УДК 621.74+62-118+621.822.83
АНАЛИЗ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ШАРНИРОВ И ОПОР МЕХАНИЗМА КАЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА СОРТОВОЙ МНЛЗ
© Сотников Алексей Леонидович, канд. техн. наук; Родионов Николай Александрович
ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет». Украина, г. Донецк Птуха Сергей Викторович
ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод». Украина, г. Краматорск Статья поступила 14.08.2013 г.
Методом моделирования силового нагружения шарнирно-рычажного механизма качания кристаллизатора сортовой МНЛЗ исследовано влияние уравновешивающих пневматических амортизаторов на динамическую составляющую сил реакций его шарниров и опор. Определены оптимальные значения давления воздуха в амортизаторах, при которых обеспечивается минимальное значение размаха сил реакций.
Ключевые слова: сортовая МНЛЗ; кристаллизатор; механизм качания; сила реакции; давление воздуха; амортизатор; нагрузка.
В настоящее время в практике непрерывной разливки сортовой стальной заготовки большое распространение получили машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), оборудованные шарнирно-рычажными механизмами качания кристаллизатора (МКК). Большинство из них представляют собой параллелограммные рычажные механизмы, которые обеспечивают циклическое перемещение выходного звена (стола качания) с установленным на нем кристаллизатором вдоль заданной траектории, совпадающей с технологической осью ручья МНЛЗ.
При этом конструкция и параметры привода МКК и технологический процесс непрерывной разливки стали обусловливают значительное переменное нагружение звеньев и шарниров механизма качания, что приводит к ускоренному износу подшипников его шарниров и опор, а также к преждевременному выходу из строя его узлов. Износ шарниров и опор МКК определяет значительные отклонения параметров колебательного движения кристаллизатора, что негативно влияет на качество непрерывнолитой заготовки и может привести к прорыву жидкого металла на выходе из кристаллизатора [1].
Частичная компенсация и снижение технологических и конструкционных нагрузок МКК обеспечивается с помощью различных уравновешивающих демпфирующих устройств, как правило, пружин либо пневматических амортизаторов, устанавливаемых между наиболее нагруженным звеном механизма качания и неподвижными металлоконструкциями МНЛЗ [2]. Однако подобный вид уравновешивания, ввиду воздействия
на механизм многих независимых факторов, не имеет теоретического обоснования и, как правило, предполагает настройку уравновешивающих устройств опытным путем в режиме холостого хода МКК без учета технологического нагруже-ния. Для решения этой проблемы необходимо исследовать методом моделирования режимы силового нагружения МКК с учетом воздействия технологических, конструкционных и динамических факторов.
Обзор публикаций по этой тематике показывает, что в общеизвестных работах по металлургическому оборудованию [3-5], как правило, приводятся расчеты мощности привода для определенной конструкции МКК, по максимальному значению момента сопротивления привода, без учета динамических нагрузок, с использованием графоаналитических методов, что не дает полного представления о силовом нагружении механизма.
В работах [6, 7] рассмотрены результаты кинематического и кинетостатического расчета рычажных конструкций МКК слябовых МНЛЗ, выполненных с использованием программных комплексов математического моделирования. Авторами этих работ сделан вывод о том, что в шарнирах МКК возникают значительные переменные силы реакций, во многом обусловленные инерционными нагрузками. При этом не учиты- ^
о
вается и не исследуется технологическое нагру- ™
жение конструкций механизма качания и воздей- ° ствие уравновешивающих устройств.
Авторы работы [8] рассматривают механизм ^
качания кристаллизатора МНЛЗ как объект ма- Ц
тематического моделирования. Кинематические |
и динамические процессы исследуются с помощью метода автоматического синтеза уравнений движения механической системы с учетом динамических свойств узлов механизма.
В работах [9-11] рассматриваются результаты вибродиагностики МКК сортовой МНЛЗ. Показано, что увеличение износа подшипников шарниров и опор механизма качания приводит к появлению дополнительных перемещений его выходного звена (стола качания) в горизонтальном и вертикальном направлениях, что негативно влияет на процесс непрерывной разливки стали.
В работе [12] проведено исследование режимов работы МКК, по результатам которого установлено, что распределение силового нагружения и положения зазоров в шарнирах МКК зависит от режима его работы, обусловленного значением усилия уравновешивающих пневмоамортизато-ров. Однако в работе не приведены конкретные значения давления воздуха в амортизаторах для обеспечения минимальных нагрузок на шарниры (опоры) и привод МКК.
Цель настоящей работы - оценка влияния уравновешивающей нагрузки пневмоамортиза-торов на силовое нагружение шарниров и опор, а также на привод шарнирно-рычажного МКК сортовой МНЛЗ, работающего в режимах холостого хода и технологического нагружения.
Исследование силового нагружения выполнено на примере шарнирно-рычажного МКК, конструкция которого приведена на рис. 1. Принцип работы механизма заключается в следующем: вращательное движение от привода 1 передается на эксцентриковый вал, имеющий настраиваемый эксцентриситет и выполняющий функции кривошипа 2. Вращательное движение кривошипа 2 через шатун 3 преобразуется в качательное движение нижнего рычага 4. Верхний 5 и нижний 4 рычаги расположены таким образом, чтобы сопрягаемый с ними стол качания 6 с установленным на нем кристаллизатором 7, выполнял возвратно-
вращательное движение вдоль технологической оси МНЛЗ. Частичная компенсация силы тяжести стола качания с кристаллизатором выполняется парой пневматических амортизаторов 8. Звенья механизма соединяются между собой посредством четырех подшипниковых шарниров А, В, С и Б и располагаются на трех опорах О, и О2.
На основе данных проектно-конструктор-ской документации и разработанной трехмерной модели МКК (рис. 2), учитывающей геометрические параметры и материал звеньев механизма, а также массы вспомогательного оборудования, включая массу воды в системе охлаждения гильзы кристаллизатора, были получены необходимые технические характеристики для проведения математического моделирования силового нагру-жения механизма качания:
Масса эксцентрикового вала, кг
Масса звеньев МКК, кг: шатуна
нижнего рычага
58,4
35,7 274 200
верхнего рычага
стола качания (с водой в трубопроводах системы охлаждения гильзы кристаллизатора и вспомогательным оборудованием) 1017
кристаллизатора (с водой в системе охлаждения гильзы) 828
Момент инерции эксцентрикового вала, кг-м2 0,29
Момент инерции звеньев МКК, кг-м2:
шатуна 0,71
нижнего рычага 24,3
верхнего рычага 9,24
стола качания с кристаллизатором (с водой в системе охлаждения гильзы кристаллизатора и вспомогательным оборудованием) 719
Эксцентриситет кривошипа МКК, мм 5
Частота качания кристаллизатора, мин-1 200
МКК в процессе работы находится под действием различных переменных нагрузок (см. таблицу). Прежде всего, на него воздействует сила
Технологическая ось МНЛЗ
б
Рис. 1. Общий вид (а) и кинематическая схема (б) МКК: 1 - неподвижная опора; 2 - кривошип; 3 - шатун; 4 - двуплечий нижний рычаг; 5 - верхний рычаг; 6 - стол качания; 7 - кристаллизатор; 8 - уравновешивающий амортизатор
Силы, действующие на МКК
Рис. 2. Трехмерная модель МКК
сопротивления Р1н - от трения формирующейся оболочки слитка о рабочие поверхности гильзы кристаллизатора, которая зависит от параметров и условий непрерывной разливки стали на МНЛЗ. Кроме этого, на все звенья МКК, включая кристаллизатор, действуют приложенные в их центрах масс силы тяжести и знакопеременные силы инерции звеньев, а также уравновешивающее усилие амортизаторов.
Для анализа силового нагружения МКК определены векторы воздействующих на его звенья сил, разложенные на осевые составляющие (рис. 3), сводная характеристика и характер приложения которых представлены в таблице. Из приведенных данных видно, что уравновешивающая и технологическая нагрузки, а также силы и моменты инерции изменяются в процессе работы МКК, что обусловливает переменные значения и направления векторов реакций шарниров и опор механизма, за цикл его работы.
Для комплексной оценки воздействия различных усилий на нагружение шарниров и опор МКК была разработана математическая модель,
А
б
I .
М
0
\ О
М
,им*
0\ Б
К f
I ^
п ~
V
V
т О'
«0!
\м
к
1к
0
\
Сила Характер нагрузки
Сила тяжести г-того звена МКК, О. ' 1 +
Сила инерции г-того звена МКК, Г.. -
Момент силы инерции г-того звена, М.. -
Технологическая нагрузка от трения между слитком и кристаллизатором, Г{ -
Уравновешивающее усилие, Ру -
Уравновешивающий момент на эксцентриковом валу, Мур
Примечание. «+» - постоянный, «-» - переменный характер.
Рис. 3. Схема силового нагружения звеньев МКК (см. табл. 2):
а - кривошип; б - шатун; в - верхний рычаг; г - нижний рычаг; д - стол качания
позволяющая определять изменение кинематических и кинетостатических параметров механизма качания, как функций угла поворота кривошипа (эксцентрикового вала). Результаты математического моделирования представляются в виде аналитических зависимостей, демонстрирующих изменение параметров за цикл работы механизма (полный поворот ведущего звена).
Технологическая нагрузка - результат трения формирующегося слитка о рабочие поверхности гильзы кристаллизатора Р1н - носит знакопеременный характер и зависит от многих факторов [13]:
- равномерности подачи шлакообразующей смеси (ШОС) или технологической смазки на поверхность металла в кристаллизаторе;
- колебаний скорости вытягивания слитка из кристаллизатора;
- марки разливаемой стали;
- сечения отливаемой заготовки;
- хода и частоты качания кристаллизатора.
С учетом указанных выше факторов, которые могут быть индивидуальными для в каждой МНЛЗ, математическое моделирование нагружения рассматривае-02 мого МКК проведено с учетом техно-
логической нагрузки, определенной по опытным данным, соответствующи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.