3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1 Аналитическая часть

2 Расчетная часть

2.1 Определение усилий, действующих на ролик

2.2 Проверочный расчет оси

2.3 Проверочный расчет ролика

2.4 Проверочный расчет подшипников

2.5 Проверочный расчет элементов крепления

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основным и наиболее ответственным агрегатом колошникового узла доменной печи является загрузочное устройство, осуществляющее прием подаваемых скиповым подъемником или ленточным конвейером шихтовых материалов и загрузку их в печь с распределением по заданной программе на колошнике при одновременной его герметизации. Его технологические возможности, эксплуатационная надежность и конструктивные особенности во многом предопределяют технико-экономические показатели плавки, условия обслуживания верха печи и степень загрязнения воздушного бассейна. Загрузочное устройство работает в исключительно тяжелых условиях, испытывая действие проходящих через него в больших количествах абразивных шихтовых материалов, запыленного газа, его избыточного давления, высокого и неравномерного нагрева. Современный доменный технологический процесс и условия эксплуатации предъявляют к загрузочному устройству следующие требования:

Возможность равномерного (количественного и качественного) окружного распределения шихты на колошнике, регулирования в широких пределах радиального ее распределения, селективной загрузки колошника (при нарушениях нормального хода печи).

Высокая газоплотность при избыточном давлении колошникового газа до 0,25-0,3 МПа.

Длительная стойкость газо- и шихтозапирающих, а также распределительных элементов против абразивного, газоабразивного износа (не менее двух лет).

Возможность загрузки в печь горячего агломерата с температурой до 600 °С.

Обеспечение повышенной пропускной способности при работе печи в режиме «догона», используемом для быстрого восстановления заданного уровня засыпн шихты в печи.

Высокие надежность и ремонтопригодность, возможность проведения монтажа укрупненными узлами.

Возможность полной автоматизации управления работой механизмов.

В настоящее время большинство отечественных и зарубежных доменных печей оснащено двухконусным загрузочным устройством. Широкое применение это, ставшее традиционным, устройство получило благодаря относительной простоте его конструкции, высокой пропускной способности, возможности регулирования в определенных пределах распределения шихты на колошнике, надежности работы в автоматизированной системе загрузки печи.

Общий вид устройства (без приемной воронки и приводов механизмов) представлен на рис. 1. Оно включает в себя распределитель шихты 1 с вращающимся в горизонтальной плоскости малым конусным затвором и засыпной аппарат 2 с большим конусным затвором. Конусы подвешены на соосных штангах, независимо перемещающихся по вертикали. Полезный объем вращающейся воронки распределителя шихты принимается равным полезному объему скипа, а полезный объем межконусного пространства, предназначенного для шлюзования шихты, - объему четырехскиповой шихтовой подачи. доменный печь распределение шихта



Рис. 1 - Двухконусное загрузочное устройство

Устройство работает циклически, загружая шихту в печь дискретно, Высыпающиеся из скипа (или с ленточного конвейера) шихтовые материалы попадают в приемную воронку устройства, а из нее - в затвор распределителя шихты 1 (см. рис. 1). Затем этот затвор вместе с шихтой поворачивается на заданный угол, через уравнительный (выпускной) клапан выпускается газ из межконусного пространства в атмосферу для уравнивания давления в нем с атмосферным, и после этого производится опускание малого конуса. Шихта под действием собственного веса высыпается в засыпной аппарат 2, а малый конус поднимается в исходное положение. Далее операцию выгрузки шихты в засыпной аппарат повторяют, набирая в нем полную шихтовую подачу или полуподачу. Загрузка шихты в печь производится путем опускания большого конуса, которому предшествует уравнивание давления в межконусном пространстве с давлением газа на колошнике (допускаемая разность давлений - 0,01 - 0,02 МПа). Для этого в межконусное пространство через уравнительный (наполнительный) клапан подается получистый доменный газ или азот. Большой конус затем поднимается в исходное положение, и описанный цикл работы устройства повторяется. Распределитель шихты (рис. 2) состоит из следующих основных узлов: вращающейся воронки с механизмом вращения; малого конуса со штангой; привода вращения. Вращающаяся воронка включает в себя сварной или сварно-литой корпус 4 и закрепленные на нем верхнюю 21 и нижнюю 3 воронки. Воронка 21 выполнена из двух соединенных между собой сварных частей, футерованных плитами 22 из износостойкой стали. Воронка 3, выполняемая из углеродистой или марганцовистой стали, цельнолитая или сварно-литая. В нижней части изнутри она наплавлена твердым сплавом для защиты от износа. Корпус 4 снабжен двумя кольцевыми приливами с верхним и нижним съемными беговыми дорожками 8, выполненными в виде кованых сегментов из стали повышенной твердости. Одной из этих дорожек (в зависимости от направления действующего вертикального усилия) вращающаяся воронка опирается на три конических ролика 6 (опорных или контропорных). Ролики смонтированы на стойках 5, прикрепленных к сварному опорному кольцу 2. На фланце корпуса 4 закреплен литой зубчатый венец 9, находящийся в зацеплении с шестерней углового редуктора 24. Последний имеет коническую зубчатую передачу и установлен на опорном кольце 2. С помощью трех упорных роликов 10, смонтированных в стойках опорных роликов 6. корпус 4 с зубчатым венцом 9 фиксируется от смещения в горизонтальной плоскости. Посредством гайки 7 регулируется положение роликов 6 относительно беговых дорожек. За счет прокладок между опорным кольцом 2 и стойками 5 опорные ролики установлены на 5 мм выше, чем контропорные. Предусмотрена возможность регулирования положения роликов 10 в горизонтальном направлении. В кольцевом зазоре между опорным кольцом 2 и вращающимся корпусом 4 предусмотрено двухъярусное сальниковое уплотнение 1, предотвращающее выход колошникового газа из межконусного пространства загрузочного устройства в атмосферу. В качестве уплотнения используют специальный асбестовый прографиченый шнур, армированный медной проволокой. Каждый ярус уплотнения поджат своей грундбуксой и имеет независимый подвод густой смазки.

Рис. 2 - Распределитель шихты с вращающейся воронкой

К верхней воронке 21 прикреплен стальной зонт 23, защищающий элементы механизма вращения от случайного попадания на них кусков шихтовых материалов.

Узел малого конуса со штангой устроен следующим образом. Собственно малый конус 30 в закрытом (поднятом) положении примыкает к воронке 3, запирая межконусное пространство. Его отливают из углеродистой стали, в зоне контактирования с воронкой и по всей рабочей поверхности наплавляют износостойким твердым сплавом.

Конус может быть выполнен цельнолитым или составным из двух частей, плотно стыкующихся в вертикальной плоскости с помощью болтов.

Штангу 25, служащую для подвешивания конуса, выполняют полой из цельнотянутой толстостенной трубы. На концевых участках ее нарезана резьба. Штанга сочленяется с конусом посредством навернутой на ее нижний конец головки 28, которая зафиксирована от проворачивания специальным стопорным кольцом. На фланце головки 28 болтами закреплен стакан 29, снабженный латунной втулкой, которая служит направляющей штанги 15 большого конуса засыпного аппарата, пропускаемой через штангу 25. Для удобства обнаружения мест продувов газа в узле сочленения конуса со штангой и замены конуса предусмотрено фигурное кольцо 27.

Верхней своей частью с помощью навернутой головки 19 и гаек 17 штанга 25 опирается на роликовый подпятник 18, заключенный в разъемный по вертикали корпус. Этот корпус соединен с обоймой 16, имеющей траверсу для крепления подвесок 12 и 14, которые связывают малый конус 30 с приводом его вертикального перемещения. Такая конструкция обеспечивает возможность вращения штанги вместе с малым конусом за счет его прижатия к воронке. Штанга 12 предохраняется от износа надетыми на нее футеровочными кольцами 20 из износостойкой стали.

Над роликовым подпятником 18 смонтированы трехъярусные сальниковые уплотнения 13 для предотвращения выхода колошникового газа из межконусного пространства в атмосферу через кольцевой зазор между штангами малого и большого конусов. Сальниковое уплотнение каждого яруса имеет независимое поджатие. Под верхним сальниковым уплотнением в промежуточной грундбуксе установлена латунная втулка - направляющая штанги 15 большого конуса.

К соединенному с обоймой 16 корпусу шарнирно прикреплен кронштейн с брусом 11, свободный конец которого при монтаже распределителя устанавливают в направляющей, расположенной на приемной воронке. Брус удерживает обойму 16 и связанные с ней подвески 12 и 14 малого конуса от вращения.

Привод распределителя шихты в целях защиты его от воздействия горячего колошникового газа и обеспечения удобства обслуживания выполнен выносным и соединен с приводным валом углового редуктора 24 карданным валом 38. На сварной раме привода, установленной и закрепленной болтами на стальных конструкциях колошникового устройства, смонтированы: электродвигатель 35; цилиндрический двухступенчатый редуктор 37, соединенный с электродвигателем упругой муфтой 36; кинематический цилиндрический редуктор 32, соединенный с тихоходным валом редуктора 37; три сельсина 33 и командоаппарат 34, вращение которым передается от кинематического редуктора.

Густая смазка сальниковых уплотнений вращающейся воронки, межштангового зазора и подшипников качения, включая роликовый подпятник, - централизованная от автоматизированных смазочных станции.

Фланцем 31 опорного кольца 2 распределитель шихты устанавливают в рабочее положение на верхний фланец 26 газового затвора засыпного аппарата. Для центрирования распределителя шихты относительно засыпного аппарата применяют гидравлические домкраты, устанавливаемые на специальных кронштейнах газового затвора засыпного аппарата.

ПО «Уралмаш» и ЮУМЗ выпускают восемь моделей распределителя шихты описанной конструкции, различающихся в основном размерами.

Таблица 1

Техническая характеристика распределителей шихты

Модель	СЗ-35-6,5	СЗ-37-10	СЗ-38-12
Полезный объем вращающейся воронки, м3	6,5	10	12
Диаметр малого конуса, мм	2000	2000	2000
Частота вращения воронки (номинальная), об/мин	3,4	3,5	3,5
Избыточное давление газа в межконусном пространстве, МПа	0,2	0,2	0,2
Мощность электродвигателя привода, кВт	55	55	55
Масса, т	36,5	56,6	61,1
Полезный объем печи, м3	1000-1300	1386-1719	2000-3000
Модель	СЗ-18-17	СЗ-21-17	РШВ-1-12
Полезный объем вращающейся воронки, м3	17	17	22
Диаметр малого конуса, мм	3000	2500	3000
Частота вращения воронки (номинальная), об/мин	3,1	3,0	3,0
Избыточное давление газа в межконусном пространстве, МПа	0,25	0,25	0,25
Мощность электродвигателя привода, кВт	115	115	115
Масса, т	135,3	110,6	143,5
Полезный объем печи, м3	2700	3000	3200

2. расчетная часть

2.1 Определение усилий, действующих на ролик

Вертикальная составляющая максимальной равнодействующей силы при заполнении воронки агломератом для опорного ролика рассчитывается по формуле:

,

где G_В - вес вращающихся частей ВРШ, G_В = 400 кН;

с_А - насыпная масса агломерата, с_А = 1,7·10³ кг/м³;

V - емкость ковша ВРШ, V = 9 м³;

n_O - количество опорных роликов, n_O = 3.

Подставив данные, получим:

кН;

Соответственно, для кокса

кН,

где с_К - насыпная плотность кокса, с_К = 0,5·10³ кг/м³.

Вертикальная составляющая равнодействующей для контропорного ролика определяется по формуле:

,

где T - усилие от контргруза балансира, T = 250 кН;

P - усилие на контропорные ролики, действующее при дополнительном режиме работы клапанов, рассчитывается по формуле:

кН,

где p - давление газа под колошником, p = 0,2 МПа;

D₁ - средний диаметр беговой дорожки, D₁ = 2500 м;

n_K - количество контропорных роликов, n_K = 3.

Таким образом, нагрузка на контропорный ролик:

кН.

Как показывают расчеты, усилия на опорный ролик от кокса и агломерата больше, чем максимальное усилие на контропорный ролик.

К тому же контропорный ролик воспринимает нагрузку сравнительно недолго, только 5% времени рабаты ВРШ, следовательно, дальнейшие расчеты на прочность и долговечность ведем только для опорного ролика, поскольку конструкция обоих роликов, с целью унификации узлов, одинакова. Зазор 5 мм между осями опорного и контропорного роликов обеспечивается за счет прокладок, подкладываемых под опорные ролики.

Поскольку поверхность опорного ролика коническая, возникает горизонтальная составляющая усилия, действующая вдоль оси ролика, которую можно рассчитать по формуле:

- при засыпке агломерата на ВРШ

кН,

где б - угол наклона поверхности ролика, б = 3°;

- при засыпке кокса на ВРШ

-

кН.

Суммарная равнодействующая сила на опорный ролик составит:

- для агломерата

кН;

- для кокса

кН.

Для полученных усилий принимаем опорный ролик со средним диаметром 400 мм и шириной 200 мм. Диаметр оси под подшипники принимается равным 100 мм.

2.2 Проверочный расчет оси

Ось ролька представляет собой консольно защемленную балку, которая не вращается и работает только на изгиб от силы, действующей на ролик (см. рис. 3). Принимаем решение изготовить ось ролика из

,

материал которого имеет высокие показатели усталостной прочности при высоких температурах.

Рис. 3 - Схема нагружения оси опорного ролика

При одновременном действии нормальных и касательных напряжений запас прочности рассчитывается по формуле:

,

где n_у - запас прочности по нормальным напряжениям,

;

n_ф - запас прочности по касательным напряжениям,

,

где у_-1 - пределы выносливости при симметричном цикле изгибания, для стали 45 у_-1 = 450 МПа;

где ф_-1 - пределы выносливости при симметричном цикле кручения, для стали 45 ф_-1 = 230 МПа;

k_уD и k_фD - суммарные коэффициенты, которые учитывают влияние всех факторов на сопротивление усталости соответственно при изгибе и кручении;

ш_у и ш_ф - коэффициенты, которые характеризуют чувствительность материала к асимметрии цикла;

у_a и ф_a - переменные составляющие циклов напряжений;

у_m и ф_m - постоянные составляющие;

[n] - максимальный запас прочности по долговечности, [n] = 2.

Ось ролька момента не передает, следовательно, на кручение не работает. Таким образом, для нее необходимо рассчитать только запас прочности по нормальным напряжениям.

Для неподвижно закрепленной оси и постоянной по направлению нагрузки на нее

,

где у_ИЗГ - напряжения изгиба, возникающие в оси под действием нагрузки на ролик, МПа;

M_ИЗГ - изгибающий момент от среднеквадратической силы (которая рассчитана в п. 2.3), действующий в опасном сечении (см. рис. 3), M_ИЗГ = 32,4·10³ Н•м;

W - момент сопротивления круглого сечения изгибу, м³;

d - диаметр оси в опасном сечении, предварительно принимаем d = 0,11 мм.

Таким образом, переменная и постоянная составляющие циклов нагружения опорного ролика будут составлять

МПа.

Коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла ш_у для углеродистой стали равен 0,4.

Суммарный коэффициент влияния всех факторов для изгиба рассчитывается по формуле:

,

где k_у - эффективный коэффициент концентрации при симметричном изгибе, k_у = 1,5 для посадки с минимальным натягом;

k_dу - абсолютных размеров поперечного сечения, k_dу = 0,8 для углеродистой стали диаметром 110 мм;

k_F - коэффициент шероховатости поверхности, k_F = 1,1 для шероховатости R_a = 0,32…2,5;

k_х - коэффициент влияния упрочнения, который вводится для валов с поверхностным упрочнением, k_х = 1 при отсутствии упрочнения в опасном сечении.

Тогда суммарный коэффициент составит

.

Посчитаем запас прочности по нормальным напряжениям и сравним его с номинальным:

= [n] = 2.

Поскольку посчитанный запас прочности равен допустимому, следовательно, условие циклической прочности оси ролика выполняется.

2.3 Проверочный расчет ролика

На поверхности конического ролика возникают контактные напряжения, которые являются местными напряжениями сжатия. Касательные напряжения в нем не возникают. Поэтому для ролика необходимо найти лишь запас прочности по нормальным напряжениям и сравнить его с максимальным допустимым.

Поковка для опорного ролика диаметром ~420 мм и шириной ~220 мм из стали 45, подвергшейся закалке с отпуском, будет иметь напряжения текучести у_T = 400…450 МПа, твердость сердцевины и поверхности составит 235…262 HB. Предел выносливости по контактным напряжениям (предельное давление на поверхность) для нелегированной стали при объемной закалке с низким отпуском может быть рассчитан по формуле:

Н/мм².

Максимальное давление, возникающее на площадке контакта опорного ролика с беговой дорожкой во время работы установки, определяется по формуле Герца:

;

Н/м²,

где k - коэффициент неравномерности распределения нагрузки по длине контактной площадки, принимается тем меньше, чем точнее изготовлены и смонтированы опорная дорожка и опорный ролик ВРШ, k = 1…1,3;

Q_СР - среднеквадратическая нагрузка на ролик,

;

кН,

где t₁, t₂, t₃ - относительное время действия каждой ступени нагрузки;

E - модуль упругости Юнга на растяжение/сжатие, E = 2,1·10 Н/м²;

D_Р - расчетный диаметр дорожки качения, который определяется по формуле

м,

где D - диаметр дорожки качения, D = 2,5 м;

где б - угол наклона поверхности ролика, б = 3°;

d_Р - расчетный диаметр опорного ролика, который определяется по формуле

м,

где d - диаметр опорного ролика, d = 0,4 м;

B_P - ширина опорной поверхности ролика,

м,

где B - ширина ролика, B = 0,2 м.

Качение ролика являет несимметричным циклом нагружения, точнее отнулевым сжатием, поэтому для ролика

МПа.

В остальном расчет ролика подобен расчету оси

> [n] = 2.

Контактная усталостная прочность прочности ролика обеспечена.

2.4 Проверочный расчет подшипников

Предварительно по статической грузоподъемности был выбран радиально упорный однорядный подшипник с коническими роликами 100х180х37, тип 7220А ГОСТ 27365-87, который хорошо работает при сложных комбинациях радиальных и осевых нагрузок, имеет динамическую грузоподъемность C = 161 кН.

При переменном усилии, действующем на подшипник, эквивалентное усилие находится по формуле:

;

кН.

Схема закрепления подшипников была выбрана такова, что левый подшипник полностью зажат по внешнему кольцу, и поэтому он полностью воспринимает осевое усилие, действующее на ролик. Правый подшипник, который по внутреннему кольцу поджимается шайбой, свободный, осевого усилия не воспринимает, но находится ближе к линии действия равнодействующей радиальной силы, которая воспринимается на ролик. Вследствие незначительности величины радиальной силы, правый подшипник можно принять более нагруженным и все последующие расчеты вести на него. При этом эквивалентную динамическую нагрузку, воспринимаемую одним наиболее нагруженным подшипником, можно найти по правилу плеч между подшипниками и равнодействующей силой (см. рис.3):

кН.

Скорость вращения найдена по формуле:

Проведем проверочный расчет подшипника.

Долговечность подшипника может быть найдена по формуле:

млн. об,

где p - показатель степени, для роликовых подшипников p = 10/3.

Долговечность подшипника в часах составит:

часов,

где n_П - частота вращения подшипника, которую можно найти по формуле

об/мин,

где n - частота вращения ВРШ, n = 3 об/мин.

Номинальный срок службы 1500 часов. Таким образом, данный подшипник удовлетворяет условиям долговечности.

2.5 Проверочный расчет элементов крепления

Рассчитаем регулировочный винт. Настройка горизонтального положения ролика будет происходить при отсутствии агломерата или кокса на ВРШ, следовательно на ролик будет действовать только сила от вращающихся частей механизма. При задвижке ролика к центру вращения конуса на регулировочный винт будет работать на сжатие и преодолевать усилие от трения в опоре оси ролика и горизонтальную составляющую усилия от веса вращающихся частей. Таким образом, усилие на винте можно рассчитать по формуле:

кН,

где м - коэффициент трения стали по стали при скользящей посадке, м = 0,22.

Напряжения, которые при этом возникают в теле винта, определяются по формуле:

МПа < [у] = 175 МПа,

где d - внутренний диаметр резьбы винта d = 31,093 мм;

[у] - допустимые напряжения сжатия для стали 45 при запасе прочности 2, [у] = 175 МПа.

Поскольку рабочие напряжения меньше допустимых, диаметр винта выбран правильно. Проведем расчет на прочность стойки узла опорного ролика, которая работает на сжатие от вертикальной составляющей нагрузки на ролик и на изгиб от вертикальной и горизонтальной составляющих (см. рис. 4). Опасное сечение находится в 260 мм от оси ролика. По чертежу роликовой опоры можно установить, что площадь поперечного сечения в рассматриваемом месте будет составлять

мм².

Момент сопротивления опасного сечения будет

мм³.

Таким образом, суммарные напряжения от сжатия и изгиба можно определить по формуле:

МПа < [у] = 235 МПа,

где [у] - допустимые напряжения для материала Ст6сп.

Поскольку расчетные напряжения меньше допустимых, геометрические характеристики сечения стойки выбраны правильно.

Рис. 4 - Расчетная схема роликовой опоры

Размещено на http://www.allbest.ru/