Спеціальність: Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини та обладнання
Тема випускної роботи:
Обґрунтування раціональних параметрів спеціальної муфти мостового крана, що працює в умовах агресивного середовища
Науковий керівник: доцент, к.т.н. Водолазська Наталія Володимирівна

Введення

На підприємствах кольорової металургії переміщуються великі маси сировини, матеріалів, напівфабрикатів, напівпродуктів та інших матеріальних цінностей. Здійснення виробничих процесів передбачає регулярну доставку сировини і матеріалів на підприємство, їх розвантаження і розміщення на складах, просування на робочі місця і з цеху в цех по ходу технологічного процесу, вивезення готової продукції з підприємства.

Мостові крани одержали широке поширення в металургійній промисловості, як один із засобів механізації виробничих операцій. Вони є досить ефективним засобом з переміщення вантажів різних категорій. Надійність цих металургійних машин визначається досконалістю їх конструкції і технологією виготовлення і багато в чому залежить від умов роботи і середовища в якому експлуатується кран.

1. Стан питання

Питання дослідження впливу зовнішнього газового середовища на величину сили тертя, а отже і на знос деталей машин вперше був поставлений Ш. Якобом (1912 р.), В. Гарді і Дж. Гарді (1919 р.).

Пізніше цим питанням займалися Ернст і М. Мерчент, Л.Ф. Коффін, Годфрі, І.Г. Носівський, Г.В. Виноградов.

Вплив фізично і хімічно адсорбованих плівок на коефіцієнт зовнішнього тертя досліджували Б.В. Дерягин і В.П. Лазарєв, А.С. Ахматов, Ф. Боуден і Г. Хиоз, В. Кемпбелл, П. Шоу і Е. Леві та ін.

Питаннями дослідження виробничого середовища займалися К.П. Бережнова, Ю.Л. Вольберг, С.М. Михайлов, М.М. Гаріпова, Б.А. Неруш, А.М. Фанталова, В.І. Павлова, Н.А. Прищепа та ін.

З 1987 р. в нормативну документацію для підйомно-транспортних машин введені рекомендації щодо застосування агрегатного методу заміни ремонтних комплектів. Метод дозволив зробити ремонт ПТМ більш оптимальним за часом і витратам, однак застосування цього методу до мостовим кранам недостатньо досліджено [1, 2].

2. Актуальність теми

Мостові крани, є необхідною складовою процесу безперервного виробництва. Технологія переробки руд кольорових металів супроводжується виділенням шкідливих газів, пилу, вологи, пари хімічних реагентів. Забруднена шкідливими речовинами газоповітряна експлуатаційна середа діє на металеві конструкції і механічну частину кранів, сприяючи їх старінню і руйнуванню. У сильноагресивному середовищі підвищується ймовірність виникнення відмов обладнання, чому сприяють вологість, загазованість та запиленість. Відзначено, що наявність пилу в значній мірі знижує довговічність обладнання, яке є негерметичним або не забезпечено надійним ізоляційним захистом.

Надійність мостових кранів в умовах металургійного виробництва для забезпечення безперебійної роботи забезпечується не в повній мірі. Також слід зауважити, що значна частина мостових кранів по строкам служби перебуває на завершальній стадії експлуатації. А в цей час витрати на їх капітальний ремонт перевищують нормативні. Забезпечення надійного функціонування мостових кранів, що експлуатуються в умовах агресивних середовищ безперервного металургійного виробництва, є першочерговим завданням, бо їх відмови можуть спричинити перебої в технологічному ланцюгу підприємства, як було зазначено раніше. З точки зору надійності найбільш слабкою ланкою в системі мостового крану є механічне устаткування (редуктори, гальма, канати, муфти і т.д.). З огляду на результати аналізу напрацювань цього обладнання [3], слід зауважити, що найбільш вразливим вузлом є муфти – вони мають найменшу кількість напрацювань в даному виробничому середовищі.

Муфти є відповідальним елементом і визначають надійність всього машинного агрегату. Вартість муфти невелика в порівнянні з вартістю всього мостового крану, проте вихід з ладу муфти збільшує час простою обладнання, що призводить до значних матеріальних втрат.

У зв'язку з цим проблема виготовлення надійних і довговічних, одних з найбільш відповідальних елементів, якими є муфти мостових кранів, є актуальним завданням і має велике значення у поліпшенні якості та ефективності обслуговування підйомно - транспортних операцій на виробництві.

3. Мета і завдання

Метою є вдосконалення конструкції окремих вузлів мостових кранів на підприємствах з агресивним виробничим середовищем, для збільшення їх довговічності та експлуатаційної надійності.

Для досягнення мети, що поставлена були вирішені наступні завдання:
1. Виконано аналіз причин руйнування металевих конструкцій та відмов механічного устаткування мостових кранів металургійного виробництва, які експлуатуються в умовах дії агресивного середовища;
2.Виконано аналіз типів муфт, що використовуються в мостових кранах, які працюють в умовах дії агресивного середовища;
3. Виконано oбґрунтування параметрів вибраного типу муфти;
Далі планується:
4. Усунути недоліки пружної муфти з гвинтовими пружинами, пов'язані з наявністю пластмасових елементів;
5. Виконати пошук марки матеріалу, що дозволить підвищити зносостійкість муфти в умовах даного виробництва;
6. Виконати пошук оптимального типу мастильного матеріалу.

4. Поточні результати

У технологічному ланцюгу виробництва продукції з кольорових металів був виділений процес пірометаллургіі.

Пірометалургійні процеси випалу, плавки, конвертування, рафінування, дистиляції протікають у плавильних цехах і супроводжуються значними виділеннями тепла і агресивних газів, серед яких переважає діоксид сірки. Відносна вологість повітря знаходиться в діапазоні від 50 до 80% при температурі 20-35 ° С. Ступінь агресивного впливу середовища оцінюється як середньо- і сильноагресивна при нормальному та вологому режимах приміщень.

На основі аналізу результатів досліджень можна зробити висновок про те, що експлуатаційна середа цехів з виробництва важких кольорових металів є агресивною по відношенню до мостових кранів, і характеризується підвищеною вологістю та наявністю кислих газів.
Рівні агресивного середовища характерізуються переліком факторів і величин агресивності (табл. 1).

Таблиця 1. Рівні агресивного середовища

Як видно з таблиці ступінь агресивності середовища залежить не тільки від величини параметрів, але й від сокупності їх впливу.

При досягненні відносної вологості повітря критичних значень, різко підвищується швидкість корозійних процесів. Для сталі критична вологість, залежно від складу середовища і стану поверхні, знаходиться в межах від 60 до 70%. Другим чинником, що впливає на корозію, є температура повітря.

Сухий пил за відсутності вологи і при низькій відносній вологості повітря не робить істотного корозійного впливу, але він діє як додаткове навантаження на конструкцію крана. У вологому середовищі пил може утворювати кислий або лужний розчин. В.І. Павлов, вивчаючи атмосферу медеелектролітних цехів, відзначає, що у внутрішньоцеховому середовищі міститься пил, що характеризується як сильнокислий, гігроскопічний, добре розчинний у воді. Хімічно активний пил створює у поверхні конструкцій зону підвищеної вологості і утримує кислоту. Досліджуючи вплив газоповітряного середовища плавильного цеху, вказують, що пил адсорбує вологу з повітря і сприяє прискоренню корозійних процесів навіть при відносно невеликій вологості.

Аналіз даних, отриманих в результаті проведеної експертної оцінки середніх напрацювань вузлів мостових кранів, що працюють в різних по агресивності середовищах, дозволив отримати реальну картину залежності ресурсів вузлів мостових кранів від агресивності експлуатаційного середовища (рис. 1) [4].

Малюнок 1 – Середні ресурси основних ремонтних комплектів мостового крану,
що працюють у різних за ступенем агресивності середовищах

З графіка видно, що найменші напрацювання у зубчастих муфт. Це свідчить про те, що вони найбільш підаються впливу речовин, що виділяються при отриманні кольорових металів. Зубчата пара муфти є ненадійним елементом - через силу тертя, що виникає при перекосі валів (мал. 2), відбувається швидке стирання зубів, а агресивне середовище в кілька разів прискорює цей процес. Тому є цілком доцільною заміна цих муфт, на більш надійні та стійкі до агресивного середовища [5].

Малюнок 2 – Механізм пересування мостового крану
(1 – двигун; 2 – редуктор; 3 – муфти)

Аналізуючи існуючі конструкції муфт, вибрали ті, що найбільше підходять за конструкцією і технічними параметрами, до умов роботи даного мостового крану. З огляду на основні параметри - це габарити, матеріал муфти, величина максимального переданого крутного моменту і можливість витримувати великі навантаження, найбільш оптимальним виявився вибір пружної муфти з гвинтовими пружинами [6, 7, 8, 9].

Малюнок 3 – Схема встановлення пружної муфты
(анімація: об'ъєм – 112 КБ; розмір – 325x149; кількість кадрів – 6; кількість циклів повторення – 7)

Фірма «Cardelis Kupplung» випускає муфти «Карделіс», представлені на мал. 4. Муфта складається з двох напівмуфт (1, 2), з'єднаних між собою циліндричними гвинтовими пружинами (3). Останні спираються на сегменти (4), що насаджуються на пальці (5).

Малюнок 4 – Муфта «Карделіс»

Ці муфти володіють наступними компенсуючими властивостями:
1) кутове зміщення валів до 2 °;
2) паралельне зміщення до 1% від зовнішнього діаметра муфти;
3) осьове зміщення до 5% від зовнішнього діаметра муфти;
4) кут закручування до 5 °. Остання величина може бути подвоєна шляхом застосування двох муфт з проміжним валом між ними.

Володіючи високою еластичністю, муфти пом'якшують поштовхи і удари навантаження і відрізняються відсутністю вільного ходу. Конструктивно муфти виготовляються як в комбінації з гальмівним шківом, зубчастими колесами, так і комбіновані [9].

Муфта з'єднує окремі секції трансмісійного вала, що є частиною механізму пересування крана (мал. 2). Діаметр валу d = 90 мм, максимальний обертовий момент на вихідному валу редуктора T_ном = 1353 Н·м [10, 11]. Керуючись цими даними, робимо розрахунок пружної муфти з гвинтовими пружинам.

Розміри і параметри муфти: М_ном = 1068 Н·м, В=184 мм, В₂ = 302 мм, D_A = 280 мм, D_N = 150 мм, z₂ = 72 мм.

Розрахункова схема представлена на малюнку 5.

Малюнок 5 – Схема зусиль, що діють в муфті з гвинтовими пружинами

Крутний момент, що передається муфтою:

(1)

де z – число сегментів на одній напівмуфті, – зусилля пружин 1, 2 (мал. 5), – кути між напрямками пружин і дотичних до кола, на якій розташовані центри пальців.

Зусилля пружини:

(2)

де – жорсткість пружини; – деформація пружини;

для пружин 1:

(3)

для пружин 2:

(4)

де – кут повороту напівмуфти; – попередня деформація пружини; R – див. мал. 5

(4)

6 секторів утворюють равнокутні треугольники, тому

(5)

Тоді, підставляємо значення у формули (3) и (4),

Звідси,

Отже, максимальний обертовий момент, що передається муфтою, дорівнює 3046 Н·м і входить в рамки допустимих значень (3046 Н·м > 1353 Н·м). Звідси випливає, що муфта здатна передавати крутний момент від приводу до ходових коліс мостового крану.

Також було проведено розрахунок основного елемента муфти – гвинтових пружин (мал. 6).

Малюнок 6 – Гвинтова пружина стиснення

Виходячи з основних параметрів муфти (зовнішнього діаметра, крутного моменту, числа провідних пальців на одній напівмуфті) вирахували осьове навантаження, що діє на пружини (11330 Н). Подальший розрахунок вели по цій силі. Визначили:

• діаметр дроту – 16 мм;
• крок пружини – 7 мм;
• кількість витків – 5,5;
• зазор між витками – 1,6 мм;
• зовнішній діаметр пружини – 60 мм.

Також виробили розрахунок пружини на міцність. Умова міцності виконується 621МПа < 1050МПа [13]

Коротке зведення отриманих результатів і основні висновки

Після проведеного аналізу причин руйнування металоконструкцій і механічної частини мостових кранів, були виявлені вузли мостового крану, які найбільш піддаються впливу агресивного середовища, ними виявилися зубчасті муфти. З метою замінити їх і тим самим удосконалити конструкцію мостового крана був проведений аналіз типів муфт, результат якого представлений в даній роботі. Однак обраний вид муфти також має деякі недоліки, які планується усунути в ході подальшої роботи, шляхом удосконалення конструкції і застосування більш зносостійких матеріалів для виготовлення муфти та її елементів зокрема.

ЛІТЕРАТУРА

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.

Примітка

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення – 1 грудня 2010. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Автобіографія