Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
- 3. Описание конструкции наклонного моста скипового подъемника
- 4. Характерные дефекты и повреждения металлоконструкций
- 5. Анализ напряженно–деформированного состояния наклонного моста
- 6. Определение собственных частот и форм колебаний конструкций
- 6.1 Определение соственных частот колебаний методом конечных элементов
- 6.2 Выполнение модального анализа в ANSYS
- 6.2.1 Геометрическая модель моста
- 6.2.2 Выполнение модального анализа в пакете ANSYS
- Выводы
- Список источников
Введение
Подача шихтовых материалов на некоторых доменных печах осуществляется при помощи скипового подъемника. В состав этого устройства входят: наклонный мост, скипы, канат, отклоняющие блоки и скиповая лебедка в качестве привода. Скиповая лебедка расположена в машинном зале доменной печи и работает в повторно-кратковременном режиме постоянно.
Надежная работа скипового подъёмника является одним из факторов, определяющих непрерывное протекание технологического процесса производства чугуна. Среди множества параметров, обеспечивающих безотказную работу скипового подъёмника, следует выделить качество технического обслуживания и ремонта, которое во многом определяется уровнем подготовки персонала и степенью разработки нормативно технической документации. Длительные сроки эксплуатации подъёмника приводят к появлению и развитию неисправностей, устранение которых требует продолжительной остановки доменной печи.
В настоящее время основным направлением повышения качества обслуживания, обеспечивающего безотказность скипового подъёмника, являются разработка карт осмотров и оценивание рисков возникновения отказов элементов конструкции.
Разносторонняя информация о напряженно-деформированном состоянии металлоконструкций скипового подъемника, уяснение факторов которые его обуславливают, во многом будет способствовать эффективному решению указанных задач.
1. Актуальность темы
Для работы доменной печи требуется бесперебойная подача шихтовых материалов к загрузочному устройству. К машинам для подачи шихтовых материалов предъявляют жесткие требования задержка в загрузке материалов даже на короткое время влечет за собой перевод печи на тихий ход или полную её остановку. Поэтому эти машины должны иметь высокую производительность, повышенную эксплуатационную надёжность и обеспечивать возможность полной автоматизации процесса загрузки печи.
Одним из основных способов подачи шихтовых материалов в доменную печь является скиповый, при котором доставка шихты на колошник и загрузка её в приемную воронку засыпного аппарата выполняется при помощи скипового подъемника. В состав этого устройства входят: наклонный мост, скипы, канат, отклоняющие блоки и скиповая лебедка в качестве привода [1].
В ходе работы подъемника на металлоконструкцию моста оказывается воздействие динамических нагрузок, которые вызывают возникновение колебаний. Исследование прочности наклонного моста подъёмника, изучение напряжений и деформаций, возникающих из-за действия вибраций, является важной задачей.
Анализ литературных источников [2] показал, что отказы скиповых подъемников образуют третью по величине группу аварий (после металлоконструкций печи и воздушных фурм), что составляет около 13% всех неполадок и 8,5% общего времени простоев. Доля отказов наклонного моста относительно мала, но ликвидация последствий его аварий вызывает значительные потери (рисунок 1).
Рисунок 1 – Соотношение временных затрат на восстановление работоспособности скипового подъемника в зависимости от места возникновения аварии
Именно данный элемент конструкции скипового подъемника должен характеризоваться высокими показателями надежности, так как он не имеет резервирования, испытывает постоянное нагружение, причем нагрузки изменяются в широком диапазоне и являются знакопеременными, его ремонт требует значительных затрат времени и трудовых ресурсов, отдельные участки находятся на высоте. Поэтому вопросы, связанные с обеспечением работоспособности наклонного моста, являются актуальными. Для разработки мероприятий по техническому обслуживанию, выбора диагностических параметров для оценки технического состояния наклонного моста нужна информация о возможных местах зарождения дефектов в металлоконструкциях, закономерностях их развития. Такую информацию можно получить путем математического моделирования напряженно-деформированного состояния наклонного моста с использованием метода конечных элементов.
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Цель моей работы исследование напряженно-деформированного состояния наклонного моста скипового подъемника доменной печи. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- Проанализировать конструкцию наклонного моста скипового подъемника.
- Выполнить анализ видов и причин неисправностей металлоконструкции наклонного моста.
- Разработать геометрические двух- и трехмерные модели наклонного моста.
- Определить силы, действующие на металлоконструкцию наклонного моста при движении скипов, и оценить вызываемые ими напряжения.
- Выполнить вибрационный анализ металлоконструкции (определение частот собственных колебаний и вынужденных колебаний).
3. Описание конструкции наклонного моста скипового подъемника
Наклонные мосты скиповых подъёмников бывают двух типов: с решетчатыми фермами и со сплошными балками.
В настоящее время все мосты доменных подъемников изготавливают сварными, так как они экономичнее клепаных.
Балочные мосты менее подвержены механическим колебаниям. Но, так как они значительно тяжелее решетчатых, то на всех новых печах ставят решетчатые сварные мосты.
Мост размещен на двух опорах, из которых одна расположена внизу – на стенке скиповой ямы, а другая – на пилоне. Верхняя часть моста представляется собой консоль. На мосту устраивают площадки и опоры для блоков скиповых канатов и канатов конусов, а также поворотный кран для ремонта блоков. Угол наклона мостов принимается равным 47–54°; угол наклона пути в скиповой яме 58–61°.
Плоская опорная колонна в достаточной степени гибкая и потому допускает продольные деформации моста.
Наклонный мост представляет собой пространственную металлоконструкцию, состоящую из двух боковых вертикальных ферм, которые соединены между собой поперечными связями.
Ферма состоит из нижнего и верхнего пояса, стоек и раскосов. Все эти элементы выполняются из уголков.
Боковые фермы в нижнем поясе соединяются за счет швеллера, в верхнем – уголков и стяжек, выполненных из полосы.
Часть моста для передвижения скипов состоит из поперечных балок, связанных с нижними поясами вертикальных ферм. На поперечные балки укладывают двутавровые балки, на которых закрепляют рельсы. Чтобы предупредить сход скипов с пути, устанавливают контррельсы. Нижнюю часть моста подшивают стальными листами, для защиты от материалов, которые могут высыпаться из скипа.
Верхнюю опорную колонну (пилон) выполняют плоской в виде решетчатой фермы. Материалом для элементов наклонного моста служит сталь марки Ст.3 [3].
На рисунках 3.1 (а, б) и 3.2 (а, б) показаны разные варианты конструктивного исполнения наклонного моста.
Рисунок 3.1 – Наклонный мост с решетчатой фермой
Рисунок 3.2 – Наклонный мост со сплошными балками
4. Характерные дефекты и повреждения металлоконструкций
По данным [4] наиболее характерными дефектами и повреждениями металлоконструкций различного оборудования и сооружений являются:
Приведенные выше повреждения могут проявляться в металлоконструкциях наклонного моста, но для более точного их выявления следует воспользоваться моделированием – математическим и физическим, т.к. основными причинами, способствующими развитию повреждений и снижающими безотказность и долговечность металлоконструкций моста, являются интенсивность нагружения, условия работы и длительный срок эксплуатации.
5. Анализ напряженно–деформированного состояния наклонного моста
Так как металлоконструкция наклонного моста находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, то вначале задача была рассмотрена в двумерной постановке. Конструкция моста была сведена к плоской однопролетной консольной ферме с подвижной А и неподвижной В опорами. Для создания конечно-элементной модели моста использовались балочные элементы типа BEAM188. Общее количество элементов составило 236. Характеристики поперечного сечения балочных элементов соответствовали однополочным уголкам №10, 16 и 20 (ГОСТ 8510-72).
В качестве нагрузок использованы сосредоточенные силы, возникающие при установившемся режиме перемещения скипов вдоль моста, (рисунок 5.1а). Для нахождения статических сил был рассмотрен типовой график движения скипа, заполненного агломератом, определены усилия в канатах и реакции в скатах скипа. Полученные значения сил прикладывались вдоль трассы наклонного моста. В процессе моделирования было рассмотрено 6 вариантов нагружения, расположение точек приложения сил показано на рисунке 5.1б. Точки №1–№4 находятся в пролете фермы, №5–№6 – в консольной части.
Рисунок 5.1 – Типовая расчетная схема наклонного моста (а) и схема расположения точек приложения сил (б)
В качестве результатов моделирования анализировались картины деформированного состояния (рисунок 5.2), эпюры продольных и поперечных сил, эпюры изгибающих моментов (рисунок 5.3), а также распределение напряжений, вызванных данными силовыми факторами. В таблице 1 приведены значения максимальных смещений конструкции моста в горизонтальном и вертикальном направлениях [7].
Рисунок 5.2 – Картины деформированного состояния наклонного моста
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 140 килобайт)
| Номер расчетной схемы | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Расстояние до точки приложения нагрузки, м | 8,2 | 16,2 | 28,1 | 36,1 | 48,6 | 57,1 |
| Максимальное смещение по оси Х, мм | 16,2 | 26,4 | 25,6 | 15,7 | 30,6 | 69,4 |
| Максимальный прогиб пролета по оси Y, мм | -10,2 | -17,5 | -17,0 | -9,6 | 4,5 | 13,1 |
| Максимальный прогиб консоли по оси Y, мм | 8,4 | 14,9 | 16,9 | 10,8 | -18,6 | -47,0 |
Рисунок 5.3 – Эпюры продольных сил (а), поперечных сил (б) и изгибающих моментов (в) для расчетных схем №1, 4, 6
На следующем этапе исследований планируется выполнить моделирование напряженно-деформированного состояния в трехмерной постановке для большего приближения к реальному объекту исследований и более детального выявления мест концентрации напряжений.
6. Определение собственных частот и форм колебаний конструкций
Одной из составляющих прочности наклонного моста выступает его устойчивость, связанная с возникновением и распространением собственных и вынужденных колебаний в металлоконструкциях. Существует два подхода к определению собственных частот и форм колебаний (модальный анализ): расчетный, например, методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе ANSYS, и экспериментальный метод – голографическая интерферометрия. Зная вид формы колебаний и соответствующую ей частоту, можно существенно уменьшить амплитуды вибраций, изменить собственные частоты путем введения дополнительных конструктивных элементов или замены материала [5].
6.1 Определение собственных частот колебаний методом конечных элементов
Собственными (свободными) колебаниями называются колебания, которые происходят в системе в отсутствие переменных внешних воздействий и возникают вследствие начального отклонения одного из параметров системы от состояния равновесия.
Собственная частота колебаний любой конструкции определяется по формуле:
где С – жесткость конструкции,
m – масса конструкции.
Модальный анализ проводится для определения частот и форм (мод) собственных колебаний конструкций. Также модальный анализ может быть первым шагом для других видов динамического анализа, таких, как анализ переходных процессов, гармонический и спектральных анализ.
Модальный анализ предполагает, что система является линейной. Все виды нелинейности – нелинейное поведение материала, контактные граничные условия, конечные перемещения – игнорируются. Контакты, в зависимости от своего исходного состояния, остаются открытыми или закрытыми.
Предполагается, что внешние силы и демпфирование равны нулю. Уравнение свободных колебаний конструкции в матричной форме имеет вид:
Для линейной системы свободные колебания являются гармоническими и могут быть записаны в виде:
где{φ}i – i-й собственный вектор, представляющий форму (моду) колебаний на i-й собственной частоте;
ωi – i-я собственная круговая частота (радиан в единицу времени);
t – время.
Подставляя (3) в (2), получим:
Для сложных конструкций решение уравнения (4) выполняется численными методами, чаще всего методом конечных элементов (МКЭ), который используется в современных прикладных пакетах компьютерного моделирования при выполнении прочностного, термического и других видов анализа [6].
6.2 Выполнение модального анализа в ANSYS
Модальный анализ в прикладном пакете ANSYS [9, 10] выполняется в следующей последовательности:
- Построение геометрической модели исследуемого объекта.
- Задание механических свойств материала.
- Генерация сетки из конечных элементов в пределах геометрической модели.
- Задание граничных условий.
- Решение уравнения (4).
- Анализ результатов.
Следует отметить, что пакет ANSYS включает различные модули, с помощью которых можно выполнить модальный анализ конструкции. А именно, ANSYS Multiphysics – основной программный продукт ANSYS, который включает расчетные возможности всех инженерных дисциплин, а также ANSYSWorkbench – единую интерактивную среду, интегрирующую различные программные продукты и имеющую дружественный для пользователя интерфейс [8]. В ходе исследования при поиске решения поставленной задачи использовались оба указанных модуля.
6.2.1 Геометрическая модель моста
Для построения 3D модели наклонного моста скипового подъемника использовались рабочие чертежи Донецкого металлургического завода. Построение выполнялось в системе автоматизированного проектирования КОМПАС. Наклонный мост был условно разделен на 2 фермы 1, трассу 2, поперечные связи 3 (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 – Геометрическая трехмерная модель наклонного моста
Каждая ферма состоит из: нижнего пояса 1, верхнего пояса 2, стоек 3, раскосов 4, накладок 5 (рисунок 6.2).
Рисунок 6.2 – Ферма наклонного моста
Нижний пояс представляет собой сдвоенные уголки №16, которые свариваются между собой при помощи накладок выполненных из полосы.
К накладкам также привариваются стойки и раскосы в нижней и верхней части. Они представляют собой сдвоенные уголки №16. Расстояние между стойками и их длина увеличиваются при продвижении вдоль трассы наклонного моста.
Верхний пояс состоит из сдвоенных уголков №16, которые привариваются к верхним накладкам. При этом вначале трассы уголки располагаются горизонтально, а затем с углом наклона 5°. Данный компонент модели был создан с помощью команды Кинематическая операция
.
Фермы соединяются между собой при помощи швеллеров в нижней части, а также поперечных уголков и полос в верхней. Уголки и полосы привариваются к верхнему поясу при помощи накладок.
Швеллеры создавались на основе эскиза с помощью команды Операция выдавливания
.
Соединение компонентов геометрической модели проводилось командами сопряжения – На расстоянии
и На месте
. В последнем случае соответствующая деталь создавалась непосредственно в сборке. Этот прием использовался для поперечных уголков, полос и накладок верхнего пояса.
Трасса представляет собой прямой участок и участок разгрузки. На прямом участке рельс крепят к двутавровой балке, которая крепится к швеллеру.
Разгрузочные кривые были созданы непосредственно в сборке с помощью команды Кинематическая операция
. Для этого в средней плоскости каждого рельса, расположенного на прямом участке, был выполнен эскиз, соответствующий чертежу верхнего и нижнего криволинейного участка, а в перпендикулярной плоскости спроецирован эскиз, содержащий контур поперечного сечения рельса.
Разгрузочные кривые соединены со стойками посредством кронштейнов, которые представляют собой прямоугольные пластины. Данные детали также создавались в сборке с помощью операции выдавливания эскизов, представляющих собой прямоугольники.
Общее количество компонентов модели наклонного моста составило 386. Масса всего объекта равна 70 т, что соответствует данным чертежей, т.е. можно считать, что созданная 3D модель адекватно представляет реальную конструкцию.
Далее модель импортировалась в пакет ANSYSWorkbench.
6.2.2 Выполнение модального анализа в пакете ANSYS
Для сокращения длительности вычислений геометрическая модель наклонного моста выполнена в виде трехмерной каркасной структуры. Для этого в соответствии с чертежом вначале задавались координаты характерных точек, соответствующих местам сварных соединений стоек, раскосов, нижнего и верхнего пояса ферм. Далее с помощью отрезков выполнялось соединение этих точек. Вид каркасной модели показан на рисунке 6.3.
Рисунок 6.3 – Геометрическая каркасная модель наклонного моста
Создание конечно-элементной модели было выполнено путем задания количества элементов на каждом линейном компоненте. Полученная модель приведена на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 – Конечно-элементная модель наклонного моста: а) с отображением формы поперечного сечения элементов; б) с цветовым отображением элементов разной формы
Результаты расчета в виде форм колебаний для 1-й, 4-й и 7-й собственных частот представлены в таблице 6.1. Следует отметить, что полученные значения частот составляют около 1 Гц, т.е. находятся в низкочастотной области.
Можно заметить, что колебания на первой собственной частоте характеризуются отклонением конструкции по оси Х, при чем нижняя часть моста, находящаяся в скиповой яме перемещается в положительном направлении, а верхняя, расположенная возле колошника печи, отклоняется в противоположную сторону, что будет вызывать в боковых фермах напряжения растяжения-сжатия.
Колебания на четвертой собственной частоте характеризуются вытягиванием конструкции по оси Y, что будет вызывать в боковых фермах напряжения растяжения.
Колебания на седьмой собственной частоте характеризуются закручиванием конструкции в верхней и нижней части, что будет вызывать в боковых фермах напряжения кручения.
По результатам расчета видно, что собственные частоты металлоконструкции наклонного моста не велики и не должны резонировать с частотами, вызываемыми скипами при их движении. Для окончательного вывода планируется выполнить расчет вынужденных колебаний конструкции.
| 1 |  |
 |
| 2 |  |
 |
| 3 |  |
 |
Выводы
Проведенные с помощью математического моделирование исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций наклонного моста доменной печи показали, что элементы конструкции испытывают максимальное нагружение при нахождении гружёного скипа в середине пролета и в крайней точке консоли фермы. В целом, максимальные напряжения, возникающие в продольном направлении элементов моста, изменяются от 46 до 98 МПа, а в поперечном – от 9 до 56 МПа, что не превышает допустимых значений. Характер напряжений изменяется по мере продвижения скипа. При движении скипа в пролёте моста его верхний пояс работает на сжатие, а нижний – на растяжение. При прохождении скипом консольной части моста наоборот: верхний пояс испытывает напряжения растяжения, а нижний – сжатия.
Несмотря на то, что напряжения, возникающие в элементах наклонного моста скипового подъемника в результате действия статических сил, не превышают допустимых значений, их знакопеременный характер способствует зарождению повреждений в металлоконструкциях.
Основными причинами возникновения и развития повреждений являются динамические нагрузки, вызывающие колебания. Поэтому на втором этапе выполнено моделирование устойчивости наклонного моста на его трехмерной модели.
По результатам расчета для пространственной конструкции видно, что собственные частоты металлоконструкции наклонного моста не велики и не должны резонировать с частотами, вызываемыми скипами при их движении. Для окончательного вывода планируется выполнить расчет вынужденных колебаний конструкции.
Список источников
- Целиков, А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов.: В 3-х томах. Т. 1. Машины и агрегаты доменных цехов. Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1987. – 440 с.
- Правила технической эксплуатации механического оборудования доменных цехов. – Гос.комитет промышленной политики Украины, 2000. – 323 с.
- Щиренко, Н.С. Механическое оборудование доменных цехов – Учебное пособие. – М.: Металлургиздат, 1962. – 524 с.
- Характерные дефекты и повреждения металлических конструкций
- Сайт Национального Исследовательского Ядерного Университета
МИФИ
- Леонтьев, Н.В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации
Информационные системы в математике и механике
. Нижний Новгород, 2006, 101с. - Свичканев, А.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния наклонного моста скипового подъемника доменной печи / А.И. Свичканев, Е.В. Ошовская, В.А. Сидоров // Технологические машины и оборудование: материалы XVIІІ Республиканской научно-технической студенческой конференции, 26–28 ноября 2019 г., Донецк – Донецк: ДонНТУ, 2018, 146 с. – c. 93–98.
- Программный пакет ANSYS
- Иванов Д.В., Доль А.В. Введение в Ansys Workbench: Учеб.– метод. Пособие для студентов естественно-научных дисциплин. – Саратов: Амирит, 2016. – 56 с.
- Верхотуркин Е.Ю. Интерфейс и генерирование сетки в ANSYS Workbench: учеб. Пособие по курсу
Геометрическое моделирование в САПР
– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. – 63 с.