Удосконалення крокуючого конвеєра металургійних печей на основі оцінки навантаженності конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 621.783.23:621.771(043)

05.05.08 Машини для металургійного виробництва

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення крокуючого конвеєра металургійних печей на основі оцінки навантаженності конструкцій

Лі Юн Цзінь

Дніпропетровськ 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Валерій Костянтинович Цапко, Національна металургійна академія України, завідувач кафедрою машин та агрегатів металургійного виробництва.

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, Чеченєв Володимир Андрійович, генеральній директор концерну "Магнезіт".

- кандидат технічних наук, доцент, Пхайко Євген Семенович, доцент кафедри механічного обладнання заводів чорної металургії Приазовського державного технічного університету.

Провідна установа - Донецький державний технічний університет, кафедра механічного обладнання заводів чорної металургії, Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 16.04.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 12.03.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Робота присвячена поліпшенню технічних показників металургійного обладнання, зокрема, зниженню матеріало- та енергоємності крокуючого конвеєра нагрівальних печей при встановленні гарантованого терміну служби. Завдяки цьому, підвищується надійність механічного обладнання металургійних агрегатів при зменшенні витрат на його виготовлення та експлуатацію.

Необхідність досліджень обумовлена значною масою рухомих частин крокуючого конвеєра, що сприяє збільшенню встановленої потужності приводів. У нових металургійних процесах (наприклад, ливарно-прокатних комплексах) доцільно використовувати печі з крокуючим конвейєром, що мають підвищенні продуктивність, вантажопідйомність та габарити. Для того, щоб їхнє механічне обладнання не було витратним, треба застосовувати сучасні методи проектування. Тому в роботі йдеться про саме такі методи оцінки статичного та динамічного навантажування, а також опору їм елементів конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до Державної науково-технічної програми 5.2 "Надійність та довговічність машин, металофонду та створення будівельних матеріалів" та напрямку наукової діяльності кафедри "машини й агрегати металургійного виробництва" НметАУ - розробка та впровадження високонадійного металургійного устаткування.

Дисертаційна робота відповідає основному науковому напрямку кафедри машин та агрегатів металургійного виробництва.

Мета і задачі дослідження. Поліпшення технічних показників крокуючого конвеєра нагрівальних печей, у першу чергу, зниження матеріало- і енергоємності при дотриманні гарантованого рівня надійності. Об'єкт дослідження - взаємозв'язок технічних показників крокуючого конвеєра нагрівальних печей прокатного виробництва. Предмет дослідження - параметри дійсного навантажування елементів конструкцій конвеєра та опір елементів конструкцій дійсному навантажуванню.

Методи дослідження. Для оцінки статичного навантаження використані методи теорії пружності та кінцевих елементів; для визначення динамічного навантаження використана теорія удару та метод механічного імпедансу. Експериментальні дослідження проведені методами теорії опору металів втомі та нелінійної механіки руйнування.

Ідея роботи. Завеликі показники матеріало- та енергоємності крокуючих конвеєрів пов'язані з тим, що при їх створенні в першу чергу задовольняли функціональні потреби, оскільки для нагрівальних печей такий транспортний засіб не був опробованим. З перетворенням нагрівальних печей з крокуючими балками та подом в один з основних агрегатів прокатного виробництва з'явилась необхідність поліпшення якісних показників конвеєра. Цього можна досягти насамперед шляхом встановлення розмірів перетинів елементів конструкцій по дійсному циклічному навантаженню, що враховує статичну нерівномірність та динамічні додатки.

Наукова новизна одержаних результатів:

Для елементів рухомої системи конвеєра нагрівальної печі прокатного виробництва з крокуючими балками визначено ступінь статичної нерівномірності навантаження з врахуванням об'ємного характеру деформування конструкцій, а також оцінено вплив на навантаженність системи деяких конструктивно-експлуатаційних факторів.

Встановлено, що статична нерівномірність навантаження рухомих елементів крокуючого конвеєра нагрівальних печей обумовлює конструкційну нестаціонарність процесу їх циклічного навантажування, що найбільш суттєво проявляється в опорно-ходових катках, де різниця навантагів при пересуванні заготовки з однією позиції на іншу сягає 70%.

В елементах крокуючого конвеєра нагрівальної печі прокатного виробництва установлені закономірності змінювання коефіцієнтів динамічності під впливом експлуатаційних факторів при підхопленні заготовок.

Знайдені умови виникнення квазікрихкого руйнування елементів конструкцій малої товщини з поверхневими тріщинами в умовах згину.

Виявлені та експериментально підтверджені причини більш низької надійності холоднодеформованих вигинів металоконструкцій відносно гарячедеформованих.

Усі наукові положення та результати отримані здобувачем особисто або при його безпосередній участі.

Практичне значення одержаних результатів:

Запропоновано методику розрахунку статичної навантаженності рухомих конструкцій крокуючого конвеєра, що реалізована у вигляді ''Типового розрахунку механічного устаткування печей із крокуючими балками і подом із прикладом розрахунку на базі печі стану 250-1 меткомбінату ''Криворіжсталь'' проектно-технологічним інститутом ВАТ ''Дніпроважмаш''.

Розроблено методику оцінки коефіцієнтів динамічності в конструкціях і виконавчому механізмі крокуючого конвеєра при підхопленні заготовок.

Визначено місця раціональної установки, а також параметри пружних елементів для зниження величини й частоти вібраційних навантажень.

Отримано коефіцієнти варіації конструкційних і експлуатаційних факторів, що необхідні для формування режимів нестаціонарного навантаження елементів конструкцій.

Визначено базові характеристики опору втомі Ст.3пс в умовах вигину, а також межі її тріщиностійкості при наявності поверхневих тріщин.

Установлено області раціонального застосування холодно- і гарячедеформованих вигинів металоконструкцій.

Розроблено класифікацію виконавчих механізмів крокуючого конвейєра у вигляді морфологічної матриці.

Розроблено навчальний посібник, присвячений конструкціям і областям застосування крокуючих конвеєрів.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи Розроблена ''Типова методика розрахунку механічного устаткування печей із крокуючими балками і подом'' впроваджена на ВАТ ''Дніпроважмаш'' і використовується при проектуванні крокуючих конвеєрів нагрівальних печей. Посібник ''Крокуючий конвеєр нагрівальних печей'' використовується для підготовки студентів спеціальності ''металургійне обладнання'' Національної металургійної академії.

Особистий внесок здобувача. Дисертант зробив аналіз тенденцій розвитку крокуючого конвеєра, а також класифікацію крокуючих конвеєрів і галузі їхнього застосування в прокатному виробництві, на базі чого установив перспективні типи печей із крокуючими балками, на прикладі яких відпрацьовані методи розрахунку.

Ним узагальнені результати дослідження статичної навантаженності конструкцій по МКЕ, проведено динамічний аналіз підйомного механізму, де дисертант розробив методику визначення ударної сили, вирішив оригінальну задачу по визначенню часу удару при плоскому контакті і запропонував використовувати метод механічного імпедансу. Ним проведені лабораторні випробування на тріщиностійкість.

Апробація результатів дисертації. Апробація матеріалів дисертаційної роботи відбувалася на міжнародній практичній конференції ''Сучасні проблеми металургії'' (Дніпропетровськ, НМетАУ, 1999). Основні результати дисертації досить повно відображені в нижче вказаних публікаціях.

Робота заслухана на об'єднаному науковому семінарі, який проведено кафедрою машин та агрегатів металургійного виробництва за участю провідних спеціалістів із металургійного обладнання м. Дніпропетровська та рекомендована до наступного розгляду на засіданні спеціалізованої вченої заради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України.

Питання, зв'язані с вибором методики розрахунку, проведення експериментів виконані при науковому консультуванні доц. к.т.н. Білодіденко С.В.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 4-х друкованих роботах.

Обсяг роботи. Дисертаційна роботи складається із вступу, п'яти глав, висновків. Вона містить 194 сторінки машинописного тексту, включаючи 131 найменування використаної літератури, 63 малюнка, 10 таблиць, 2 додатки.

Основний зміст роботи

У Вступі наведені етапи розвитку крокуючого конвеєра в нагрівальних печах прокатного виробництва. Процес удосконалювання крокуючого конвеєра привів до появи теплових агрегатів нового типу, що дозволяють більш продуктивно і якісно обробляти метал.

Більш ніж тридцятирічний досвід експлуатації печей із крокуючим конвеєром (ПКК) підтвердив високі функціональні можливості цих агрегатів. За цей час розвиток механічного устаткування здійснювався шляхом удосконалювання його конструкцій, практично, вичерпавши свої можливості, оскільки реалізована більшість композицій з відомих структурних елементів. Сучасний етап розвитку ПКК має потребу в удосконалюванні механічних систем засобами, що підвищують якісні показники.

У дисертації розглянутий комплекс взаємозалежних питань, спрямованих на рішення даної проблеми.

Робота складається з 5 глав.

В першій главі розглянуті різновиди крокуючого конвеєра нагрівальних печей (КК НП) у залежності від їхнього функціонального призначення, установлені його особливості щодо інших пічних конвеєрів. Запропоновано класифікацію виконавчих механізмів КК, у вигляді морфологічної матриці, що є більш інформативним, ніж розподіл КК по типах опорно-ходової системи. Показано вплив удосконалень технології теплової обробки на удосконалювання конструктивних елементів КК. На підставі аналізу надійності й умов експлуатації КК запропоновані напрямки його подальшого удосконалення. Визначено перспективні типи виконавчих механізмів КК, що обрані для досліджень і на прикладі яких показана ефективність запропонованих методик (Рис. 1).

Тенденція заміни декількох штовхальних печей однією - двома високопродуктивним ПКК, тенденція їхнього укрупнення і багатозонністі роблять особливо актуальною проблему надійності механічного устаткування, оскільки знижується рівень резервування технічної системи. Із зазначеними тенденціями пов'язаний ріст матеріалоємності мехустаткування, який може відбуватися інтенсивніше, ніж збільшення технічних показників печі. Тому при проектуванні КК необхідно використовувати сучасні методи оцінки статичної і динамічний навантаженності, оцінки опору таким навантаженням, що забезпечують сполучення необхідного рівня надійності і матеріалоємності.

Найбільша кількість відмовлень приходиться на елементи КК, що працюють у зоні високих температур (футеровка, теплоізоляція, рейтери, кріплення). На їхню стійкість впливають, як температурні фактори (теплові деформації, термовтома, деградація властивостей), так і динамічні навантаження (удари при підхопленні заготовок, вібрації).

Найбільш матеріалоємними елементами в ПКК з електромеханічним приводом є підйомні ексцентрикові виконавчі механізми. У ПКК із клиновим гідроприводом найбільша частина маси приходиться на несучі рами. Оскільки в цих механізмах не передбачене врівноважування балок, то зниження мас рам є актуальна задача в аспекті зниження енергоємності.

Основна кількість ПКК (як у світі, так і в СНД) введена в експлуатацію 20-25 років тому. Таким чином, закінчується призначений термін служби базових конструкцій (несучі рами, прифундаментні деталі), що зазнали циклічні навантаження і накопичили якесь втомне ушкодження. З огляду на сформовані обставини з відновленням устаткування, можна вважати актуальною проблему оцінки залишкового ресурсу і продовження терміну безпечної експлуатації ПКК.

Варіювання продуктивністю ПКК із метою оптимізації напруги пода по витраті палива і угару складає 15-30%. Коефіцієнт варіації навантаження на несучі елементи КК буде вище, що робить необхідним врахування фактора нестаціонарності навантаження при оцінці довговічностей.

У другій главі приведені дослідження статичної навантаженності несучих конструкцій КК із гідроклиновим виконавчим механізмом по методу кінцевих елементів (МКЕ). Для цього була розроблена модель рухомої конструкції у вигляді єдиної рамно-стрижневої системи, що вміщує крокуючі балки, стійки і раму, яка спирається на катки. Вивчено вплив на внутрішні силові показники системи ряду конструктивно-експлуатаційних факторів.

При обпиранні усіх заготовок на дві крайні балки (замість звичайного обпирання на чотири балки) в консольних ділянках останніх виникають напруги вищі за допустимі для вуглецевих сталей. Резерви статичної міцності інших елементів конструкції достатні для умов роботи з подвоєним питомим навантаженням, що може бути викликано зносом рейтерів, кривизною заготовок і т.п.

Характер закріплення стійок у рамі (жорстке, шарнірне) не робить істотного впливу на їхню навантаженність. Більш істотно цей фактор впливає на напружений стан металу в стійках.

Зсув рухомої системи КК для транспортування заготовок найбільш істотно впливає на поперечні зусилля в подовжніх балках верхньої рами, і, отже, на навантаженність опорно-ходових катків.

Визначено небезпечні (більш навантажені) місця в рухомих конструкціях КК нагрівальних печей із клиновим виконавчим механізмом. До них відносяться консольні ділянки крокуючих балок, ділянки подовжніх балок верхньої рами в зонах контакту з катками.

Визначено нерівномірність статичної навантаженності елементів конструкцій КК. Коефіцієнт нерівномірності навантаження стійок зовнішніх балок - 1,3; коефіцієнт варіації навантаженності стійок однієї балки складає близько 9%. Таким чином, нерівномірність навантаження стійок досягає 70%. Нерівномірність навантаженності катків досягає 45%.

Статична нерівномірність навантаження рухомої системи обумовлює конструкційну нестаціонарність циклічного навантаження елементів конструкцій. Найбільше істотно така нестаціонарність спостерігається для опорно-ходових катків, що досягає 70%. З урахуванням експлуатаційної нестаціонарності (варіювання продуктивності і виробничої програми) і динамічних навантажень отримані результати дозволяють сформувати режим навантаження, необхідний для оцінки залишкового ресурсу елементів несучих конструкцій КК нагрівальних печей.

Крім цього, навантаженність конструкцій оцінювалася методом сил, що був адаптований для даних умов у якості традиційного інженерного інструментарію. Обидва методи показали задовільну збіжність результатів.

Однак, при переході до більш економічних конструкцій доцільно застосовувати чисельні методи, що дозволяють більш обґрунтовано оцінити нерівномірність навантаженності елементів статично невизначених конструкцій.

Питання динамічного аналізу підйомного механізму розглянуті у третій главі. Сила контактної взаємодії між балками і заготовками при підхопленні останніх визначалася на основі теорії зіткнення пружних тіл. При цьому вирішена оригінальна задача по визначенню часу удару при плоскому контакті заготовок і балок, який визнається як

, (1)

де - приведена маса заготовок та рухомих конструкцій

- лінійний коефіцієнт контактної жорсткості..

, (2)

де - сума ширин заготовок, що знаходяться в печі, , , - коефіцієнти Пуассона та модулі Юнга, відповідно, матеріалу заготовок та балок.

Коефіцієнт динамічності для визначення ударної сили буде:

, (3)

конвеєр металургійний піч циклічний

де - сила ваги заготовок

- швидкість підхоплення заготовок балками.

У результаті аналізів установлені закономірності взаємозв'язків між коефіцієнтами динамічності в елементах КК (Рис. 2).

Методом механічного імпедансу (ММІ) досліджена реакція рухомої системи крокуючого конвеєра (КК) на процес підхоплення заготовок при імпульсному і періодичному характеру дії, збурюючих сил. Запропоновані відносно прості динамічні моделі рухомої системи КК (Рис. 3). Проведено порівняльний аналіз динамічних властивостей різних схем несучих конструкцій і виконавчого механізму. ММІ досить швидко можуть бути визначені, як коефіцієнти динамічності, так і амплітудно-частотні характеристики елементів рухомої системи (Рис. 4). Розглянуті місця раціональної установки пружних елементів з метою зниження величини і частоти динамічних навантажень і переміщень мас. Очевидно, що знайти конструктивну схему, безумовно сприятливу для всіх її елементів дуже складно - зменшивши динамічну навантаженність одних елементів, погіршуються динамічні параметри інших. При необхідності зниження вібрацій доцільно встановлювати пружини під опорно-ходовими катками, а не під стійками. Для зменшення динамічних навантажень у крокуючих балках і стійках пружні елементи можна не вводити, оскільки піддатливість гідросистеми може забезпечити мінімальні коефіцієнти динамічності, як у металоконструкціях, так і в елементах гідроприводу. Для одне-двох і трьохмасових моделей визначена перша резонансна частота власних коливань, що складає 2,7-2,8 Гц.

В четвертій главі надані результати проведених в роботі експериментальних досліджень опору циклічним навантаженням матеріалу гарячекатаних профілів, що використовуються для виготовлення балок рам. Визначено базові характеристики опору втоми, оцінено вплив на них технологічних факторів (Рис.5). Довговічність до появи макротріщин натурних гарячекатаних балок з рядових вуглецевих сталей контролюється розмахом навантажень. Знайдено умови виникнення квизікрихкого руйнування тонкостінних елементів конструкцій з поверхневими тріщинами в умовах вигину. Воно відбувається в діапазоні відносних глибин тріщин . При цьому межи тріщиностійкості знаходяться в діапазоні . Його величина залежить від розміру і форми тріщини і відносно слабко залежить від розміру зерна. Ріст відносини величин границі текучості до межі міцності є показником обкрихчення матеріалу. Даний процес у рядових вуглецевих конструкційних сталях пов'язаний з циклічним навантаженням і не зв'язаний із природним старінням під час тривалого збереження. Тривале збереження для таких сталей не впливає на показники циклічної і статичної тріщиностійкості. Виявлені й експериментально підтверджені причини більш низької надійності холоднодеформованих вигинів металоконструкцій у порівнянні з гарячедеформованими. З характеристик працездатності в даній ситуації найбільш істотно знижується критична тріщиностійкість, при якій критична брутто-напруга знижується майже у півтора рази. Причини цього явища зв'язані з ушкодженням структури металу в зонах максимальної технологічної деформації. Встановлено області раціонального застосування холодно- і гарячедеформованих вигинів.

Аналіз отриманих у роботі результатів та ефективність їх застосування продемонстровані в П'ЯТІЙ главі. Установлені закономірності взаємозв'язків між коефіцієнтами динамічності в елементах КК (Рис.6), а також способи, за допомогою яких можна впливати на їх динамічну навантаженність. У печах із крокуючими балками (ПКБ) динамічні процеси яскравіше виявляються, ніж у печах із крокуючим подом (ПКП). Тому при створенні високопродуктивних універсальних ПКБ необхідно особливу увагу приділяти динамічному аналізу конструкцій. Зниження коефіцієнтів динамічності у виконавчому механізмі найбільше ефективно здійснювати зниженням швидкості до моменту підхоплення чи установкою пружних елементів під опорними катками. Для зниження коефіцієнтів динамічності в рухомих конструкціях необхідно знижувати ударну силу. У цьому аспекті становить інтерес ''ефект балок ПКП'', коли час удару збільшується за рахунок збільшення зближування тіл при контакті шляхом використання в конструкції балок вогнетривких матеріалів з малим модулем пружності. В роботі оцінений ступінь впливу факторів на величину коефіцієнтів динамічності. Багатофакторність залежності параметрів навантаженності конструкцій КК ускладнює можливість їхнього детермінованого розрахунку і веде до необхідності використання імовірнісних методів розрахунку. В роботі отримана типова послідовність напруг в елементах рухомих конструкцій КК, а також установлено параметри імовірнісного розподілу максимальних циклічних навантажень у найбільш навантажених ділянках верхньої рами.

Для 20-літнього терміну служби базових рухомих конструкцій ПКК при щорічній роботі прокатного стану 8000 година і часу циклу крокування 27 с. Необхідно гарантувати довговічність циклів змін навантажень.

Приймемо, що зміна коефіцієнтів динамічності і статичних навантажень підкоряється нормальному закону. Середня величина коефіцієнта динамічності , а коефіцієнт його варіації . Нестаціонарність дії напруги від статичного навантаження обумовлена варіюванням продуктивності з коефіцієнтом . Тоді коефіцієнт варіації розмаху навантажень буде .

Для оцінки внутрішнього фактора, що впливає на розсіювання підсумкової довговічності, скористаємося універсальною залежністю між середньоквадратичним відхиленням довговічності і її медіанним значенням, у результаті чого для необхідного терміну служби одержимо =0,38. Тут враховані такі фактори, як стан поверхні, міжплавочне розсіювання, збільшення довжини натурної балки в порівнянні з експериментальною моделлю, нахил кривої втоми .

Середньоквадратичне відхилення підсумкової довговічності балки визначається, як

,(4)

і складе .

Тоді медіанна підсумкова довговічність буде визначена в такий спосіб:

(5)

де - квантіль нормального розподілу для імовірності .

Для гарантованої імовірності не руйнування маємо циклів. По кривих втоми (Рис.4) одержуємо напругу , що відповідає цієї довговічності.

Таким чином, для подовжньої балки верхньої рами (ВР) можливе застосування двотавра №50 замість двотавра №60. Для поперечних балок ВР аналогічний розрахунок дозволяє замінити двотаври №50 на №33. Досягнуте завдяки цьому зниження маси верхньої рами з 150т до 83,3т (на 44,5%) дає зниження собівартості на 20,1%. У випадку прийнятності вибору перетину по основних і додаткових напругах зниження маси рухливих частин КК буде відчутним і в даному випадку складе 1,8 рази. Це знизить витрату енергії в 1,19 рази в механізмі підйому, і в 1,56 рази в механізмі переміщення. Підприємство - виготовлювач при виробництві однієї печі одержує економічний ефект у 92 тис. гривень.

Висновки

На підставі вивчення механічного устаткування металургійних печей та розвитку КК і його виконавчих механізмів установлені найбільш перспективні типи конструкцій для нагрівальних печей прокатного виробництва. До них віднесені печі з комбінованим подом секційні печі, що забезпечують оптимальні умови нагрівання й універсальність переміщення заготовок. Зроблено висновок, що шляхи удосконалювання КК, зв'язані з розширенням функціональних можливостей, вичерпані. Доцільно подальше удосконалювання транспортної системи печей зв'язувати з поліпшенням технічних показників, що визначають якість машини - надійністю і довговічністю, матеріало- і енергоємністю. Зазначені заходи здійснені за рахунок застосування сучасних методів проектування.

Застосування у металургійному виробництві високопродуктивних печей із крокуючим конвеєром дає можливість скоротити чисельність нагрівального устаткування, що знижує рівень резервування системи. Тенденція укрупнення печей із крокуючим конвеєром, додання їм функцій ''буферного простору'' у ливарно-прокатних комплексах веде до росту матеріалоємності механічного устаткування. Таким чином, актуальними є питання раціонального сполучення рівнів надійності і матеріалоємності рухомих конструкцій крокуючого конвеєра як найбільш масивних енергоємних вузлів.

Результати даної роботи дозволяють при необхідному рівні надійності і довговічності зменшити матеріалоємність механічного устаткування нагрівальних печей і, отже, його енергоємність; при існуючому рівні матеріалоємності обґрунтувати термін продовження безпечної експлуатації базових елементів несучих конструкцій КК.

Для розглянутої нагрівальної печі виявлені резерви міцності, що дозволяють для центральних балок верхньої рами зменшити на два-три типорозміри застосовуваний сортамент прокату, істотно (майже вдвічі)знизити розміри перетинів балок. У підсумку зниження маси рухомих конструкцій може скласти 25-50%.

Встановивши рівень діючих статичних і динамічних навантажень елементах конструкцій, можна вважати, що їхнє руйнування можливо, переважно, унаслідок наявності дефектів типу тріщини з наступним їхнім розвитком при циклічних навантаженнях. У цьому аспекті проведені експерименти, у результаті яких отримана можливість оцінювати небезпеку квазікрихкого руйнування від поверхневих тріщин.

Уперше для оцінки навантаженності елементів рухомих конструкцій застосований метод кінцевих елементів, що враховує просторовий характер деформування і реальну жорсткість вузлів. Розроблено модель рухомої системи у вигляді рамно-стрижневої статично невизначеної конструкції, на якій досліджено вплив на навантаженність ряду експлуатаційно-конструкційних факторів.

Розроблено інженерний аналітичний метод розрахунку рухомих конструкцій, заснований на методі сил. Розрахунок, виконаний даним методом, добре погоджується з розрахунком МКЕ, підтверджуючи їхню коректність.

Статична нерівномірність навантаження рухомих конструкцій досягає 45-70%. При переміщенні заготовок вона формує конструкційну нестаціонарність навантаження, що для деяких вузлів досягає 70%. Експлуатаційна нестаціонарність навантаження, зв'язана з варіюванням продуктивністю з метою оптимізації напруженості пода по витраті палива і угару досягає 30%. Таким чином, елементи рухомих конструкцій крокуючого конвейєра нагрівальних печей працюють в умовах яскраво вираженого нестаціонарного режиму циклічного навантаження.

Зроблено оцінку динамічних навантажень при підхопленні заготовок крокуючими балками на основі теорії зіткнення пружних тел. При цьому вирішена оригінальна задача по визначенню часу удару в умовах плоского контакту заготовок і балок. Визначено закономірності зміни коефіцієнта динамічності в печах із крокуючими балками й у печах із крокуючим подом для металоконструкцій і виконавчих механізмів.

Уперше для конвеєра печей із крокуючими балками аналіз частот власних і змушених коливань здійснено за допомогою механічного імпедансу. Визначено резонансні частоти коливань.

Зроблено оцінку вібрації крокуючого конвеєра при імпульсній і періодичній збурюючий силі. По графіках переміщень і прискорень для різних динамічних моделей крокуючого конвеєра визначені місця раціональної установки пружини з заданою жорсткістю для зниження амплітуди і частоти переміщення і навантажень.

Проведено всебічні дослідження характеристик працездатності гарячекатаної вуглецевої сталі Ст.3пс в умовах, що відповідають умовам експлуатації балок несучих рам (структура металу, натурна товщина, деформування вигином, частота навантаження, поверхневі тріщини). Установлено, що довговічність балок до появи макротріщин контролюється розмахом навантажень.

Для оцінки небезпеки руйнування від поверхневих тріщин застосована концепція меж тріщиностійкості. Виявлено закономірності зміни параметрів поверхневих тріщин в умовах вигину при їх розвитку. Установлено, що в порівняно тонких елементах перетинів балок поверхнева тріщина перетворюється в наскрізну шляхом руйнування лише у деякому діапазоні меж тріщиностійкості, що для даної Ст.3пс складає 2555. Його значення залежить від параметрів тріщини і відносно слабко залежить від розмірів зерна.

Оцінено вплив на працездатність металоконструкцій деяких експлуатаційно-технологічних факторів, що має значення в системі забезпечення безпеки експлуатації металургійного устаткування. Установлено, що обкрихчення вуглецевих сталей у процесі експлуатації може бути зв'язане з циклічним навантаженням (рамні балки) і тепловим впливом (крокуючі балки, рейтери), але не зв'язано з природним старінням при тривалому збереженні.

Більш низька надійність холоднодеформованих вигинів у порівнянні з гарячедеформованими зв'язана зі зниженням їхніх меж тріщиностійкості і, отже, зі зниженням критичних напружень. Це у свою чергу зв'язано з ушкодженням структури металу (мікротріщини, дроблення зерен) у зонах максимальної технологічної деформації. Міцність і опір втомі для холодно- гарячедеформованих вигинів однакові.

Список основних опублікований праць

Цапко В.К., Ли Юн-цзинь, Белодеденко С.В., Ермократьев В.А. Развитие конструкций шагающего конвейера нагревательных печей. // Теория и практика металлургии. - №1. - 2000. - С. 52-54.

Белодеденко С.В., Ли Юн-цзинь, Цапко В.К. Оценка несущей способности подвижных металлоконструкций нагревательных печей с шагающим конвейером. // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1999. - Вып. 4. - С. 258-263.

Белодеденко С.В., Ли Юн-цзинь, Цапко В.К. Динамические нагрузки подъёмного механизма нагревательной печи с шагающим конвейером // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2000. - Вып. 5. - С. 170-177.

Шагающий конвейер нагревательных печей (часть I) Развитие конструкций и областей применения: Учеб. пособие / С.В. Белодеденко, Ли Юн-цзинь, В.К. Цапко; Под ред. С.В. Белодеденко. - Днепропетровск: НМетАУ, 2001. - 69 с.

Анотація

Лі Юн Цзінь. Удосконалювання крокуючого конвейєра металургійних печей на основі оцінки навантаженності конструкцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена питанням поліпшення технічних показників крокуючого конвеєра металургійних печей і удосконаленню методів створення його механізмів і несучих конструкцій. У роботі приведені уточнені оцінки статичної і динамічної навантаженності, опору елементів конструкцій таким навантаженням, а також оцінка небезпеки раптового руйнування на стадії експлуатації.

До дисертації входять:

1) розробка класифікації виконавчих механізмів крокуючого конвеєра у виді морфологічної матриці;

2) дослідження статичної навантаженності елементів рухомих конструкцій крокуючих конвеєрів найбільш перспективних нагрівальних печей методом кінцевих елементів;

3) оцінка динамічних навантажень у рухомих конструкціях, у тому числі, при підхопленні заготівель з урахуванням процесу зіткнення;

4) дослідження динамічних властивостей елементів крокуючих конвеєрів методом механічного імпедансу;

5) дослідження умов руйнування несучих металоконструкцій при наявності тріщин і дефектів шляхом іспитів при циклічних і статичних навантаженнях;

6) рішення проблеми призначення розмірів перетинів елементів рухомих конструкцій крокуючого конвеєра на основі оцінки реальних параметрів циклічного навантаження.

Розроблені в дисертації типові методики розрахунку й аналізу механічного устаткування печей із крокуючими балками і подом передані ВАТ ''Дніпроважмаш'', м. Дніпропетровськ. Зручний посібник ''Крокуючий конвеєр нагрівальних печей'' використовується для підготовки студентів за спеціальністю ''Металургійні обладнання'' Національної металургійної академії України, м. Дніпропетровськ.

Ключові слова: крокуючий конвеєр, нагрівальна піч, прокатне виробництво, коефіцієнт динамічності, металоконструкції, механічний імпеданс, втома, тріщиностійкість, матеріалоємність, навантаженність.

Аннотация

Ли Юн Цзинь. Совершенствование шагающего конвейера металлургических печей на основе оценки нагруженности конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по Специальность 05.05.08 - Машины для металлургического производства.

Диссертация посвящена вопросам улучшения технических показателей шагающего конвейера металлургических печей и совершенствования методов создания его механизмов и несущих конструкций. В работе приведены уточненные методы оценки статической и динамической нагруженности конструкций, сопротивления элементов конструкций таким нагрузкам, а также методы оценки опасности внезапного разрушения на стадии эксплуатации.

В диссертацию входят:

1) разработка классификации исполнительных механизмов шагающего конвейера в виде морфологической матрицы;

2) исследования статической нагруженности элементов подвижных конструкций шагающих конвейеров наиболее перспективных нагревательных печей методом конечных элементов;

3) оценка динамических нагрузок в подвижных конструкциях, в том числе, при подхвате заготовок с учетом процесса соударения;

4) исследования динамических свойств элементов шагающих конвейеров методом механического импеданса;

5) исследования условий разрушения несущих металлоконструкций при наличии трещин и дефектов путем испытаний при циклических и статических нагрузках;

6) решение проблемы назначения размеров сечений элементов подвижных конструкций шагающего конвейера на основе оценки реальных параметров циклического нагружения при гарантированном сроке службы.

На основе вышеуказанных анализов:

1) определена степень статической неравномерности нагружения элементов подвижной системы конвейера нагревательной печи прокатного производства с шагающими балками с учетом пространственного характера деформирования конструкций, а также оценено влияние на нагруженность системы некоторых конструктивно-эксплуатационных факторов;

2) установлено, что статическая неравномерность нагружения обусловливает конструкционную нестационарность процесса циклической нагруженности, что наиболее существенно проявляется в опорно-ходовых катках, где разница нагрузок при перемещении с одной позиции на другую достигает 70%;

3) установлены закономерности изменения коэффициентов динамичности при подхвате заготовок в элементах шагающего конвейера нагревательных печей'' прокатного производства под влиянием эксплуатационных факторов;

4) найдены условия возникновения квазихрупкого разрушения элементов конструкций малой толщины с поверхностными трещинами в условиях изгиба;

5) выявлены и экспериментально подтверждены причины более низкой надежности холоднодеформированных гибов металлоконструкции относительно горячедеформированных.

Результаты статической нагруженности получены методами конечных элементов и методом сил имеют сходность в пределах 10%. Результаты динамической нагруженности для одномассовой модели получены методами теории удара и механического импеданса имеют сходимость в предела 20%. Рассчитанные с применением полученных результатов сроки службы элементов рам не противоречит фактически наблюдаемым в эксплуатации. Достижение поставленной цели диссертации обеспечивает уменьшение материало- и энергоемкости конвейера при гарантированном сроке службы его базовых частей.

Разработанные в диссертации типовые методики расчета и анализа механического оборудования печей с шагающими балками и подом переданы ОАО ''Днепротяжмаш'', г. Днепропетровск. Учебное пособие ''Шагающий конвейер нагревательных печей'' используется для подготовки студентов специальности ''Металлургическое оборудование'' Национальной металлургической академии, г. Днепропетровск.

Ключевые слова: шагающий конвейер, нагревательная печь, прокатное производство, коэффициент динамичности, металлоконструкции, механический импеданс, усталость, трещиностойкость, материалоемкость, нагруженность.

The summary

Li Yong Jin. Perfection of the walking conveyor of metallurgical furnaces on the basis of an estimation loading of designs. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science till a Specialty 05.05.08 - Machine for metallurgical manufacture. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to questions of improvement of technical parameters of the walking conveyor of metallurgical furnaces and perfection of methods of creation of its mechanisms and bearing(carrying) designs. In work the specified estimations static and dynamic loading, resistance of elements of designs to such loading, and also danger of sudden destruction at a stage of operation are given.

Into the dissertation enter:

1) development of classification of the executive mechanisms of the walking conveyor as a morphological matrix;

2) research static loading of elements of mobile designs of walking conveyors of the most perspective heating furnaces by a method of final elements;

3) estimation of dynamic loading in mobile designs, including, at intercepting preparations in view of stress process;

4) research of dynamic properties of elements of walking conveyors by a method of a mechanical impedance;

5) research of conditions of destruction bearing(carrying) metal structures at presence of cracks and defects by tests at cyclic and static loading;

6) decision of a problem of assignment of the sizes of sections of elements of mobile designs of the walking conveyor on the basis of an estimation of real parameters cyclic loading.

The typical techniques, developed in the dissertation, of account and analysis of the mechanical equipment of furnaces with walking beams and under are transferred to "Dniprotiazhmash" Ltd. of Dnipropetrovsk. The convenient manual " the Walking conveyor of heating furnaces " is used for preparation of the students on a specialty " the Metallurgical equipment " of National metallurgical academy. Dnipropetrovsk.

Key words: walking conveyor, heating furnace, rolling manufacture, dynamic coefficient, metal structures, mechanical impedance, weariness, stability of a crack, capacity of the material, loading.

Размещено на Allbest.ru