin and Rиmax minimum and maximum radii of the working surface of the lapper; Rmin and Rmax – minimum and maximum radii of the processed sealing the surface; φ – angle of rotation of the carrier with the tool; M, M1, A and A1 – start and end points of the working surface of the lapper; rd and Rd are the radii of the circles described by the rotation of the shaft mounting lapper by rotating it around its axis 2 and axis tools instrumental block 1;  V is the vector of linear speed of rotation of the tool

下载 (66KB)

索引源数据

8. Fig. 7. Determination of the optimum contact angle of the abrasive tool with the sealing surface

下载 (46KB)

索引源数据

9. Fig. 8. Position of the lapper 3 to the right of the machined sealing surface

下载 (49KB)

索引源数据