ДонНТУ   Портал магістрів

Лисицький Сергій Вікторович

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Кафедра "Механічне обладнання заводів чорної металургії"

Спеціальність Металургійне обладнання

Дослідження кінематики та енергосилових параметрів удосконаленного механізму повертання чаши шлаковозу з метою забезпечення рівномірного зливання розплаву

Науковий керівник: д.т.н., проф. Єронько Сергій Петрович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Аналіз існуючих конструкцій шлаковоза
• 2.1 Шлаковоз з гвинтовим механізмом кантування чаші
• 2.2 Зубчастий механізм кантування чаші шлаковоза
• 3. Опис запропонованої конструкції четырехзвенного механізму кантування чаші шлаковоза
• 4 Розрахункова частина
• 4.1 Синтез і кінематичне дослідження четырехзвенного механізму
• 4.2 Визначення координат центру тяжіння і об'єму рідини, що моделює шлак
• 4.3 Розрахунок моменту опору кантуванню чаші
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Кислородно-конвертерне виробництво сталі, в даний час, є одним з лідируючих, оскільки воно дозволяє в короткі терміни переплавляти передільний чавун у високоякісну сталь. Процес виплавки сталі супроводжується виходом побічних продуктів, одним з яких є шлак. На багатьох великих металургійних підприємствах утилізація шлаку досягає 70÷80% і більше. В даний час поставлене і вирішується завдання переробки всього металургійного шлаку в придатний для будівельної індустрії продукт і повної ліквідації на території заводів шлакових відвалів. Основну кількість шлаку гранулюють, деяку частину переробляють на щебінь, пемзу, шлаколіті вироби, мінеральну вату, мінеральні добрива. Грануляцію здійснюють на деякому віддаленні від печі або цеху [1].

Для прибирання шлаку від печей і транспортування його на переробку або у відвал застосовують шлаковози. До шлаковозів пред'являють наступні основні вимоги: форма чаші повинна сприяти безперешкодному виходу з неї затверділого шлаку на шлаковому відвалі; має бути виключено самовілне перекидання чаші, як при його кантуванні, так і при рухомому або зупиненому шлаковозі; має бути забезпечена поперечна стійкість шлаковоза при перекиданні чаші як навантаженої, так і порожньої; конструкція, форма і матеріал чаші, а також спосіб її кріплення повинні забезпечувати високу довговічність чаші; привід механізму кантування повинен допускати можливість регулювання швидкості зливу шлаку на грануляційних установках [1].

Тому було спеціально розроблено та досліджено за допомогою сучасних технічних засобів - кривошипно-шатунний механізм кантування чаші шлаковоза. При цьому вивчався процес кантування чаші, а саме, характер зміни моменту опору при кантуванні чаші.

1. Актуальність теми

Металургійні підприємства належать до найбільш великих народногосподарських об'єктів, що значною мірою визначають рівень економічного розвитку. З усього різноманіття техногенних утворень, що отримуються в металургійному виробництві, основний об'єм (до 80%) від загальної кількості твердих промислових відходів (ТПО) складають шлакові відвали. Переробка шлаків визначає практичну суть організації безвідходного металургійного виробництва.

Розташовані в міській смузі шлакові відвали порушують ландшафт територій, для розміщення відвалів відчужуються земельні угіддя, погіршується екологічна обстановка регіону.

Нині у більшості високорозвинених країн використання силікатної продукції металургійних підприємств досягає 90%. У будівельній індустрії використовуються їх в'яжучі властивості. Проте найцінніше, що знаходиться в шлаку, це метал. Способів витягання металу зі шлаків, які випробувані в промислових умовах, немає. Тому метал на підприємствах витягається тільки з твердих шлаків при первинній переробці на гранульованій установці і при вторинній - на подрібнювально-сортувальних установках.

Існуючі в даний момент часу механізми перекидання чаші шлаковоза не можуть забезпечити рівномірне зливання шлаку на гранульовані установки з метою отримання гранул з шлаку однакової фракції для зручності переробки на подрібнювальних установках.

Зіткнувшись з цим питанням, була знайдена відповідь при дослідженні і конструюванні фізичної моделі кривошипо-шатунного механізму кантування, який забезпечує рівномірне зливання шлаку на гранульовані установки, що забезпечує ефективнішу переробку шлаку з меншими витратами.

2. Аналіз існуючих конструкцій шлаковоза

Нині на підприємствах металургійного комплексу експлуатують шлаковози, що відрізняються не лише об'ємом чаш, але і конструкцією механізмів їх кантування.

2.1 Шлаковоз з гвинтовим механізмом кантування чаші

Гвинтовий механізм кантування чаші (рис. 2.1.), який змонтований на рамі, включає: електродвигун 14 змінного струму; одноступінчатий циліндричний редуктор 13; проміжний вал, сполучений з редуктором муфтою, який несе на собі шестерню 12; пару знаходящихся у зачепленні один з одним однакових циліндричних зубчастих коліс 11, одне з яких отримує обертання від шестерні 12; два паралельно розташованих, змонтованих на підшипниках кочення вантажних гвинта 10 з трапецеїдальним самогальмуючим різьбленням; дві гайки 9, що закріплені в траверсі 8, яка вільно закріплена (на втулці) на одній з цапф 6 опорного кільця. Шестерня 12 і колеса 11 закриті кожухом.

Через систему передач обертання від електродвигуна 14 перетворюється гвинтами 10 в поступальну ходу гайок 9 і траверси 8, а отже і опорного кільця з чашею. Знаходячись в зачепленні з нерухомими рейками 3, зубчасті сектори 5 при цьому обкатуються по них і приводять в обертання опорне кільце з чашею.

Таким чином, при русі катків 7 по направляючих 4 відбувається перекидання чаші при одночасному переміщенні її від середини рами шлаковоза до краю. У міру наближення чаші до краю рами, кут повороту чаші зростає досягаючи 116÷118 град за 1,3÷1,5с. Перекидання можна робити в обидві сторони. Виключення електродвигуна при досягненні чашею крайніх положень здійснюється командоапаратом 1, який пов'язаний з нижнім гвинтом 10 за допомогою кинематичной черв'ячної передачі 2. Розглянутий механізм має малий термін служби гвинтів і гайок у зв'язку з важкими умовами їх роботи [2].

2.2 Зубчастий механізм кантування чаші шлаковоза

У цьому типі конструкції шлаковоза кантування чаші відбувається через зубчасті передачі (рис. 2.2.). Від фланцевого електродвигуна 1 через самотормозящийся редуктор 2 з консольною шестернею 10 обертання передають зубчастому сектору 3, який чітко закріплений на цапфі 7 опорного кільця 4 чаші. Сектор 3 і опорне кільце разом з іншим зубчастим сектором 5, який виконаний разом з катком 6, переміщають шляхом обкатування сектором 5 і катком 6 нерухомих зубчастих і гладких сегментів 11, які встановлені на стойках лафета 13. При цьому забезпечують переміщення опорного кільця з чашею в перпендикулярному напрямі відносно осі залізничної колії і повороту чаші на кут до 118?.

Постійність міжцентрової відстані між віссю вихідного валу редуктора 2 і віссю цапф 7 опорного кільця 4 при кантуванні забезпечується водилами 12, які закріплені на цапфах 7 опорного кільця 4 і сполучені з осями 14 лафета 13 [2].

3. Опис запропонованої конструкції чотирьохланкового механізму кантування чаші шлаковоза

Кінематична схема чотирьохланкового механізму кантування чаші шлаковоза приведена на рисунку 3.1. Від мотор-редуктора 1 передається крутильний момент на кривошип 2, який жорстко закріплений на вихідному валу мотор-редуктора. Кривошип 2 через шатун 3 передає зусилля на важіль 4, який жорстко закріплений на цапфі чаші шлаковоза. У наслідку повороту важеля 4 відбувається кантування чаші, при цьому чаша переміщається на деяку відстань перпендикулярно залізничним коліям. При кантуванні чаші зубчасте колесо 5 і ролик 6, що жорстко закріплені на цапфі чаші, переміщаються відповідно по рейці 7 і доріжці 8, які встановлені на рамі шлаковоза. Слід зазначити, що при повному оберті кривошипа 2 відбувається повний цикл кантування чаші, а саме як кантування, так і повернення чаші в початкове положення.

4 Розрахункова частина

4.1 Синтез і кінематичне дослідження чотирьохланкового механізму

Метою синтезу чотирьохланкового механізму є визначення геометричних розмірів ланок і координат центру осі обертання кривошипа. Це завдання можна вирішити графічним шляхом з використанням програми "Компас 10" (мал. 4.1). Для цього, заздалегідь знявши необхідні геометричні виміри з моделі шлаковозной візка, малюємо в "Компасі 10" спрощений вид візка. Далі задаємося, виходячи з конструктивних міркувань, довжини: кривошипа l₁ , шатуна l₂ і важеля l₃, а також враховуємо те, що центр цапфи чаші при вертикальному розташуванні чаші φ=0° розташований на одній осі з вихідним валом редуктора, на якому жорстко закріплений кривошип. Оскільки центр осі цапфи під час кантування зазнає горизонтальне переміщення, а важіль жорстко закріплений на цапфі опорного кільця чаші, то при повороті чаші на певний кут - важіль теж буде обертатися на цей кут. Знаючи, що початковий кут повороту φ₀=0°, а кінцевий φ_к=120°, – розбиваємо механізм повороту на чотири положення при переміщенні кута повороту чаші на 30°.

Отримані розміри: l₁ =1000мм, l₂ =2200мм, l₃ =1370мм.

Кінематичний аналіз механізму включає визначення швидкостей і прискорень точок ланок, кутових швидкостей повороту чаші і обертання кривошипа, побудову графіків їх залежності від кута повороту чаші і планів швидкостей і прискорень.

При куті повороту чаші φ₁=0° положення ланок механізму показано на рис.4.2 .

Кутову швидкість повороту чаші можна визначити з формули:

де φ₁ – кут повороту чаши;

t – час за який чаша обертаеться на цей кут.

При куті повороту чаши φ₁=30° час цього поворота дорівнює:

де t_к – вчас кантування чаші, задаємося t_к=75с.

Тоді кутова швидкість при цьому куті повороту рівна [5]:

Швидкість т. В можна розкласти на переносну разом з центром осі цапфи і відносну, яка викликана обертанням відносно МСЦ. Векторна формула матиме наступний вигляд [5]:

Відомо, що вектор відносної швидкості т.В буде спрямований перпендикулярно СВ, а вектор переносної швидкості - паралельно переміщенню осі цапфи. Значення цих швидкостей можна визначити по формулах:

R – радіус зубчастого колеса, R=0,62м;

l₁ – довжина важеля, l₁=1м,

Будуємо план швидкостей для цього положення важелів (рис.4.3). Приймаємо масштабний коефіцієнт μ=2·10^-3 (м/с)/мм . Вектори переносної і відносної швидкостей т.В виходитимуть з полюса Рv згідно зі своїми напрямами мають довжину [5]:

Будуємо вектор швидкості т. В склавши вектори переносної і відносної швидкостей. Вимірявши його довжину визначаємо значення швидкості т.В :

Для визначення швидкості т.А складемо інше векторне рівняння [5]:

де – вектор швидкості т. А, який спрямований перпендикулярно ОА;

– вектор швидкості т.В относительно т.А, відносно т.А, який спрямований перпендикулярно ВА.

Проводимо з полюса пряму, що перпендикулярна ОА, а з кінця вектору пряму перпендикулярну ВА, і в місці їх перетину буде кінець вектору швидкості і початок вектору швидкості . Замірявши довжини цих векторів, можемо визначити їх значення:

Кутову швидкість кривошипа визначимо з формули [5]:

де l₃ – довжина кривошипа, l₃=1,37 м.

Прискорення т.А векторно можна розкласти [5] на нормальне і тангенціальне:

Оскільки кутова швидкість кривошипа постійна ω=const, то тангенціальне прискорення т.А:

Отже:

Будуємо план прискорень для цього положення важелів (рис. 4.4). Приймаємо масштабний коефіцієнт . Вектор прискорення т. А виходитиме з полюса Pa і спрямований паралельно ОА від А до О. Його величину визначимо з формули:

Вектор прискорення т.В, який належить шатуну, можна представити у вигляді векторної суми [5]:

де – вектор прискорення т.В відносно т.А нормальне, яке спрямоване паралельно ВА від В до А;

– вектор прискорення т.В відносно т.А тангенціальне, яке спрямоване перпендикулярно ВА.

Нормальне прискорення т.В відносно т.А дорівнює:

Будуємо вектор нормального прискорення т.В відносно т.А на плані прискорень. Він виходить з кінця вектору і дорівнює:

Крім того, вектор прискорення т.В, який належить важелю, можна розкласти на наступну суму векторів :

де – вектор нормального прискорення т.В відносно МСЦ, спрямований паралельно ВМ від В до М;

– вектор тангенціального прискорення т.В відносно МСЦ, спрямований перпендикулярно ВМ.

Нормальне прискорення т.В відносно МСЦ визначимо по формулі:

де l_BM – відстань від т.В до МСЦ, l_BM=1,40003 м.

Будуємо вектор нормального прискорення т.В відносно МСЦ на плані прискорень. Він виходить з полюса і рівний:

Проводимо з кінця вектору пряму, яка перпендикулярна ВМ. У точці їх перетину буде кінець вектору прискорення т.В. Вимірявши довжини векторів і , можемо вичислити їх значення:

Значення кутових швидкостей, швидкостей і прискорень для інших положень механізму обчислюються аналогічно, їх величини приведені в таблиці 4.1.

Таблица 4.1 – Значення кутових швидкостей, швидкостей і прискорень для усіх положень механізму.

φ, град	ω, рад/с	ωк, рад/с	VВпер, м/с	VВотн, м/с	VВ, м/с	VВ-А, м/с	VА, м/с
30°	0,0196	0,0174	0,0238	0,0174	0,0366	0,0329	0,0269
60°	0,0286	0,0233	0,0318	0,0232	0,0538	0,0385	0,0393
90°	0,0336	0,0262	0,0359	0,0262	0,062	0,0339	0,04606
120°	0,0356	0,0279	0,0382	0,0279	0,0631	0,0252	0,0489

φ, град	аА, м/с2	аnВ-А, м/с2	аτВ-А, м/с2	аnB-M, м/с2	аτВ-M, м/с2	аА, м/с2
30°	0,000526	0,000492	0,000402	0,000959	0,000182	0,000976
60°	0,00112	0,000672	0,000785	0,00189	0,000668	0,002004
90°	0,00155	0,000521	0,00127	0,00247	0,001137	0,00278
120°	0,00173	0,00028	0,00153	0,00266	0,00189	0,00327

Графіки залежності кутової швидкості кантування, швидкостей т.А і т.В і прискорень т.А і т.В від кута повороту кривошипа показані на малюнках 4.5 – 4.7.

Рисунок 4.5 – Графік залежності кутової швидкості кантування від кута повороту кривошипа

Рисунок 4.6 – Графіки залежності швидкості т.А і т.В від кута повороту кривошипу

Рисунок 4.7 – Графіки залежності прискорень т.А і т.В від кута повороту кривошипа

4.2 Визначення координат центру тяжіння і об'єму рідини, що моделює шлак

Для визначення координат центру тяжіння і об'єму шлаку була застосована програма "Компас V 10". За її допомогою була побудована тривимірна модель, що зображує рідину, яка знаходиться в шлаковозній чаші. Для побудови цієї моделі були заздалегідь виміряні внутрішні розміри чаші.

Рисунок 4.8 – Тривимірна модель шлакової чаші

Рисунок 4.9 – Тривимірна модель об'єму шлаку

Програма "Компас 10" дозволяє легко визначити координати центру тяжіння і отриманої тривимірної моделі рідини. Оскільки при кантуванні чаші об'єм і координати центру тяжіння змінюються, то наступним кроком було моделювання цього процесу. Для цього була побудована січна площина, що відсікає частину тривимірної моделі і тим самим моделює процес кантування чаші. Цією площиною з інтервалом 10° відсікалася частина рідини від 0° до 80°. Таким чином, отримали дев'ять форм тривимірної моделі рідини, для кожної з яких були визначені і занесені в таблицю 3.2 координат центру тяжіння і об'єм.

Таблиця 4.2 – Координати центру тяжіння і об'єм рідини, що моделює шлак

φ, град	Хс, м	Yc, м	Zc, м	V, м3	m, кг
0°	0	0	1,3806	10,8	32421,06
10°	0,081988	0	1,234255	8,849035	26547,10
20°	0,192473	0	1,100021	6,918878	20756,66
30°	0,335817	0	0,987825	5,060027	15180,08
40°	0,516531	0	0,913928	3,343069	10029,21
50°	0,7347957	0	0,903395	1,879688	5639,06
60°	0,998836	0	1,01325	0,78817	2364,51
70°	1,252455	0	1,261137	0,199752	599,25
80°	1,452758	0	1,678588	0,014481	43,44

На рисунку 4.10 показано, як виглядав переріз тривимірної моделі рідини січною площиною під кутом 10°.

Рисунок 4.10 – Переріз моделі об'єму рідини січною площиною

Для визначення координат центру тяжіння і об'єму чаші була застосована програма "Компас 10". З її допомогою була побудована тривимірна модель, що зображує футеровану чашу, в якій знаходиться шлак, (рисунок 4.8). Отримуємо дані: Х_ч=0м; Y_ч=1.3884м; m=18056,607кг.

Визначимо координати центру тяжіння шлакової чаші і шлаку при різних кутах кантування чаші [3]:

де – координати центру тяжіння шлаку,

– координати центра тяжіння чаши,

– маса шлаку,

– маса чаші.

При куті φ=0° маємо координати:

при куті φ=10°:

при куті φ=20°:

при куті φ=30°:

при куті φ=40°:

при куті φ=50°:

при куті φ=60°:

при куті φ=70°:

при куті φ=80°:

4.3 Розрахунок моменту опору кантуванню чаші

Момент опору кантуванню чаші визначаємо з формули [1,3]:

Момент опору кантування чаші залежний від сили тяжіння дорівнює:

де G_o – сила тяжіння чаши зі шлаком;

X_o, Y_o – координати центра тяжіння шлакової чаши и шлака;

φ – кут кантування;

h – відстань від центру тяжіння чаші з шлаком і опорним кільцем, до осі обертання чаші, h=1,303м.

Визначимо силу тяжіння шлаку і чаші для кожного положення [1,3]:

де m_Mi, m_ч – маса шлаку та чаши;

g – прискорення вільного падіння.

При φ=0°:

при φ=10°:

при φ=20°:

при φ=30°:

при φ=40°:

при φ=50°:

при φ=60°:

при φ=70°:

при φ=80°:

Визначимо момент опору кантуванню чаші [1,3]:

при φ=0°:

при φ=10°:

при φ=20°:

при φ=30°:

при φ=40°:

при φ=50°:

при φ=60°:

при φ=70°:

при φ=80°:

Момент опору кантування чаші, який залежний від сил тертя, [3]:

Момент опору сил тертя, що виникають в зубчастому зачепленні між шестернею і зубчастою рейкою [3]:

де d_ш – діаметр шестерні;

ƒ – коефіцієнт тертя.

При φ=0°:

при φ=10°:

при φ=20°:

при φ=30°:

при φ=40°:

при φ=50°:

при φ=60°:

при φ=70°:

при φ=80°:

Момент опору сил тертя, що виникають при перекочуванні катка [3]:

де d_кат – діаметр катка;

k – коефіцієнт тертя кочення катка, k=10^-4 м [4].

При φ=0°:

при φ=10°:

при φ=20°:

при φ=30°:

при φ=40°:

при φ=50°:

при φ=60°:

при φ=70°:

при φ=80°:

Отримані моменти тертя складаємо:

при куті φ=0°:

при куті φ=10°:

при куті φ=20°:

при куті φ=30°:

при куті φ=40°:

при куті φ=50°:

при куті φ=60°:

при куті φ=70°:

при куті φ=80°:

Таблиця 4.3 – Результати обчислень сил і моментів

φ, град	Go, H	MA, Hм	Mтр.1, Нм	Mтр.2, Нм	Mтр, Нм
0°	495185,9	0	1287,48	123,79	1411,27
10°	437562,4	20477,92	1137,66	109,39	1247,05
20°	380757,88	28023,77	989,9704	95,189	1085,159
30°	326051,91	27290,54	847,73	81,52	929,25
40°	275521,83	24025,5	716,35	68,88	785,23
50°	232454,54	20758,19	604,38	58,11	662,49
60°	200331,15	18831,12	520,86	50,08	570,94
70°	183014,01	16471,26	475,83	45,753	521,59
80°	177561,48	15142,44	461,65	44,39	506,05

Графік залежності моменту опору кантування моделі чаші від кута її повороту показаний на рисунку 4.11

Рисунок 4.11 – Графік залежності моменту опору кантуванню від кута повороту моделі чаші

На рисунке:

M_A – момент опору кантування чаші, залежний від сили тяжіння чаші з шлаком;

M_тр – момент опору кантування чаші, залежний від сил тертя;

M^*=M_Σ(φ) – сумарний момент опору кантування чаші.

Висновки

У цій магістерській роботі з використанням математичного моделювання була виконана реконструкція механізму кантування чаші шлаковозного візка, з электро-механическим приводом. Кінематичне дослідження цього механізму дозволило знайти залежності кутових швидкостей, швидкостей і прискорень, точок ланок механізму, залежних від кута повороту кривошипа. Так само був розрахований момент опору при кантуванні чаші шлаковоза.

При написанні данного реферату магістерська робота ще не булла завершена. Остаточне завершення: 31 січня 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника, після зазначеної дати

Перелік посилань

1. Машины и агрегаты металлургических заводов: В 3 т. /А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребенник и др. Т.1. – М.: Металлургия, 1987. – 440 с.
2. Механическое оборудование металлургических заводов. Механическое оборудование фабрик окускования и доменных цехов. В.М. Гребенник, Д.А. Сторожик, Л.А. Демьянец и др. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. – 312 с.
3. Расчет металлургических машин и механизмов / В.М. Гребенник, Ф.К. Иванченко, В.И. Ширяев – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. – 448 с.
4. Расчеты грузоподъёмных и транспортирующих машин. Учебник для вузов / Ф.К. Иванченко, В.С. Бондарёв, Н.П. Колесник, В.Я. Барабанов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Киев.: Высшая школа, 1978. – 576 с.
5. Попов С.А., Тимофеев Г.А. / Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. – М.: Высшая школа, 1999. – 351 с.

Резюме Біографія