Специальность: Подъeмно-транспортные, строительные, дорожные, мелиоративные машины и оборудование
Тема выпускной работы:
Обоснование рациональных параметров специальной муфты мостового крана, работающего в условиях агрессивной среды
Научный руководитель: доцент, к.т.н. Водолазская Наталия Владимировна

Введение

На предприятиях цветной металлургии перемещаются огромные массы сырья, материалов, полуфабрикатов, полупродуктов и других материальных ценностей. Осуществление производственных процессов предполагает регулярную доставку сырья и материалов на предприятие, их разгрузку и размещение на складах, продвижение на рабочие места и из цеха в цех по ходу технологического процесса, вывоз готовой продукции с предприятия.

Мостовые краны получили широкое распространение в металлургической промышленности, как одно из средств механизации производственных операций. Они являются весьма эффективным средством по перемещению грузов различных категорий. Надежность этих металлургических машин определяется совершенством их конструкции и технологией изготовления и во многом зависит от условий работы и среды в которой эксплуатируется кран.

1. Состояние вопроса

Вопрос исследования влияния внешней газовой среды на величину силы трения, а следовательно и на износ деталей машин впервые был поставлен Ш. Якобом (1912 г.), В. Гарди и Дж. Гарди (1919 г. )

Позже этим вопросом занимались Эрнст и М. Мерчент, Л.Ф. Коффин, Годфрей, И.Г. Носовский, Г.В. Виноградов.

Влияние физически и химически адсорбированных пленок на коэффициент внешнего трения исследовали Б.В. Дерягин и В.П. Лазарев, А.С. Ахматов, Ф. Боуден и Г. Хыоз, В. Кемпбелл, П. Шоу и Э. Леви и др.

Вопросами исследования производственной среды занимались К.П. Бережнова, Ю.Л. Вольберг, С.М. Михайлов, М.М. Гарипова, Б.А. Неруш, А.М. Фанталова, В.И. Павлова, Н.А. Прищепа и др.

С 1987 г. в нормативную документацию для подъемно-транспортных машин введены рекомендации по применению агрегатного метода замены ремонтных комплектов. Метод позволил сделать ремонт ПТМ более оптимальным по времени и затратам, однако применение этого метода к мостовым кранам недостаточно исследовано [1, 2].

2. Актуальность темы

Мостовые краны, являются необходимой составляющей процесса непрерывного производства. Технология переработки руд цветных металлов сопровождается выделением вредных газов, пыли, влаги, паров химических реагентов. Загрязненная вредными веществами газовоздушная эксплуатационная среда воздействует на металлические конструкции и механическую часть кранов, способствуя их старению и разрушению. В сильноагрессивной среде повышается вероятность возникновения отказов оборудования, чему способствуют влажность, загазованность и запыленность. Отмечено, что наличие пыли в значительной степени снижает долговечность оборудования, которое негерметично или не обеспечено надежной изоляционной защитой.

Надежность мостовых кранов в условиях металлургического производства для обеспечения бесперебойной работы обеспечивается не в полной мере. Также следует заметить, что значительная часть мостовых кранов по срокам службы находится в завершающей стадии эксплуатации. А в настоящее время затраты на их капитальный ремонт превышают нормативные. Обеспечение надежности функционирования мостовых кранов, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред непрерывного металлургического производства, является первоочередной задачей, т. к. их отказы могут повлечь перебои в технологической цепочке предприятия, как было отмечено ранее. С точки зрения надежности наиболее слабым звеном в системе мостового крана является механическое оборудование ( редукторы, тормоза, канаты, муфты и т.д. ). Учитывая результаты анализа наработок этого оборудования [3], следует заметить, что наиболее уязвимым узлом являются муфты – они имеют наименьшее количество наработок в данной производственной среде.

Муфты являются ответственным элементом и определяют надежность всего машинного агрегата. Стоимость муфты невелика по сравнению со стоимостью всего мостового крана, однако выход из строя муфты увеличивает время простоя оборудования, что приводит к значительным материальным потерям.

В связи с этим проблема изготовления надежных и долговечных, одних из наиболее ответственных элементов, какими являются муфты мостовых кранов, есть актуальной задачей и имеет большое значении в улучшении качества и эффективности обслуживания подъемно – транспортных операций на производстве.

3. Цель и задачи

Целью является усовершенствование конструкции отдельных узлов мостовых кранов на предприятиях с агрессивной производственной средой, для увеличения их долговечности и эксплуатационной надежности.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Выполнен анализ причин разрушения металлических конструкций и отказов механического оборудования мостовых кранов металлургического производства, эксплуатируемых в условиях действия агрессивных сред;
2. Выполнен анализ типов муфт используемых в мостовых кранах, работающих в условиях действия агрессивных сред;
3. Выполнено обоснование параметров выбранного типа муфты;
В дальнейшем планируется:
4. Устранить недостатки упругой муфты с винтовыми пружинами, связанные с наличием пластмассовых элементов;
5. Провести поиска марки материала, применение которого позволит повысить износостойкость муфты в условиях данного производства;
6. Провести поиск оптимального типа смазочного материала.

4. Текущие результаты

В технологической цепочке производства продукции из цветных металлов был выделен процесс пирометаллургии.

Пирометаллургические процессы обжига, плавки, конвертирования, рафинирования, дистилляции протекают в плавильных цехах и сопровождаются значительными выделениями тепла и агрессивных газов, преобладающим из которых является диоксид серы. Относительная влажность воздуха находится в диапазоне от 50 до 80 % при температуре 20-35 °С. Степень агрессивного воздействия среды оценивается как средне- и сильноагрессивная при нормальном и влажном режимах помещений.

На основе анализа результатов исследований можно сделать вывод о том, что эксплуатационная среда цехов по производству тяжелых цветных металлов является агрессивной по отношению к мостовым кранам и характеризуется повышенной влажностью и наличием кислых газов.
В качестве уровней агрессивной среды принят перечень факторов и величин агрессивности (табл. 1).

Таблица 1. Уровни агрессивности среды

Как видно из таблицы степень агрессивности среды зависит не только от величины параметров, но и от совокупности их воздействий.

С увеличением относительной влажности воздуха до критических значений, резко повышается скорость коррозионных процессов. Для стали критическая влажность, в зависимости от состава среды и состояния поверхности, находится в пределах от 60 до 70%. Вторым фактором, влияющим на коррозию, является температура воздуха.

Сухая пыль при отсутствии влаги и при низкой относительной влажности воздуха не оказывает существенного коррозионного воздействия, но воздействует как дополнительная нагрузка на конструкцию крана. Во влажной среде пыль может образовывать кислый или щелочной раствор. В.И. Павлов, изучая атмосферу медеэлектролитных цехов, отмечает, что во внутрицеховой среде содержится пыль, характеризуемая как сильнокислая, гигроскопичная, хорошо растворимая в воде. Химически активная пыль создает у поверхности конструкций зону повышенной влажности и кислотосодержания. Исследуя влияние газовоздушной среды плавильного цеха, указывают, что пыль адсорбирует влагу из воздуха и способствует ускорению коррозионных процессов даже при относительно небольшой влажности.

Анализ данных, полученных в результате проведенной экспертной оценки средних наработок узлов мостовых кранов, работающих в разных по агрессивности средах, позволил получить реальную картину зависимости ресурсов узлов мостовых кранов от агрессивности эксплуатационной среды (рис. 1) [4] .

Рисунок 1 – Средние ресурсы основных ремонтных комплектов мостового крана,
работающих в различных по степени агрессивности средах

Из графика видно, что самые меньшие наработки у зубчатых муфт. Это свидетельствует о том, что они наиболее подаются воздействию веществ, выделяемых при получении цветных металлов. Зубчатое сопряжение муфт само по себе является не надежным элементом – из-за сил трения, возникающих при перекосе валов (рис. 3), происходит быстрое истирание зубьев, а агрессивная среда в несколько раз ускоряет этот процесс. Поэтому есть вполне целесообразным замена этих муфт, на более надежные и устойчивые к агрессивной среде [5].

Рисунок 2 – Механизм передвижения мостового крана
(1 – двигатель; 2 – редуктор; 3 – муфты)

В ходе анализа существующих конструкций муфт выбрали те, которые наиболее подходят по конструкции и техническим параметрам, к условиям работы данного мостового крана. Учитывая основные параметры - это габариты, материал муфты, величина максимального передаваемого крутящего момента и возможность выдерживать большие нагрузки, наиболее оптимальным оказался выбор упругой муфты с винтовыми пружинами [6, 7, 8, 9].

Рисунок 3 – Схема установки упругой муфты
(анимация: объем – 110 КБ; размер – 325x149; количество кадров – 6; количество циклов повторения – 7)

Фирма «Cardelis Kupplung» выпускает муфты «Карделис», представленные на рис. 4. Муфта состоит из двух полумуфт (1, 2), соединенных между собой цилиндрическими винтовыми пружинами (3). Последние опираются на сегменты (4), насаживаемые на пальцы (5).

Рисунок 4 – Муфта «Карделис»

Эти муфты обладают следующими компенсирующими свойствами:
1) угловое смещение валов до 2°;
2) параллельное смещение до 1 % от наружного диаметра муфты;
3) осевое смещение до 5% от наружного диаметра муфты;
4) угол закручивания до 5°. Последняя величина может быть удвоена путем применения двух муфт с промежуточным валом между ними.

Обладая высокой эластичностью, муфты смягчают толчки и удары нагрузки и отличаются отсутствием свободного хода. Конструктивно муфты изготовляются как в комбинации с тормозными шкивами, зубчатыми колесами, так и комбинированные [9].

Муфта соединяет отдельные секции трансмиссионного вала, являющегося частью механизма передвижения крана (рис.2). Диаметр вала d = 90 мм, максимальный крутящий момент на выходном валу редуктора T_ном = 1353 Н·м [10, 11]. Руководствуясь этими данными, производим расчет упругой муфты с винтовыми пружинам.

Размеры и параметры муфты: М_ном = 1068 Н·м, В = 184 мм, В₂ = 302 мм, D_A = 280 мм, D_N = 150 мм, z₂ = 72 мм.

Расчетная схема представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема усилий, действующих в муфте с винтовыми пружинами

Крутящий момент, передаваемый муфтой:

(1)

где z – число сегментов на одной полумуфте, – усилия пружин 1, 2 (рис. 5), – углы между направлениями пружин и касательных к окружности, на которой расположены центры пальцев.

Усилие пружины:

(2)

где – жесткость пружины; – деформация пружины;

для пружин 1:

(3)

для пружин 2:

(4)

где – угол поворота полумуфт; – предварительная деформация пружины; R – см. рис. 2.

(4)

Так как 6 секторов образуют равносторонние треугольники, то

(5)

Тогда подставляем значения в формулы (3) и (4),

Отсюда,

Итак, максимальный крутящий момент, передаваемый муфтой, равняется 3046 Н·м, что входит в рамки допустимых значений (3046 Н·м > 1353 Н·м). Отсюда следует, что муфта способна передавать крутящий момент от привода к ходовым колесам мостового крана.

Также был проведен расчет основного элемента муфты – винтовых пружин (рис. 6).

Рисунок 6 – Винтовая пружина сжатия

Исходя из основных параметров муфты (наружного диаметра, крутящего момента, числа ведущих пальцев на одной полумуфте) вычислили осевую нагрузку, действующую на пружины (11330 Н). Дальнейший расчет вели по этой силе. Определили:

• диаметр проволоки – 16 мм;
• шаг пружины – 7 мм;
• количество витков – 5,5;
• зазор между витками – 1,6 мм;
• наружный диаметр пружины – 60 мм.

Также произвели расчет пружины на прочность. Условие прочности выполняется 621МПа < 1050МПа [13]

Краткая сводка полученных результатов и основные выводы

После проведенного анализа причин разрушения металлоконструкций и механической части мостовых кранов, были выявлены узлы мостового крана, которые наиболее поддаются воздействию агрессивной среды, ими оказались зубчатые муфты. С целью заменить их и тем самым усовершенствовать конструкцию мостового крана был проведен анализ типов муфт, его результат представлен в данной работе. Однако выбранный вид муфты также имеет некоторые недостатки, которые планируется устранить в ходе дальнейшей работы, путем усовершенствования конструкции и применения более износостойких материалов для изготовления муфты и ее элементов в частности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носовский, И.Г. Влияние газовой среды на износ металлов. / И.Г. Носовский. – Киев, 1968. - 172 с.
2. Дроздов, Ю.Г. Трение и износ в экстремальных условиях. / Ю.Г. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков – М.: Машиностроение, 1986. – 223с.
3. Шевченко Д.А. Совершенствование отдельных узлов мостового крана, работающего в условиях металлургического производства. / Д.А. Шевченко, Н.В. Водолазская // материалы международной научно-техничной конференция «Прогресивні напрямки розвитку машино-приладобудівних галузей і транспорту» / Севаст. нац. техн. ун-т. – Севастополь, 2010. – С.180 -182.
4. Старостина Ж.А. Совершенствование организации технической эксплуатации мостовых кранов в условиях агрессивной среды. // Автореферат диссертации [Електронний ресурс] /– Норильский индустр. ин-т. – Норильск: НИИ, 2007. – Режим доступа: www.lib.ua-ru.net/diss/cont/171574.html
5. Айрапетов Э.Л. Зубчатые соединительные муфты. / Э.Л. Айрапетов, Д.Б. Мирзаджанов. – М.: Наука, 1991.–251с.
6. Поляков В.С. Муфты. / В.С. Поляков, И.Д. Барбаш. – М.: Машгиз, 1960. – 367 с.
7. Поляков В.С. Муфты. / В.С. Поляков, И.Д. Барбаш. – М. – Л.: Машгиз, 1964. – 364 с.
8. Поляков В.С. Справочник по муфтам / В.С. Поляков, И.Д. Барбаш, О.А. Ряховский. – Ленинград.: Машиностроение, 1979. – 343 с.
9. Ряховский О.А. Справочник по муфтам / О.А. Ряховский., С.С. Иванов. – Ленинград.: Политехника, 1991. – 384 с.
10. Чайка Г.И. Руководство по курсовому проекту подъемно-транспортных машин / Г.И. Чайка – Харьков, 1963. – 280 c.
11. Руденко Н.Ф. Курсовое проектирование подъемно-транспортных машин: ученик для вузов / Н.Ф. Руденко. – М. Машгиз, 1963. – 304 с.
12. Васильев В.З. Детали машин: Справочник / В.З. Васильев, И.И. Георгиевский, А.Д. Дубяго, В.Г. Гаурок и др. –М. Машгиз, 1950. – 282 с.
13. Кузьмин А.В. Расчеты деталей машин: справочное пособие/ А.В. Кузьмин, И.М. Чернин, Б.С. Козинцов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Выш. шк., 1986.-400с.
14. Дунаев П.Ф. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для машиностроит. спец. техникумов / П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов. – М. Высш. Шк., 1984. – 336с.

Примечание

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение – 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Автобиография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел