Введение к работе
Актуальность. Одной из основных задач технологического производства является повышение объема выпускаемой продукции. Достигается это повышение путем интенсификации процессов в используемом технологическом оборудовании, в том числе и за счет сокращения периодов его обслуживания и ремонта. Условия работы оборудования в этом случае становятся все более жесткими, что вызывает в их приводах, наряду со статическими, большие динамические нагрузки. Последние начинают оказывать значительное влияние на работоспособность оборудования и определять тем самым его надежность и долговечность. Таким образом, анализ динамических процессов в узлах тяжело нагруженных технологических машин и агрегатов становится необходимым этапом при их создании.
Шпиндели прокатных станов с шарнирами в виде пар трения скольжения широко используются в мировой практике на крупных обжимных, заготовочных, листовых, сортовых и других станах, прежде всего потому, что обладают удачным сочетанием габаритных и прочностных характеристик. Однако работа пар трения этих шпинделей, рассчитанная на 1,5-2 года их эксплуатации, в реальных условиях большинства крупных станов ограничивается двумя-тремя месяцами. В связи с этим постоянно предпринимаются попытки изменить конструкцию вкладышей или заменить шарниры скольжения на шарниры другого типа. Но желаемого эффекта действия такого рода без выявления процессов, происходящих в зоне трения шарниров шпинделей, не дают. Поэтому задача повышения работоспособности шарниров универсальных шпинделей с парами трения скольжения остается крайне актуальной. Решение этой задачи связано, прежде всего, с уточнением сути процессов, происходящих в парах трения скольжения шпинделей во время работы тяжелого прокатного оборудования.
Цель работы - выявить процессы, которые протекают в зоне взаимодействия поверхностей пары трения лопасть - вкладыш шпинделя, оценить силовую картину нагружения вкладышей и разработать метод, позволяющий при более достоверном определении нагруженности вкладышей шпинделя обеспечить необходимую их работоспособность.
Задачи исследования. Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены следующие задачи:
оценить по интенсивности износа существующий вид взаимодействия поверхностей трения лопасть - вкладыш шпинделей горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана (НЗС) ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;
определить при обработке результатов промышленного эксперимента величину и характер нагрузки, действующей в зоне трения лопасть - вкладыш шпинделя горизонтальной клети НЗС;
выявить характер частотно-амплитудной характеристики динамического процесса в зоне трения лопасть - вкладыш шпинделя горизонтальной клети НЗС и в самом теле шпинделя;
оценить в рамках лабораторного эксперимента методом динамической фотоупругости волновую картину в зоне контакта вкладыша своей цилиндрической и плоской поверхностями с элементами шпинделя;
разработать модель волнового процесса в зоне контакта лопасть - вкладыш универсального шпинделя;
составить динамическую модель привода прокатного стана, дающую возможность определять не только динамическую составляющую нагрузки на вкладыш, но и обеспечивающую исходными данными процесс расчета в зоне трения волновых процессов;
разработать программное обеспечение реализации предложенного в работе метода и выполнить расчет нагрузки в зоне трения лопасть - вкладыш привода горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;
сравнить результаты расчета нагрузок по предложенной в работе методике с экспериментальными данными и показать их адекватность.
Методы исследования. В работе были использованы методы физического эксперимента по замеру энерго силовых параметров оборудования, методы физического лабораторного эксперимента, позволяющие моделировать процессы взаимодействия поверхностей пар трения энергопередающих элементов привода машин методом динамической фотоупругости, а также методы математического моделирования динамических и волновых процессов в элементах привода машин.
Научная новизна. В процессе выполнения работы установлено:
в зоне трения лопасть - вкладыш головной части универсального шпинделя в процессе прохождения через нее механической энергии протекают интенсивные локальные динамические процессы;
локальные динамические процессы формируют нагрузку, которая на порядок выше статической, то есть той, которая до настоящего времени использовалась в расчетах указанных выше пар трения;
локальные динамические процессы являются процессами волнового типа, что вызывает неравномерное нагружение поверхностей пары трения лопасть -вкладыш шпинделя;
локальные волновые процессы протекают с частотами, значительно отличающимися от частот, фиксируемых в это же время в теле шпинделя;
возникающие в результате волнового процесса в зоне трения нагрузки соответствуют той интенсивности износа пар трения шпинделя, которая в этих парах на практике и наблюдается;
разработанный в работе метод учитывает статическую, динамическую и волновую составляющие нагрузки в энергопередающей паре трения и дает адекватные экспериментальным данным результаты.
Практическая ценность и реализация результатов. Разработанный метод и программное его обеспечение для ЭВМ позволяют проводить с высокой скоростью и достаточной точностью расчеты нагруженности пар трения скольжения универсальных шпинделей различных прокатных станов. Результаты исследования могут быть использованы в производстве (в конструкторских
бюро, проектных институтах), в учебном процессе для курса «Оборудование прокатных цехов». Полученные в практике результаты исследований приняты для использования в проектном отделе ООО «ЕвразСервис-Сибирь», что позволит повысить работоспособность прокатного оборудования и увеличить межремонтный срок эксплуатации прокатного стана.
Основные положения, выносимые на защиту:
в зоне трения элементов головной части универсального шпинделя энергопровода механической энергии прокатной клети действуют локальные по характеру и значимые по величине динамические процессы, нагрузка от которых больше чем на порядок превышает статическую нагрузку;
нагрузка в зоне трения шарниров шпинделей носит волновой характер, частота значимых мод колебаний которой более чем в два раза превышает частоту мод колебаний нагрузки, наблюдаемой в теле шпинделя;
характер локального колебательного процесса в парах трения шпинделей зависит от формы контактирующих поверхностей и в большей степени проявляя-ется на поверхности контакта плоских пар трения скольжения;
метод, разработанный на основе модели волнового процесса в зоне трения лопасть - вкладыш универсального шпинделя, учитывает наличие в этой зоне, наряду со статическими, также динамические и волновые процессы и позволяет получать адекватную результатам промышленного эксперимента нагрузку.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (1997 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века» (1999 г.), на десятой (2000 г.), двенадцатой (2002 г.), тринадцатой (2003 г.), четырнадцатой (2004 г.) и шестнадцатой (2006 г.) региональных научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, на региональной научно-практической конференции «Технологические машины и оборудование» (2009 г.), расширенных семинарах кафедры механического оборудования металлургических заводов (2010 г., 2011 г.).
По теме диссертации опубликовано 12 работ, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК. Одна работа - методическое пособие с грифом учебно-методического объединения.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует п. 1 «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии качества, надежности долговечности, промышленной и экологической безопасности», п. 3 «Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин, агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций» и п. 6 «Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой» паспорта специальности 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлургического производства).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, общие выводы, список литературы и приложение. Общий объем работы 161 с, в том числе: основной текст 108 с. (включая 43 рис. и 2 таблицы), список литературы (121 наименование) 12 с, приложение 40 с.
Похожие диссертации на Исследование условий работы и совершенствование метода расчета динамически нагруженных шарниров скольжения шпинделей прокатных станов
