Использование роликовых вальцовок.

При закреплении труб в отверстиях, в том числе и глубоких, часто исполь-зуются роликовые вальцовки. Одна из конструкций в процессе закрепления трубы в доске трубной теплообменного аппарата изображена на рис. 4.32.

Рис. 4.32. Закрепление трубы роликовой вальцовкой :

1-ролик; 2- корпус вальцовки; 3- веретено; 4- обойма с упорным

подшипником; 5- хвостовик (квадратный); 6- труба; 7- доска трубная.

Ролики 1 в данной конструкции имеют конусность, например равную 1: 60, 1:80, контактируют с рабочей поверхностью веретена 3 с конусностью 1:30, 1:40.

Веретено 3, вращаемое через содинительный переходник валом вальцовочной машины из-за трения приводит в движение конические ролики. Направление их вращения - против движения часовой стрелки. В том же направлении, что и веретено с уменьшенной в 4 раза частотой вращается и корпус 2, способствуя «обеганию» роликов по всему периметру поверхности трубы.

Ролики одновременно контактируют с внутренней поверхностью трубы и рабочей поверхностью веретена. Поскольку первые наклонены к оси веретена под углом g= 1- 3°, то их движение создает силу, втягивающую веретено внутрь трубы. Таким образом создается эффект клина, при котором на стенки трубы 6 воздействует усилие, приводящее к ее радиальной деформации. Для удаления вальцовки из трубы необходимо придать веретену обратное вращение, поскольку в противном случае для удаления инструмента потребуется очень большое усилие, которое может привести к разрыву деталей.

Вальцевать роликовым инструментом можно ручным способом, с помощью пневматических или электрических машин.

Параметры вальцованного соединения определяются на основании ОСТ 26-17-01-83, ОСТ 26-02-1015-85.

Анализ работы вальцовок позволил установить, что напряжения между роликом и веретеном можно описать выражением [6](см. рис. 4.33,а)

s_кmax= 190,7 [F_rci(r_вс+ r_pc)/(l_крвr_всr_pc)]^1/2, (4-64)

а между трубой и стенкой отверстия-

s_r= - 4M_крsin g/(sp l’_крвzd_pctga_в), (4-65)

где F_rci= sing(zr_pсtga_в)^-1M_кр,- средняя радиальная сила, действующая на ролик; a_в - угол конусности веретена; M_кр - крутящий момент на веретене; r_вс, r_pc - средние радиусы рабочей части веретена и ролика; s - толщина стенки трубы; l’_крв - фактическая длина контакта прижимаемой трубы со стенкой отверстия; z - число роликов.

а) б)

Рис. 4.33. Действия сил при вальцевании: а) взаимодействия между роликами и веретеном; б) изменение крутящего момента в цикле вальцевания.

Во время вальцевания сначала при малом моменте раздается труба, после того, как она первый раз прижмётся к стенке отверстия доски трубной 7, потребляемый крутящий момент резко увеличивается. Соответственно повышаются и напряжения. Для обеспечения надежного крепления трубы необходимо правильно выбрать контактное напряжение s_r, по которому определяется необходимый момент M_кр. При этом контактные напряжения между роликом и веретеном s_кmax не должны превышать значений, допускаемых для применяемых материалов.

При закреплении трубы ролик, вращающийся с частотой W_р, прижимается к трубе веретеном, вращающимся относительно собственной оси с частотой W_. При этом по мере углубления веретена в трубу силовое взаимодействие между роликом и веретеном возрастает. Максимальная сила составляет F_rsi. Таким образом, при сборке одного узла крепления за цикл однократного вальцевания крутящий момент М_кр , действующий на веретено, изменяется от минимума до максимума. (см.рис.4.33,б). Контактное напряжение между роликом и веретеном обуславливает работоспособность рабочих органов вальцовки и зависит от крутящего момента М_кр. Под действием радиального усилия F_rsi в сечении ролика развиваются напряжения. Закономерность изменения интенсивности напряжений можно описать выражением s_i= a’t_в ⁿ, где t_в = t/t_в= x/x_m –безразмерное время; t_в- время вальцевания; x, x_m- соответственно, текущее и конечное осевые перемещения веретена; a’ , n - коэффициенты.

Так как удельная потенциальная энергия, затрачиваемая на деформацию единицы объема ролика равна A_пр= 0,5s_i²/Е_i, то соответствующая мгновенная мощность будет

N_пр= d A_пр/dt= s_iЕ_i ^-1ds_I /dt = a²nE^-1t _в ^2n-1.

Тогда удельную работу за весь цикл однократного вальцевания можно описать с помощью выражения

А_цвр= a²nE_i ^-1t_в ^2n-1dt_в = 0,5a²E_i ^-1. (4-66)

Коэффициент «а» определим при t_в =1 из соотношения s_i= at_вⁿ. Этот коэффициент равен максимальной интенсивности напряжения в конце вальцевания, т.е. а=s_imax .

Оценим далее величину интенсивности напряжения.

При определении напряжений от изгиба учтем, что проекция расстояния между точками контакта ролика с трубой на плоскость, перпендикулярную оси корпуса вальцовки равна b= l_psing.

Тогда напряжение от изгиба будет s_z= 32*0,25F_rsi b/(pd ³_cp).

В связи с тем, что ролики и веретено, изготавливаемые обычно из стали ШХ15 (HRC61…63) во время работы пластически не деформируются, то модуль упругости для роликов можно принять равным E_i =E= 2,1*10⁵ МПа.

В процессе вальцевания ролик вращается и сжимается диаметрально действующими усилиями, от веретена и от трубы. Поэтому примем, что радиальные напряжения в рабочем сечении ролика близки контактным напряжениям s_r.

Тогда интенсивность напряжений s_imax= 2^-1/2[(s_r)²+(s_r-s_z)²+ (s_z)²]^1/2.

Отсюда, учитывая (4-66), ресурс ролика при условии отсутствия дефектов в сечении и непрерывной работе может составлять

Z_р =r cT_s/[0,5 Е_i ^-1s_imax²] операций вальцевания. (4-67)

Расчет ресурса вальцовок, выполненный по этой формуле для регенератора РВП-3600, оказался достаточно близким реальному, составившему 1530 вальцеваний.

Теплообменные аппараты часто содержат большое количество узлов крепления. В процессе вальцевания из-за охлаждения, осуществляемого за счет теплоотвода в окружающий воздух или в металл трубной доски, ролики не успевают охладиться. Поэтому здесь ресурс будет минимальным. Однако в случае качественного охлаждения срок службы вальцовки может быть увеличен.

Под действием роликов наружный и внутренний диаметры трубы увеличиваются.

После первого касания сопрягаемых поверхностей (рис. 4.34) для дальнейшего пластического деформирования необходимо приложить крутящий момент, увеличивающийся по мере возрастания числа точек контакта или числа сторон образующегося многоугольника (см. рис. 4.33,б). При этом за один оборот

Рис.4.34

Профиль трубы при первом его касании

стенок отверстия

корпуса вальцовки каждая сторона такого многоугольника изгибается z раз. На рис 4.35 для экспериментальной кривой s(e) показан цикл деформации.

Здесь видно, что во время закрепления напряжения в стенке трубы существенно превышают условный предел текучести материала, однако после извлечения вальцовки они падают. Образующиеся при этом остаточные напряжения позволяют трубе успешно и длительно передавать необходимую тепловую мощность, несмотря на гидродинамическое воздействие проходящих потоков среды.

Рис. 4.35

Экспериментальная диаграмма растяжения стали 08Х14МФ и прохождение гармонического колебания

Изложенный способ в случае правильного исполнения обеспечивает необходимую прочность и плотность соединения трубы с трубной доской, однако удельное осевое удлинение трубы превышает продольную деформацию по сравнению с другими описанными способами. При этом на стенке отверстия в доске трубной контактные напряжения, обеспечивающие герметичность соединения, даже для наиболее «тяжелого» материала- сталь 08Х14МФ, составляют 125…130 МПа. Заметим, что в процессе гидравлической раздачи труб контактные напряжения равны 200…400 МПа.