blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-1-30-35blackmet-999Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОЕКТНОЙ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИНANALYTICAL METHOD FOR PROJECT RESOURCE ESTIMATION OF METALLURGICAL MACHINERY PARTSАнцупов (мл.)А. В.Antsupov (Jr.)A. V.

к.т.н., доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования,

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Design and Operation of Metallurgical Machines and Equipment,

Magnitogorsk, Chelyabinsk Region,

АнцуповА. В.AntsupovA. V.

д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии машиностроения,

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Engineering Technology”,

Magnitogorsk, Chelyabinsk Region,

antsupov.alexander@gmail.comАнцуповВ. П.AntsupovV. P.

д.т.н., профессор кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования,

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Design and Operation of Metallurgical Machines and Equipment,

Magnitogorsk, Chelyabinsk Region,

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияMagnitogorsk State Technical University named after G.I. NosovRussian Federation2017110220176013035Copyright © Анцупов (мл.) А.В., Анцупов А.В., Анцупов В.П., 20172017Анцупов (мл.) А.В., Анцупов А.В., Анцупов В.П.Antsupov (Jr.) A.V., Antsupov A.V., Antsupov V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/999

Предложен теоретический метод прогнозирования ресурса деталей металлургических машин по критериям прочности и износостойкости материалов без использования экспериментальных данных. В его основу положена методика постановки и решения краевых задач физической теории надежности элементов механических систем. Общая постановка задачи для описания процесса формирования отказа исследуемого элемента представляет систему базовых уравнений теории параметрической надежности технических объектов и кинетическое уравнение его деградации (старения, повреждаемости) в процессе будущей эксплуатации. Для выбранного параметра состояния исследуемого объекта в качестве базовых уравнений теории надежности формулируются: уравнение его эволюции, уравнение перехода в предельное состояние и уравнение для расчета проектного ресурса. Вид уравнения деградации определяется заданными условия нагружения изделия и предполагаемым критерием его разрушения. Для деталей машин, статические или циклические условия внешнего нагружения которых предполагают их вероятный отказ по критериям объемного разрушения, в качестве уравнения деградации использовано основополагающее уравнение термодинамической теории прочности В.В. Федорова. На его основе предложена универсальная зависимость для расчета средней скорости повреждаемости структуры материала наиболее нагруженных объемов исследуемого элемента в стационарных условиях нагружения. Определен коэффициент, учитывающий сопротивление структуры материала по принципу Ле-Шателье в процессе всего периода нагружения вплоть до разрушения. Для деталей машин, работающих в условиях граничного трения, в качестве уравнения их деградации использована базовая зависимость энергмеханической концепции изнашивания трибосопряжений. Она выведена на основе совместного решения уравнений структурно-энергетической и молекулярно-механической теорий трения и поз воляет оценить скорость изнашивания трибоэлементов в стационарных условиях фрикционного взаимодействия без проведения экспери ментальных исследований. Предложенный метод аналитической оценки проектного ресурса деталей машин, как метод постановки и решения краевых задач физической теории надежности по критериям прочности и износостойкости материалов, использован на практике для повышения долговечности ряда металлургических агрегатов.

A theoretical method is proposed to predict the service life of metallurgical machinery parts according to the safety criterion of materials without the use of experimental data. It is based on the method of setting and solving the boundary value problems of the physical theory of mechanical systems element reliability rate. The main task of the research was to describe the process of formation of an element failure represented as a system of basic equations of the theory of parametric reliability of technical objects with the kinetic equation of its degradation (aging or defectiveness) in the process of future operation. The following equations are formed for the selected state parameter of the studied object as the basic equations of the theory of reliability: the equation of its evolution, the transition equation in limit state and the equation for calculation of design service life. The type of degradation equation is determined by the given conditions of loading of the product and the conjecturable criterion of its destruction. V.V. Fedorov’s fundamental equation of the thermodynamic theory of strength is used as degradation equation for the machinery parts in which static or cyclic loading conditions require their external probability of failure on the criteria of volume destruction. The universal dependence to calculate the average speed of damage to the structure of the most loaded volume of the test element in stationary loading conditions is proposed on its basis. The coeffi cient was calculated to take into account the resistance of the material structure according to Le Chatelier’s principle for the entire period of loading process until the destruction is detected. Energy-dependent basic mechanical concept of friction units is used as the degradation equation for details of machines operating under boundary friction. It is derived on the basis of the joint solution of the equations of energy and structural-molecular-mechanical theory of friction and allows us to evaluate the wear rate of frictional elements in steady-state conditions of friction engagement without experimental studies. The proposed method of analytical assessment of the predicted life (project life) of machinery parts is used in practice to increase the wearing quality of a number of metallurgical units as a method of formulating and solving boundary value problems of the physical theory of reliability on criteria for strength and total operation time of materials.

надежностьдолговечностьресурспрогнозированиекраевая задачакритерийпрочностьизносостойкостьreliabilitydurabilityresourcepredictionboundary value prob lemcriterionstrengthwear resistanceReferencesПроников А.С. Параметрическая надежность машин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 560 с.Pronikov A.S. Parametricheskaya nadezhnost’ mashin [Parametric reliability of machines]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2002, 560 p. (In Russ.).Надежность в машиностроении: Справочник. / Под общ. ред. В.В. Шашкина, Г.П. Карзова. – СПб.: Политехника, 1992. – 719 с.Nadezhnost’ v mashinostroenii: Spravochnik [Reliability in engineering: handbook]. Shashkin V.V., Karzova G.P. eds. St. Petersburg: Politekhnika, 1992, 719 p. (In Russ.).Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. – М.: Машиностроение, 1984. – 312 с.Bolotin V.V. Prognozirovanie resursa mashin i konstruktsii [Life prediction of machines and structures]. Moscow: Mashinostroenie, 1984, 312 p. (In Russ.).Анцупов А.В. (мл.), Анцупов А.В., Анцупов В.П. Теория и прак тика обеспечения надежности деталей машин по критериям кинетической прочности и износостойкости материалов. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2015. – 308 с.Antsupov A.V. (Jr.), Antsupov A.V., Antsupov V.P. Teoriya i praktika obespecheniya nadezhnosti detalei mashin po kriteriyam kineticheskoi prochnosti i iznosostoikosti materialov: monografi ya [Theory and practice of assurance of machine parts reliability according to the criteria of kinetic strength and wear resistance of material]. Magnitogorsk: Izd-vo MGTU im. G.I. Nosova, 2015, 308 p. (In Russ.).Анцупов А.В., Анцупов А.В. (мл.), Губин А.С. и др. Прогнозирование показателей надежности трибосопряжений: Материалы 68-й Межрегион. науч.-технич. конф. «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования». – Магнитогорск: МГТУ, 2010. Т. 1. С. 262 – 264.Antsupov A.V., Antsupov A.V. (Jr.), Gubin A.S. etc. Prediction of reliability indices of tribocoupling. In: Aktual’nye problemy sovremennoi nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 68-i mezhregional’noi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Actual problems of modern science, technology and education: Proceedings of the 68th Inter-regional Scientific and Technical Conference]. Magnitogorsk: MGTU, 2010, vol. 1, pp. 262–264. (In Russ.).Надежность машиностроительной продукции: практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 328 с.Nadezhnost’ mashinostroitel’noi produktsii: prakticheskoe rukovodstvo po normirovaniyu, podtverzhdeniyu i obespecheniyu [Reliability of engineering products: practical guidance on standardization, validation and maintenance]. Moscow: Izdatel’stvo standartov. 1990, 328 p. (In Russ.).Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин: Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1988. – 235 с.Reshetov D.N., Ivanov A.S., Fadeev V.Z. Nadezhnost’ mashin: ucheb. posobie [Machine reliability: tutorial]. Moscow: Vysshaya shkola, 1988, 235 p. (In Russ.).Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. – Ташкент: Изд-во «Фан» УзССР, 1985. – 165 с.Fedorov V.V. Kinetika povrezhdaemosti i razrusheniya tverdykh tel [Kinetics of damageability and break-down of solids]. Tashkent: Izdatel’stvo “Fan” UzSSR, 1985, 165 p. (In Russ.).Федоров В.В. Основы эргодинамики и синергетики деформируемых тел. Ч. III. Основы эргодинамики деформируемых тел / Под ред. С.В. Федорова. – Калининград: Изд-во КГТУ, 2014. – 222 с.Fedorov V.V. Osnovy ergodinamiki i sinergetiki deformiruemykh tel. Ch. III. Osnovy ergodinamiki deformiruemykh tel [Fundamentals of ergodynamics and synergetics of deformable bodies. Part. 3. Fundamentals of ergodynamics of deformable bodies]. Fedorov S.V. ed. Kaliningrad: Izd-vo KGTU, 2014, 222 p. (In Russ.).Анцупов В.П., Анцупов А.В., Анцупов А.В. (мл.) и др. Структурно-энергетический подход к оценке фрикционной надежности материалов и деталей машин: Материалы 66-й науч.-техн. конф. – Магнитогорск: МГТУ, 2008. Т. 1. С. 258 – 262.Antsupov V.P., Antsupov A.V., Antsupov A.V. (Jr.) etc. Structural and energy approach to estimation of reliability of materials and machinery parts. In: Materialy 66-i nauch.-tekhn. konf.: sb. dokl. [Proceedings of the 66th Scientifi c and Technical Conference: coll. of reports]. Magnitogorsk: MGTU, 2008, vol. 1, pp. 258–262. (In Russ.).Крагельский И.В. Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.Kragel’skii I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Fundamentals of friction and wear calculations]. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 526 p. (In Russ.).Крагельский И.В., Фляйшер Г., Комбалов В.С., Тум Г. Расчет трения, износа и долговечности с позиций молекулярно-механической, усталостной и энергетической теорий // Проблемы автоматизации машиностроения. 1986. № 12. С.13 – 24.Kragel’skii I.V., Fleisher G., Kombalov V.S., Tum G. Calculation of friction, wear and durability from the standpoint of molecularmechanical, fatigue and energy theories. Problemy avtomatizatsii mashinostroeniya. 1986, no. 12, pp. 13–24. (In Russ.).Федоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. – Калининград: КГТУ, 2003. – 409 с.Fedorov S.V. Osnovy triboergodinamiki i fi ziko-khimicheskie predposylki teorii sovmestimosti [Basics of triboergodynamics and physico-chemical background of the compatibility theory]. Kaliningrad: KGTU, 2003, 409 p. (In Russ.).Протасов Б.В. Энергетические соотношения в трибосопряжении и прогнозирование его долговечности. – Саратов: Саратовский университет, 1979. – 152 с.Protasov B.V. Energeticheskie sootnosheniya v tribosopryazhenii i prognozirovanie ego dolgovechnosti [Energy ratio in friction units and prediction of its durability]. Saratov: Saratovskii universitet, 1979, 152 p. (In Russ.).Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлингер, Э.Д. Браун и др. / Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 2003. – 576 с.Chichinadze A.V., Berlinger E.M., Braun E.D. etc. Trenie, iznos i smazka (tribologiya i tribotekhnika) [Friction, wear and grease (tribology and tribotechnics)]. Chichinadze A.V. ed. Moscow: Mashinostroenie, 2003, 576 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.