Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития машиностроения большое внимание уделяется созданию высоконадежных систем машин автоматического действия, к которым относятся системы автоматической смены огнеупорных стаканов-дозаторов промежуточного ковша машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), позволяющих повысить степень автоматизации процессов непрерывного литья заготовок и внедрить новые ресурсосберегающие технологии.
В настоящее время использование традиционной технологии замены стаканов-дозаторов предполагает их замену на промковше вручную с последующей «жесткой» стяжкой огнеупорных элементов резьбовыми соединениями. Данный технологический процесс фактически не поддается автоматизации и механизации, приводит к неконтролируемому росту усилия сжатия огнеупорных элементов вследствие температурных деформаций элементов системы, значительные простои оборудования нарушают непрерывность процесса разливки и, вместе с тем, ухудшают качество получаемых слитков. Эти обстоятельства привели к необходимости создания систем разливки стали с автоматизацией процессов замены огнеупорных стаканов-дозаторов.
Системы автоматической смены стаканов-дозаторов ведущих западноевропейских производителей (“Interstop”, “Vesuvius” и др.) отвечают современным требованиям, но особенности конструкций расходных огнеупорных и металлических частей делают трудноосуществимым применение в них импортозамещающих комплектующих. Высокая стоимость современных импортных систем автоматической смены стаканов-дозаторов и огнеупоров к ним вместе с имеющейся громоздкостью конструкций, спецификой обслуживания и подготовки персонала существенно затрудняет их массовое внедрение.
Наибольшая эффективность непрерывной разливки длинными сериями (более 120 плавок) с использованием торкрет-покрытий и тиксотропных футеровок для футеровки промковша может быть достигнута в том случае, когда система автоматической смены стаканов-дозаторов промковша надёжно функционирует в течение всего срока службы его футеровки.
Следует отметить, что наиболее ответственными элементами конструкций систем автоматической смены стаканов-дозаторов, в большей степени отвечающими за их безаварийную работу, являются опорно-прижимные устройства и соответственно, упругие элементы, выполняющие функцию прижима подвижного стакана-дозатора к неподвижному в условиях высоких температур (400-600 С).
Применяемые в настоящее время в составе сталеразливочных систем упругие элементы, изготовленные, как правило, из пружинных сталей 60С2А, 51ХФА и др. при высокой температуре эксплуатации быстро теряют упругие свойства, тем самым вызывая необходимость их частой замены, что приводит к вынужденным простоям оборудования и ухудшению качества получаемых слитков.
Таким образом, актуальность работы обусловлена отсутствием научно обоснованных принципов формирования рациональных структурно-компоновочных решений рассматриваемых систем, необходимостью создания импортозамещающих систем автоматической смены стаканов-дозаторов на основе надежных технических решений, обеспечивающих непрерывность разливки стали в течение всего времени функционирования футеровки промковша.
Цель работы. Разработка импортозамещающих систем автоматической смены стаканов-дозаторов путём выбора рациональных схемных решений, обеспечивающих увеличение периода планово-предупредительной замены упругих элементов опорно-прижимных устройств
Объект исследования. Система автоматической смены стаканов-дозаторов промежуточного ковша машины непрерывного литья заготовок в процессе ее функционирования.
Предмет исследования. Различные варианты опорно-прижимных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов и силовые характеристики упругих элементов в их взаимосвязи.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представленным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию систем автоматической смены стаканов-дозаторов, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, соответствием результатов теоретических расчетов с полученными экспериментальными данными, а также с результатами расчетов и экспериментов, полученными другими авторами.
Методы исследования, принятые в работе заключаются в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов функционирования различных элементов систем автоматической смены стаканов-дозаторов с использованием математических и натурных моделей. При построении математических моделей использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики, системного анализа, теории вероятностей. При постановке экспериментов и обработке экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.
Автор защищает:
-
Аналитические модели структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.
-
Оригинальную конструкцию опорно-прижимного устройства, включающую механизм прижима с двумя независимыми балансирами, в наибольшей степени удовлетворяющую сформулированным критериям качества.
-
Математические модели процессов, возникающих при эксплуатации систем автоматической смены стаканов-дозаторов.
-
Модель параметрического отказа, позволяющую оценивать надёжность перспективных структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств.
-
Инженерную методику проектирования систем автоматической смены стаканов-дозаторов.
Научная новизна.
Впервые установлено взаимное влияние структуры опорно-прижимных устройств и силовых характеристик упругих элементов, работающих в условиях термических нагрузок, на параметрическую надёжность опорно-прижимных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов.
Практическая значимость работы состоит в:
– разработке критериев качества и надежного функционирования устройств, входящих в состав систем автоматической смены стаканов-дозаторов;
– разработке оригинальной конструкции системы автоматической смены стаканов-дозаторов, включающей прижим с двумя независимыми балансирами, обеспечивающими наиболее равномерное распределение нагрузки от упругих элементов;
– разработке инженерной методики проектирования систем автоматической смены стаканов-дозаторов, позволяющей определять рациональные функциональные характеристики и конструктивные параметры систем автоматической смены стаканов-дозаторов, сократить затраты на конструирование.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются при разработке и изготовлении систем автоматической смены стаканов-дозаторов серии «УБС» и шиберных систем дозирования серии «ВТМ», изготавливаемых НПП «Вулкан-ТМ» (г. Тула) по заказам промышленных предприятий РФ и СНГ (ОАО «ММК» (Россия), ТОО «KSP Steel», (Казахстан), ООО «ТСА-СТИЛЛ ГРУПП» (Украина).
Внедрение в учебный процесс заключается в разработке методических указаний для лабораторных работ по определению характеристик, расчету параметров и инженерному проектированию различных типов пружинных узлов, и входящих в их состав тарельчатых пружин. Приложением к методическим указаниям являются программные модули лабораторных работ, используемых при подготовке инженеров по машиностроительным специальностям в Тульском государственном университете.
Апробация работы.
Результаты исследований и материалы работы докладывались на научно-технических международных конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» в 2006-2009 гг. (г. Тула, ТулГУ); работа, представленная на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (г. Тула, 17-20 октября 2008 г.), награждена дипломом 1 степени; региональной конференции «Молодые исследователи – региону» (г. Вологда, ВОГТУ, 2006 г.). Основные результаты работы демонстрировались на международных выставках «Металлэкспо – 2007, – 2008» (г. Москва).
Исследования, представленные в работе, проводились в рамках выполнения НИОКР «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (госконтракт № 8739 от 24.03.2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подана заявка на полезную модель (рег. № 2009141802 от 13.11.2009).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 158 машинописных страницах, содержит 70 рисунков, 13 таблиц и включает список литературы из 101 источника. Объем приложений - 12 страниц.
