Русский   English

Зміст

Вступ

Подача шихтових матеріалів на деяких доменних печах здійснюється за допомогою скіпового підйомника. До складу цього пристрою входять: похилий міст, скіпи, канат, відхиляючі блоки і скіпова лебідка як привід. Скіпова лебідка розташована в машинному залі доменної печі і працює в повторно-короткочасному режимі постійно.

Надійна робота скіпового підйомника є одним з факторів, що визначають безперервне протікання технологічного процесу виробництва чавуну. Серед безлічі параметрів, що забезпечують безвідмовну роботу скіпового підйомника, слід виділити якість технічного обслуговування і ремонту, яка багато в чому визначається рівнем підготовки персоналу і ступенем розробки нормативно технічної документації. Тривалі терміни експлуатації підйомника призводять до появи і розвитку несправностей, усунення яких вимагає тривалої зупинки доменної печі.

В даний час основним напрямком підвищення якості обслуговування, що забезпечує безвідмовність скіпового підйомника, є розробка карт оглядів та оцінювання ризиків виникнення відмов елементів конструкції.

Різнобічна інформація про напружено-деформований стан металоконструкцій скіпового підйомника, уяснення факторів, які його обумовлюють, багато в чому сприятиме ефективному вирішенню зазначених завдань.

1. Актуальність теми

Для роботи доменної печі потрібна безперебійна подача шихтових матеріалів до завантажувального пристрою. До машин для подачі шихтових матеріалів пред 'являють жорсткі вимоги затримка у завантаженні матеріалів навіть на короткий час тягне за собою переведення печі на тихий хід або повну її зупинку. Тому ці машини повинні мати високу продуктивність, підвищену експлуатаційну надійність і забезпечувати можливість повної автоматизації процесу завантаження печі.

Одним з основних способів подачі шихтових матеріалів в доменну піч є скіповий, при якому доставка шихти на колошник і завантаження її в приймальну воронку засипного апарату виконується за допомогою скіпового підйомника. До складу цього пристрою входять: похилий міст, скіпи, канат, відхиляючі блоки і скіпова лебідка як привід [1].

У ході роботи підйомника на металоконструкцію моста чиниться вплив динамічних навантажень, які викликають виникнення коливань. Дослідження міцності похилого мосту підйомника, вивчення напружень і деформацій, що виникають через дії вібрацій, є важливим завданням.

Аналіз літературних джерел [2] показав, що відмови скіпових підйомників утворюють третю за величиною групу аварій (після металоконструкцій печі і повітряних фурм), що становить близько 13% всіх неполадок і 8,5% загального часу простоїв. Частка відмов похилого мосту відносно мала, але ліквідація наслідків його аварій викликає значні втрати (малюнок 1).

Малюнок 1 - Співвідношення тимчасових витрат на відновлення працездатності скіпового підйомника залежно від місця виникнення аварії hspace=

Малюнок 1 - Співвідношення тимчасових витрат на відновлення працездатності скіпового підйомника залежно від місця виникнення аварії

Саме даний елемент конструкції скіпового підйомника повинен характеризуватися високими показниками надійності, так як він не має резервування, відчуває постійне навантаження, причому навантаження змінюються в широкому діапазоні і є знакоперемінними, його ремонт вимагає значних витрат часу і трудових ресурсів, окремі ділянки знаходяться на висоті. Тому питання, пов 'язані із забезпеченням працездатності похилого мосту, є актуальними. Для розробки заходів з технічного обслуговування, вибору діагностичних параметрів для оцінки технічного стану похилого мосту потрібна інформація про можливі місця зародження дефектів у металоконструкціях, закономірності їх розвитку. Таку інформацію можна отримати шляхом математичного моделювання напружено-деформованого стану похилого мосту з використанням методу кінцевих елементів.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета моєї роботи дослідження напружено-деформованого стану похилого мосту скіпового підйомника доменної печі. Для досягнення мети поставлені наступні завдання:

  1. Проаналізувати конструкцію похилого мосту скіпового підйомника.
  2. Виконати аналіз видів і причин несправностей металоконструкції похилого мосту
  3. Розробити геометричні двох- і тривимірні моделі похилого мосту.
  4. Визначити сили, що діють на металоконструкцію похилого моста при русі скіпів, і оцінити зумовлені ними напруги.
  5. Виконати вібраційний аналіз металоконструкції (визначення частот власних коливань і вимушених коливань).

3. Опис конструкції похилого мосту скіпового підйомника

Похилі мости скіпових підйомників бувають двох типів: з решітчастими фермами і з суцільними балками.

В даний час всі мости доменних підйомників виготовляють зварними, так як вони економічніше клепаних.

Балкові мости менш схильні до механічних коливань. Але, оскільки вони значно важчі за решітчасті, то на всіх нових печах ставлять решітчасті зварні мости.

Міст розміщений на двох опорах, з яких одна розташована внизу – на стінці скіпової ями, а інша – на пілоні. Верхня частина мосту є консолем. На мосту влаштовують майданчики і опори для блоків скіпових канатів і канатів конусів, а також поворотний кран для ремонту блоків. Кут нахилу мостів приймається рівним 47–54°; кут нахилу шляху в скіповій ямі 58–61°.

Плоска опорна колона в достатній мірі гнучка і тому допускає поздовжні деформації моста.

Похилий міст є просторовою металоконструкцією, що складається з двох бічних вертикальних ферм, які з 'єднані між собою поперечними зв' язками.

Ферма складається з нижнього і верхнього поясу, стійок і розкосів. Всі ці елементи виконуються з куточків.

Бічні ферми в нижньому поясі з 'єднуються за рахунок швелера, у верхньому – куточків і стяжок, виконаних зі смуги.

Частина мосту для пересування скіпів складається з поперечних балок, пов 'язаних з нижніми поясами вертикальних ферм. На поперечні балки укладають двотаврові балки, на яких закріплюють рейки. Щоб попередити сходження скіпів зі шляху, встановлюють контррельси. Нижню частину мосту підшивають сталевими листами, для захисту від матеріалів, які можуть висипатися зі скіпа.

Верхню опорну колону (пілон) виконують плоскою у вигляді решітчастої ферми. Матеріалом для елементів похилого мосту служить сталь марки Ст.3 [3].

На малюнках 3.1 (а, б) і 3.2 (а, б) показано різні варіанти конструктивного виконання похилого мосту.

Малюнок 3.1 - Похилий міст з решітчастою фермою hspace=

Малюнок 3.1 - Похилий міст з решітчастою фермою

Малюнок 3.2 - Похилий міст з суцільними балками hspace=

Малюнок 3.2 - Похилий міст з суцільними балками

4. Характерні дефекти і пошкодження металоконструкцій

За даними [4] найбільш характерними дефектами і пошкодженнями металоконструкцій різного обладнання та споруд є:

Наведені вище пошкодження можуть проявлятися в металоконструкціях похилого моста, але для більш точного їх виявлення слід скористатися моделюванням – математичним і фізичним, оскільки основними причинами, що сприяють розвитку пошкоджень і знижують безвідмовність і довговічність металоконструкцій моста, є інтенсивність навантаження, умови роботи і тривалий термін експлуатації.

5. Аналіз напружено-деформованого стану похилого мосту

Так як металоконструкція похилого мосту знаходиться в складному напружено-деформованому стані, то спочатку завдання було розглянуто в акціонерній постановці. Конструкція моста була зведена до плоскої однопролітної консольної ферми з рухомою А і нерухомою В опорами. Для створення звичайно-елементної моделі моста використовувалися балкові елементи типу BEAM188. Загальна кількість елементів склала 236. Характеристики поперечного перерізу балкових елементів відповідали одностатевим куточкам № 10, 16 і 20 (ГОСТ 8510-72).

Як навантаження використані зосереджені сили, що виникають при встановленому режимі переміщення скіпів уздовж моста, (малюнок 5.1а). Для знаходження статичних сил був розглянутий типовий графік руху скіпа, заповненого агломератом, визначені зусилля в канатах і реакції в скатах скіпа. Отримані значення сил прикладалися вздовж траси похилого мосту. У процесі моделювання було розглянуто 6 варіантів навантаження, розташування точок додатку сил показано на малюнку 5.1б. Точки № 1– № 4 знаходяться в прольоті ферми, № 5– № 6 – в консольній частині.

Малюнок 5.1 - Типова розрахункова схема похилого мосту (а) і схема розташування точок програми сил (б) hspace=

Малюнок 5.1 - Типова розрахункова схема похилого мосту (а) і схема розташування точок програми сил (б)

В якості результатів моделювання аналізувалися картини деформованого стану (малюнок 5.2), епюри поздовжніх і поперечних сил, епюри згинаючих моментів (малюнок 5.3), а також розподіл напружень, викликаних даними силовими факторами. У таблиці 1 наведено значення максимальних зміщень конструкції мосту в горизонтальному та вертикальному напрямках [7].

Малюнок 5.2 - Картини деформованого стану похилого мосту (анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 140 кілобайт) hspace=

Малюнок 5.2 - Картини деформованого стану похилого мосту
(анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 140 кілобайт)

Таблиця 5.1 - Результати розрахунку зміщень конструкції мосту
Номер розрахункової схеми 1 2 3 4 5 6
Відстань до точки програми навантаження, м 8,2 16,2 28,1 36,1 48,6 57,1
Максимальне зсув осі Х, мм 16,2 26,4 25,6 15,7 30,6 69,4
Максимальний прогин по осі Y, мм -10,2 -17,5 -17,0 -9,6 4,5 13,1
Максимальний прогин консолі по осі Y, мм 8,4 14,9 16,9 10,8 -18,6 -47,0
Малюнок 5.3 - Епюри поздовжніх сил (а), поперечних сил (б) та згинаючих моментів (в) для розрахункових схем № 1, 4, 6 hspace=

Малюнок 5.3 - Епюри поздовжніх сил (а), поперечних сил (б) та згинаючих моментів (в) для розрахункових схем № 1, 4, 6

На наступному етапі досліджень планується виконати моделювання напружено-деформованого стану в тривимірній постановці для більшого наближення до реального об 'єкта досліджень і більш детального виявлення місць концентрації напружень.

6. Визначення власних частот і форм коливань конструкцій

Однією зі складових міцності похилого мосту виступає його стійкість, пов 'язана з виникненням і поширенням власних і вимушених коливань у металоконструкціях. Існує два підходи до визначення власних частот і форм коливань (модальний аналіз): розрахунковий, наприклад, методом кінцевих елементів (МКЕ) в програмному комплексі ANSYS, і експериментальний метод - голографічна інтерферометрія. Знаючи вигляд форми коливань та відповідну частоту, можна значно зменшити амплітуди вібрацій, змінити власні частоти шляхом введення додаткових конструктивних елементів або заміни матеріалу [5].

6.1 Визначення власних частот коливань методом кінцевих елементів

Власними (вільними) коливаннями називаються коливання, які відбуваються в системі за відсутності змінних зовнішніх впливів і виникають внаслідок початкового відхилення одного з параметрів системи від стану рівноваги.

Власна частота коливань будь-якої конструкції визначається за формулою:

Рисунок 6.1 hspace=

де С – жорсткість конструкції,

m – маса конструкції.

Модальний аналіз проводиться для визначення частот і форм (мод) власних коливань конструкцій. Також модальний аналіз може бути першим кроком для інших видів динамічного аналізу, таких, як аналіз перехідних процесів, гармонічний і спектральних аналіз.

Модальний аналіз передбачає, що система є лінійною. Усі види нелінійності – нелінійна поведінка матеріалу, контактні граничні умови, кінцеві переміщення - ігноруються. Контакти, залежно від свого вихідного стану, залишаються відкритими або закритими.

Передбачається, що зовнішні сили і демпфування дорівнюють нулю. Рівняння вільних коливань конструкції в матричній формі має вигляд:

hspace=

Для лінійної системи вільні коливання є гармонійними і можуть бути записані у вигляді:

hspace=

де {φ}i – i-й власний вектор, що представляє форму (моду) коливань на i-й власній частоті;

ωi – i-а власна кругова частота (радіан в одиницю часу);

t – час.

Підставляючи (3) в (2), отримаємо:

hspace=

Для складних конструкцій вирішення рівняння (4) виконується численними методами, найчастіше методом кінцевих елементів (МКЕ), який використовується в сучасних прикладних пакетах комп 'ютерного моделювання при виконанні міцнісного, термічного та інших видів аналізу [6].

6.2 Виконання модального аналізу в ANSYS

Модальний аналіз у прикладному пакеті ANSYS [9,10] виконується у наступній послідовності:

  1. Побудова геометричної моделі досліджуваного об 'єкта.
  2. Завдання механічних властивостей матеріалу.
  3. Створення сітки з кінцевих елементів у межах геометричної моделі.
  4. Завдання граничних умов.
  5. Вирішення рівняння (4).
  6. Аналіз результатів.

Слід зазначити, що пакет ANSYS включає різні модулі, за допомогою яких можна виконати модальний аналіз конструкції. А саме, ANSYS Multiphysics – основний програмний продукт ANSYS, який включає розрахункові можливості всіх інженерних дисциплін, а також ANSYS Workbench – єдине інтерактивне середовище, що інтегрує різні програмні продукти і має дружній для користувача інтерфейс Під час дослідження під час пошуку рішення поставленого завдання використовувалися обидва зазначені модулі.

6.2.1 Геометрична модель мосту

Для побудови 3D моделі похилого мосту скіпового підйомника використовувалися робочі креслення Донецького металургійного заводу. Побудова виконувалася в системі автоматизованого проектування КОМПАС. Похилий міст був умовно розділений на 2 ферми 1, трасу 2, поперечні зв 'язки 3 (малюнок 6.1).

Малюнок 6.1 - Геометрична тривимірна модель похилого мосту hspace=

Малюнок 6.1 - Геометрична тривимірна модель похилого мосту

Кожна ферма складається з: нижнього поясу 1, верхнього поясу 2, стійок 3, розкосів 4, накладок 5 (малюнок 6.2).

Малюнок 6.2 - Ферма похилого мосту hspace=

Малюнок 6.2 - Ферма похилого мосту

Нижній пояс являє собою здвоєні куточки № 16, які зварюються між собою за допомогою накладок виконаних зі смуги.

До накладок також приварюються стійки і розкоси в нижній і верхній частині. Вони представляють собою здвоєні куточки № 16. Відстань між стійками і їх довжина збільшуються при просуванні вздовж траси похилого мосту.

Верхній пояс складається з здвоєних куточків № 16, які приварюються до верхніх накладок. При цьому спочатку траси куточки розташовуються горизонтально, а потім з кутом нахила5о град. Цей компонент моделі був створений за допомогою команди Кінематична операція.

Ферми з 'єднуються між собою за допомогою швелерів у нижній частині, а також поперечних куточків і смуг у верхній. Куточки і смуги приварюються до верхнього поясу за допомогою накладок.

Швелери створювалися на основі ескізу за допомогою команди Операція видавлювання.

З 'єднання компонентів геометричної моделі проводилося командами сполучення – На відстані і На місці. В останньому випадку відповідна деталь створювалася безпосередньо в збірці. Цей прийом використовувався для поперечних куточків, смуг і накладок верхнього поясу.

Траса являє собою пряму ділянку і ділянку розвантаження. На прямій ділянці рейок кріплять до двутаврової балки, яка кріпиться до швелера.

Розвантажувальні криві були створені безпосередньо в збірці за допомогою команди Кінематична операція. Для цього в середній площині кожної рейки, розташованої на прямій ділянці, був виконаний ескіз, що відповідає кресленню верхньої і нижньої криволінійної ділянки, а в перпендикулярній площині спроектований ескіз, що містить контур поперечного перерізу рейки.

Розвантажувальні криві з 'єднані зі стійками за допомогою кронштейнів, які являють собою прямокутні пластини. Дані деталі також створювалися в збірці за допомогою операції видавлювання ескізів, що являють собою прямокутники.

Загальна кількість компонентів моделі похилого мосту склала 386. Маса всього об 'єкта дорівнює 70 т, що відповідає даним креслень, тобто можна вважати, що створена 3D модель адекватно представляє реальну конструкцію.

Далі модель імпортувалася в пакет ANSYSWorkbench.

6.2.2 Виконання модального аналізу в пакеті ANSYS

Для скорочення тривалості обчислень геометрична модель похилого мосту виконана у вигляді тривимірної каркасної структури. Для цього відповідно до креслення спочатку задавалися координати характерних точок, що відповідають місцям зварних сполук стійок, розкосів, нижнього і верхнього поясу ферм. Далі за допомогою відрізків виконувалося з 'єднання цих точок. Перегляд каркасної моделі показано на малюнку 6.3.

Малюнок 6.3 - Геометрична каркасна модель похилого мосту hspace=

Малюнок 6.3 - Геометрична каркасна модель похилого мосту

Створення кінцево-елементної моделі було виконано шляхом завдання кількості елементів на кожному лінійному компоненті. Отримана модель наведена на малюнку 6.4.

Малюнок 6.4 - Звичайно-елементна модель похилого мосту hspace=

Малюнок 6.4 - Звичайно-елементна модель похилого мосту: а) з відображенням форми поперечного перерізу елементів; б) з відображенням кольорів різної форми

Результати розрахунку у вигляді форм коливань для 1-ї, 4-ї та 7-ї власних частот представлені в таблиці 6.1. Слід зазначити, що отримані значення частот становлять близько 1 Гц, тобто знаходяться в низькочастотній області.

Можна помітити, що коливання на першій власній частоті характеризуються відхиленням конструкції по осі Х, при чому нижня частина моста, що знаходиться в скіповій ямі переміщується в позитивному напрямку, а верхня, розташована біля колошника печі, відхиляється в протилежну сторону, що буде викликати в бічних фермах напруги розтягнення-стиснення.

Коливання на четвертій власній частоті характеризуються витягуванням конструкції по осі Y, що буде викликати в бічних фермах напруги розтягнення.

Коливання на сьомій власній частоті характеризуються закручуванням конструкції у верхній і нижній частині, що буде викликати в бічних фермах напруги кручення.

За результатами розрахунку видно, що власні частоти металоконструкції похилого мосту не великі і не повинні резонувати з частотами, що викликаються скіпами при їх русі. Для остаточного висновку планується виконати розрахунок вимушених коливань конструкції.

Таблиця 6.1 - Результати розрахунку
1 hspace= hspace=
2 hspace= hspace=
3 hspace= hspace=

Висновки

Проведені за допомогою математичного моделювання дослідження напружено-деформованого стану металоконструкцій похилого мосту доменної печі показали, що елементи конструкції відчувають максимальне навантаження при знаходженні гружого скіпу в середині прольоту і в крайній точці консолі ферми. В цілому, максимальні напруги, що виникають у поздовжньому напрямку елементів мосту, змінюються від 46 до 98 МПа, а в поперечному – від 9 до 56 МПа, що не перевищує допустимих значень. Характер напруги змінюється в міру просування скіпа. При русі скіпа в прольоті моста його верхній пояс працює на стиснення, а нижній – на розтягнення. При проходженні скіпом консольної частини мосту навпаки: верхній пояс відчуває напругу розтягнення, а нижній – стиснення.

Незважаючи на те, що напруги, що виникають в елементах похилого мосту скіпового підйомника в результаті дії статичних сил, не перевищують допустимих значень, їх знакоперемінний характер сприяє зародженню пошкоджень в металоконструкціях.

Основними причинами виникнення та розвитку пошкоджень є динамічні навантаження, що викликають коливання. Тому на другому етапі виконано моделювання стійкості похилого мосту на його тривимірній моделі.

За результатами розрахунку для просторової конструкції видно, що власні частоти металоконструкції похилого мосту не великі і не повинні резонувати з частотами, що викликаються скіпами при їх русі. Для остаточного висновку планується виконати розрахунок вимушених коливань конструкції.

Перелік посилань

  1. Целіков, А.І. Машини і агрегати металургійних заводів.: У 3-х томах. Т. 1. Машини і агрегати доменних цехів. Підручник для вишів. Металургія, 1987. – 440 с.
  2. Правила технічної експлуатації механічного обладнання доменних цехів. – Держкомітет промислової політики України, 2000. – 323 с.
  3. Щиренко, Н.С. Механічне обладнання доменних цехів – Навчальний посібник. – М.: Металургвидав, 1962. – 524 с.
  4. Характерні дефекти і пошкодження металевих конструкцій
  5. Сайт Національного Дослідницького Ядерного Університету МІФІ.
  6. Леонтьєв, Н.В. Застосування системи ANSYS до вирішення завдань модального і гармонійного аналізу. Навчально-методичний матеріал за програмою підвищення кваліфікації Інформаційні системи в математиці та механіці. Нижній Новгород, 2006, 101с.
  7. Свічканьов, А.І. Моделювання напружено-деформованого стану похилого мосту скіпового підйомника доменної печі/А.І. Свічканьов, Є.В. Ошовська, В.О. Сидоров // Технологічні машини та обладнання: матеріали XVIІІ Республіканської науково-технічної студентської конференції, 26–28 листопада 2019 р., Донецьк – Донецьк: ДонНТУ, 2018, 146 с. – c. 93–98.
  8. Програмний пакет ANSYS
  9. Іванов Д.В., Доль О.В. Введення в Ansys Workbench: Навч.– метод. Посібник для студентів природничо-наукових дисциплін. – Саратов: Амирит, 2016. – 56 с.
  10. Верхотуркін Е.Ю. Інтерфейс і генерування сітки в ANSYS Workbench: Посібник за курсом Геометричне моделювання в САПР – М.: Вид-во МГТУ ім. Н.Е. Баумана, 2013. – 63 с.