Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ОКСО 15.02.08 Технология машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC TEC009060 Industrial Engineering
В статье рассмотрены вопросы механической обработки поверхностей составных бандажей, после их сварки непосредственно на месте сборки и последующей эксплуатации, с применением мобильных технологий. Приведена конструкция устройства, включающая элементы конструкции опоры вращающейся печи, с двумя опорными роликами, привод вращения и специальный переносной станок. Установлены отличительные особенности для данной схемы механической обработки. Для обеспечения возможности осуществления процесса резания, привод вращения бандажа предложено осуществлять при помощи силы трения, от одного из опорных роликов, используя двигатель постоянного тока с бесступенчатым регулированием скорости вращения и понижающим редуктором. Предложена методика поиска рациональных режимов работы установки с использованием линейного программирования. Определены необходимые технические ограничения на режим работы установки, включающие: мощность привода вращения, тангенциальную и осевую составляющие силы резания. Установлены факторы, позволяющие варьировать процесс обработки: скорость вращения бандажа и размер снимаемого за один рабочий ход припуска. Выбраны зависимости, позволяющие установить связь варьируемых параметров с вводимыми техническими ограничениями. На их основе получена система линейных уравнений, при решении которой можно получить область значений технологических режимов, позволяющих осуществлять процесс механической обработки поверхностей бандажей на предложенной установке. Для бандажа с диаметром 6100 мм, получены рациональные технологические режимы, позволяющие осуществлять процесс восстановительной обработки поверхностей бандажей после их сварки, непосредственно на месте их последующей эксплуатации.
бандаж вращающейся печи, восстановительная обработка
Введение. Бандажи вращающихся технологических барабанов являются главными деталями их опор [1, 2, 3, 4, 5, 6] помимо обеспечения правильности базирования агрегате процессе работы обеспечивают также жесткость и стабильность геометрических размеров корпуса самого агрегата [6,7]. При этом в зависимости от типоразмера агрегата и варианта установки (вварные или устанавливаемые с помощью специальных крепежных элементов) существуют различные исполнения конструкций бандажей [8, 9, 10]. Бандажи, вращающихся печей, с диаметром более 4500 мм, на предприятии изготовителе по завершению изготовления, разрезают на два полукольца (рис. 1). Это позволяет обеспечить их транспортировку к месту их последующей сборки и эксплуатации.
Рис. 1. Часть бандажа, транспортируемая к месту сборки и эксплуатации
Перед монтажом на корпус печи, обе половины бандажа устанавливают на специальной площадке, регулируют их относительное положение и затем сваривают электрошлаковым способом (рис. 2). После сварки, усиление сварных швов, которое получается более 1 мм, снимают ручными шлифовальными машинами.
Рис. 2. Сборка бандажей на месте последующей эксплуатации
В результате такой сборки, погрешность базовых поверхностей бандажа, оказывается на 1 -2 степени больше, чем предусмотренные ОСТ 22 -170 -87.Очевидно, что последующая эксплуатация бандажа с такой погрешностью поверхностей, будет приводить к возрастанию циклической нагрузки на опору печи и ее корпус, а также колебанию нагрузки на приводе. Обычно в зоне таких опор наблюдается частый выход из строя футеровки печи, что приводит к внеплановым остановам в ее работе. Для обеспечения бесперебойной работы печного агрегата используются различные технологические подходы по восстановлению заданной формы поверхностей бандажей, включая механическую обработку и последующую выверку деталей опор[11, 12, 13]. Безусловно, что для обеспечения требуемой точности базовых поверхностей, бандаж должен подвергаться механической обработке непосредственно на месте его сборки. Для этого на кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова был разработан специальный стенд (рис. 3).
Рис. 3. Специальный стенд для обработки поверхностей бандажей
Стенд оснащен силовым столом 1, со стойкой 2, на которой установлен поперечный суппорт 3. Вся конструкция размещается на раме 4, где размещены два опорных ролика 5, система осевых упоров 6 и привод вращения 7. Бандаж, при помощи грузоподъемного крана устанавливают на поверхности качения опорных роликов, до касания с осевыми упорами.
Следует отметить, что такая схема обработки бандажа имеет бесцентровую схему [14] и для нее есть ряд существенных отличий по сравнению с мобильной технологией обработки непосредственно на работающей печи[15, 16, 17]. Этих отличия заключаются в следующем:
- вращение бандажупередается за счет силы трения, между поверхностями качения бандажа и приводного опорного ролика;
- изменения скорости вращения бандажа выполняется бесступенчато, в расширенном диапазоне 0…2,14 об/мин.;
- масса обрабатываемого изделия, базирующегося на опорные ролики существенно меньше, что окажет влияние на величину силы трения.
Материалы и методы. Для обеспечения требуемых технологических условий обработки таких деталей как бандажи вращающихся печей, в частности при разработке новых технологических способов или совершенствования существующих возникает необходимость применения математического моделирования [16, 17, 18, 19]. При обработке поверхностей бандажа, установленного на стенде, сила резания может превысить силу трения, что приведет к проскальзыванию приводного ролика и остановке обрабатываемого бандажа. А это в свою очередь выведет из строя обрабатывающий инструмент.
Чтобы исключить такую возможность, необходимо оптимизировать режимыработы стенда. Для этих условий удобно применить метод линейного программирования [18]. Введем ряд технических ограничений на геометрические и технологические параметры системы:
- ограничение по тангенциальной составляющей силы резания
, определяющей мощность привода вращения бандажа;
- ограничение по тангенциальной составляющей силы резания
- ограничение по осевой составляющей силы резания
, определяющей возможность осевых смещений бандажа.
Основная часть. Анализ схемы обработки показал, что максимальное влияние на формирование силы резания оказывает скорость вращения обрабатываемого изделия и глубина резания [3, 4]. Эти две составляющие и будем использовать как варьируемые параметры.
Ищем зависимости, которые обеспечивают связь варьируемых параметров и вводимых технических ограничений:
- первым техническим ограничением устанавливаем связь между мощностью резания и мощностью привода вращения обрабатываемого бандажа, т.е.:
(1)
(2)
(3)
(4)
где
– постоянная, коэффициенты и показатели степеней, зависящие от условий обработки;
- скорость вращения; К – коэффициент запаса; N – частота вращения.
Подставляем значения, выполняем группировку и логарифмируем для преобразования к линейному виду:
(5)
Вводим обозначения:
В результате получаем следующее уравнение:
(6)
- во втором ограничении устанавливаем связь между тангенциальной составляющей
, возникающей от действия силы трения
(рис. 4).
Рис. 4. Расчетная схема передачи вращения бандажу от опорного ролика
Возможность вращения обрабатываемого бандажа можно выразить следующей зависимостью:
(7)
где k – коэффициент запаса; f – коэффициент трения пары бандаж-ролик; ,M – масса устанавливаемого для обработки бандажа
Чтобы обеспечить вращение без проскальзывания должно выполняться условие:
(8)
(9)
Выполняем подстановкуи некоторые преобразования, получаем:
(10)
Так же вводим обозначения и получаем второе уравнение в следующем виде:
(11)
- третьим ограничением устанавливаем связь между осевой составляющей силы резания
и силой трения
, в осевом направлении. Здесь следует отметить, что бандажопирается на двух опорных роликах, значит, сила трения должна быть увеличена в два раза. На рис. 5 представлена расчетная схема. Данное ограничение имеет вид:
(12)
(13)
где
– постоянная, коэффициенты и показатели степеней,выбираемые для данной схемы обработки;Ff – сила трения, возникающая между бандажом и роликами.
(14)
где -коэффициент трения в паре бандаж-ролик;
, M – масса бандажа.
Рис. 5. К определению осевых смещений бандажа
Выполняем подстановку и,соответствующие преобразования, и получаем:
(15)
С учетом всех выполненных изысканий, математическая модель для определения граничных условий по режимам обработки, будет иметь вид:
(16)
Для определения рациональных параметров процесса, которые позволят осуществлять обработку бандажа, необходимо найти из всех получаемых в результате решения системы уравнений значений и
, такие значения
и
, при которых целевая функция будет иметь максимальное значение
. Оптимальные значения самих варьируемых параметров определим, как:
(17)
(18)
В результате решения системы уравнений в средеMathcad,были получены предельные значения варьируемых параметров для бандажа с диаметром 6100 мм с заданными геометрическими и физико-механическими характеристиками [9]. Такими параметрами в данном случае являются технологические режимы обработки – глубина резания и частота вращения детали:
(19)
(20)
Выводы. Применение математического моделирования на основе предложенного подхода позволило определить оптимальные условия обработки на специальном стенде детали с заданными геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами. В модели учтены условия бесцентрового базирования детали на двух роликах с боковой поддержкой. Проведенные исследования определяют необходимость использования математического моделирования в случаях изменения параметров стенда, таких как диаметры опорных роликов, межосевое расстояние между ними. Следует рекомендовать проведение дальнейших исследований в направлении оптимизации параметров стенда для установленного диапазона типоразмеров обрабатываемых деталей.
1. Vijayan S.N., Sendhilkumar S. Industrial Applications of Rotary Kiln in Various Sectors - A Review. International Journal of Engineering Innovation & Research. 2014. Vol. 3. Pp. 342-345.
2. Boaten A.A. Rotary Kilns. Elsevier Inc. Publ., 2015. 390 p.
3. Ramanenka D., Stjernberg J., Jonsén P. FEM investigation of global mechanisms affecting brick lining stability in a rotary kiln in cold state. Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 59. Pp. 554-569.
4. Design features of rotary kilns. [Электронный ресурс]. URL: https://www.cementkilns.co.uk/kiln_design.html. (дата обращения: 09.11.2021)
5. Comprehensive Kiln Alignment. [Электронный ресурс]. URL: https://www.anioncorp.com/technical-papers/world-cement-article.pdf (дата обращения: 08.12.2021)
6. Phillips Kiln Services. [Электронный ресурс]. URL: http://www.pkse.co.uk/services/resurfacing.php (дата обращения: 05.11.2021)
7. Mogilny S., Sholomitskii A. Precision Analysis of Geometric Parameters for Rotating Machines during Cold Alignment. Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. Pp. 1709-1715.
8. Росс Дж. К вопросам о выверке и техническом обслуживании вращающихся печей // Цемент и его применение. 2020. №5. С. 68-71. [Электронный ресурс]. URL: https://jcement.ru/reading/cemchem/k-voprosam-o-vyverke-i-tekhnicheskom-obsluzhivanii-vrashchayushchikhsya-pechey/ (дата обращения: 05.12.2021)
9. ООО «МосХимЦемСервис»: технологическое обслуживание и восстановление промышленного оборудования. [Электронный ресурс]. URL: http://moshimtsemservis.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=1:o-kmpanii&catid=2 (дата обращения: 12.11.2021)
10. Бандажи для промышленных печей. [Электронный ресурс]. URL: https://tulpech.ru/bandazhi-dlya-promyshlennyh-pechej (дата обращения: 05.12.2021)
11. Бандажи плавающие и бандажи вварные. [Электронный ресурс]. URL: https://www.npp-prom.com/zapasnye-chasti-pechej-vrashayushih (дата обращения: 05.12.2021)
12. Шрубченко И.В., Мурыгина Л.В., Щетинин Н.А. Технологический процесс реконструкции бандажей типа «П» в тип «В» // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 1. С. 73-77.
13. Захаров О.В. Управление точностью бесцентрового шлифования статистическими методами// Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 9. С. 32-35.
14. Пелипенко Н.А., Санин С.Н. Определение положения измерительной базы при базировании и вращении эллиптичного бандажа // Тяжелое машиностроение. 2014. № 1. С. 32-36.
15. Дуганов В.Я. Определение передаточных отношений и коэффициента исправления формы деформированного кольца цементных печей при его бесцентровой обработке // Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. №9. С. 47.
16. Гончаров М.С., Хуртасенко А.В., Шрубченко И.В. Особенности формообразования при восстановительной обработке бандажей переносными станками // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 7. С 10-25. DOI:https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-7-10-25
17. Хуртасенко В.А., Шрубченко И.В. Математическая модель для оптимизации параметров обработки поверхностей качения технологических агрегатов мобильным оборудованием // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 4. С. 144-149. DOI: https://doi.org/10.12737/issn.2071-7318
18. Пелипенко Н.А., Санин С.Н. Описание поведения центра бандажа с помощью математического моделирования //Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. № 1. С. 46-48.
19. Шрубченко И.В., Мурыгина Л.В., Рыбалко В.Ю., Щетинин Н.А. Оптимизация режимов обработки бандажей на специальном стенде // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 4. С. 67-73.
20. Shrubchenko I.V., Hurtasenko A.V.h, Voronkova M.N., Murygina L.V. Optimization of Cutting Conditions for the Processing of Bandages of Rotary Cement Kilns at a Special Stand // World Applied Sciences Journal. 2014. № 31 (9). Pp. 1593-1600. DOI:https://doi.org/10.5829/idosi.wasj.2014.31.09.14481
