Титановые пружины для металлургической промышленности

Конев С.Ю.
Технический директор
ООО «Фирма «Спринг-Центр»

Современное производство пружинных механизмов характеризуется частым применением высоконагруженных  компактных пружин, экономящих монтажное пространство и вес узлов.

Для изготовления компактных пружин необходимы более прочные и выносливые материалы по сравнению с традиционными сталями и сплавами.

В настоящее время в отечественной промышленности осваиваются материалы с высокими механическими свойствами, которые могут при достаточно высоком уровне напряжений и меньшей массе обеспечить стабильность силовых характеристик пружинных узлов. Представителем данного класса материалов являются титановые сплавы.

Титановые сплавы имеют ряд существенных преимуществ перед другими материалами при использовании их в пружинах и упругих элементах. В них выгодно сочетаются высокая прочность, низкий модуль упругости, низкая плотность, немагнитность, высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

При применении титановых сплавов взамен традиционных пружинных сталей может быть достигнуто значительное снижение массы пружины. Как показывает практика применения титановых пружин, при прочих равных условиях они легче стальных пружин в 1,5-2,5 раза.

Накапливаемая или потенциальная энергия титановых пружин на единицу массы в 2-3 раза выше, чем у стальных пружин (1000-1500 Дж/кг для титана и 200-600 Дж/кг для стали). Повышенная энергоемкость пружин из титановых сплавов позволяет при  силе (деформации)  как у стальных аналогов, производить большую работу.

Рис1. Силовая диаграмма сила-деформация стальных и титановых пружин

На рис. 1 показана условная силовая диаграмма работы эквивалентных стальной и титановой пружин, где треугольник 0FсталиSстали и 0FтитанаSтитана представляют работу выполняемую соответственно стальной и титановой пружиной при одинаковой нагрузке F. Тангенс углов a1 и a2 равен жёсткости стальной и титановой пружин соответственно.

В качестве пружинного материала, обеспечивающего значительную экономию массы и объема, целесообразно применение высокопрочных титановых сплавов с уровнем прочности 1000 МПа и выше. Из отечественных материалов этим требованиям наиболее соответствуют титановые сплавы с (α+β) – структурой ВТ16, а также β – сплав марки ТС6.

Титановые пружины находят широкое применение в авиационной, автомобильной  и ракетно-космической технике.

Стоит отметить важную особенность титановых сплавов  - практически всегда есть возможность рассчитать конструкцию титановой пружины таким образом, что она по геометрическим параметрам будет соответствовать эквивалентной стальной пружине. Это обеспечивает возможность их установки взамен традиционных пружин без изменения конструкции посадочного места и всего узла в целом.

Рассмотрим возможность применения титановой  пружины  в металлургическом производстве на примере пружины шиберного затвора сталеразливочного ковша.

Пружина шиберного затвора работает при температуре до 300°С в жёстких условиях эксплуатации. Ресурс пружины ограничен и составляет 8 -10 плавок, после чего  пружина подлежит обязательной замене.

Целью оптимизации конструкции пружины является  повышение ресурса пружины и надёжности конструкции с целью снижения затрат на ремонт и  эксплуатацию оборудования.

Учитывая, что пружина работает в условиях высоких температур, оптимальным материалом для её изготовления будет титановый сплав ВТ-16. Он обладает достаточно высокой жаропрочностью: прочностные характеристики при температурах до 500°С (sв350°=800 МПа, (sв500°=700 МПа) и рекомендуется для длительной работы при температурах до 350°С, кратковременно до 500°С

Параметры  стандартной и эквивалентной титановой пружин приведены в табл.1.

табл.1

 

Стальная пружина

Титановая пружина

Материал

51ХФА

ВТ16

Диаметр проволоки, мм

9,0

10,0

Наружный диаметр, мм

45,0

45,0

Длина, мм

120,0

121,5

Число рабочих витков

7

6

Полное число витков

8,5

8

Шаг витка, мм

15,9

17,7

Рабочий ход, мм

45

45

Рабочая нагрузка, кг

904

904

Рабочие напряжения, МПА

1570

1167

Масса пружины, кг

0,5

0,3

Из табл. 1 видно, что при одинаковых геометрических и силовых параметрах пружина из сплава ВТ16 имеет рабочие напряжения ниже на 26%, а, как известно, уровень напряжений является  основным параметром, определяющим надёжность пружины и её выносливость.

Исследования показали: пружины из титанового сплава ВТ16, установленные на шиберном затворе, отработали 150 плавок, что в 15 раз больше по сравнению с пружинами из стали 51ХФА.

В результате проделанной работы пружины из стали 51ХФА были полностью заменены аналогичными из титанового сплава ВТ16 и серийно используются на металлургическом оборудовании ОАО «Петросталь». (г. Санкт-Петербург).

 
Учредитель "Ассоциации производителей пружин"
Яндекс.Метрика Google+