автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение долговечности валковых дробилок на основе реконструкции системы демпферов подвижных элементов

На правах рукописи

Пожидаев Юрий Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛКОВЫХ ДРОБИЛОК НА ОСНОВЕ РЕКОНСТРУКЦИИ СИСТЕМЫ ДЕМПФЕРОВ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия).

Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559213

Магнитогорск — 2014

005559213

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор кафедры «П и ЭММО» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» Кадошников Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры горных машин и комплексов ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург) Сайтов Виль Ирхужеевич

кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет» Рыжиков Игорь Николаевич

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург)

Защита состоится «26» декабря 2014 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал. E-mail: dsovet21211103@ mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», http://vvww.magtu.ni/obshchie-svedeniya/struktura-i-organy-upravleniya/strukturnye-podrazdcleniya/obshcheuniversitetskie-sluzhby/nauchnye-sluzhby/otdel-dissertatsionnykh-sovetov/informatsiya-o-zashchishchennoj-i-predstavlennoj-k-zashchite-dissertatsii-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-kandidata-nauk-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-doktora-nauk/3003-pozhidaev-yurij-aleksandrovich.html

Автореферат разослан «29» 40 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование материально-технической базы промышленных предприятий, в том числе металлургических невозможно без постоянного повышения качества и эффективности работы машин и агрегатов. Современное металлургическое производство характеризуется быстрым ростом интенсификации технологических режимов, созданием быстроходных энергоемких машин, что неизбежно ставит всё более жёсткие требования к оборудованию, особенно работающему в цикловых режимах. Как правило, такие машины испытывают знакопеременные нагрузки, имеющие пиковый характер и значительную продолжительность воздействия. Многие из них являются виброактивными, вызывающими повышенные динамические нагрузки.

Таким образом, повышение долговечности валковых дробилок путём реконструкции системы демпферов податливых элементов является актуальной народнохозяйственной задачей.

Объектом исследования являются валковые дробилки, испытывающие вибрацию подвижного элемента. Предмет исследования — их показатели износостойкости и долговечности.

Цель и задачи исследования. Целью является разработка комплекса конструктивных решений, направленных на модернизацию и повышение долговечности системы демпферов податливых опор рабочего валка дробилки.

Достижение цели подразумевает решение следующих задач.

1. Разработать математическую модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки.

2. Разработать методику расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки.

3. Оценить экспериментально возможность повышения долговечности дробилки на основе реконструкции системы демпферов податливых опор рабочих валков.

4. Разработать комплекс конструктивных решений, направленных на повышение долговечности валковых дробилок для переработки кокса.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Аналитическая модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционной системы «валок на податливых опорах - обрабатываемый материал».

2. Методика расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки.

3. Экспериментальные исследования основного устройства системы демпферов податливых опор на основе натурного модельного опыта.

4. Конструктивные решения по модернизации четырёхвалковых дробилок, заключающиеся в оснащении системы демпферов податливых опор электромеханическим виброгасителем и налаживании диагностического контроля технического состояния узлов дробилки.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработана аналитическая модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки, описывающая взаимосвязь параметров внешнего нагружения, свойств материалов и характеристик контактного взаимодействия.

2. Получена базовая зависимость усилия сжатия материала в рабочем пространстве валковой дробилки от трещиностойкости обрабатываемого материала, формы и размера кусков, а также их пористости и др., которая заложена в аналитическую модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки.

3. Разработана методика расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка, отличающаяся тем, что включает в себя приёмы численного решения модели процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки.

4. Построен алгоритм диагностирования технического состояния тяжело нагруженных узлов валковой дробилки, отличающийся тем, что он включает операции сравнения показателей их работоспособности по вибрационному сигналу.

Практическая значимость. Использование методики расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки позволит технологам и конструкторам металлургических и машиностроительных предприятий создавать высокотехнологичные машины и агрегаты, удовлетворяющие современным тенденциям рынка промышленного оборудования.

Разработана конструкция системы демпферов для рекуперации энергии (пат. 111222 РФ на полезную модель) автоколебаний подвижного элемента валковой дробилки. Результаты работы приняты к внедрению в условиях агломерационного цеха ОАО «ММК», что позволит наладить непрерывный диагностический контроль работоспособного состояния узлов дробилки. Модернизация шести дробилок Д4Г 900x700 подразумевает капитальные затраты в размере 2 млн руб., а экономический эффект за год при этом составит 18,8 млн руб.

Теоретическая значимость результатов исследования.

1. Изложены проблемы конструирования валковых дробилок, заключающиеся в отсутствии уточняющих методов расчёта динамики колебаний системы «валок на податливых опорах - обрабатываемый материал», а также выявлены причины возникновения вибрации в процессе дробления.

2. Создана и апробирована аналитическая модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки на основе механики разрушения твёрдого тела и спектральной теории.

3. Изучены электромеханические свойства экспериментального мехатронно-го модуля в режиме виброгасителя и установлены причинно-следственные связи параметров выходного электрического сигнала с входными переменными, характеризующими техническое состояние узлов модуля.

4. Обоснованы преимущества электромеханических виброгасителей, применение которых позволяет наладить техническую вибродиагностику, ресурсосбережение, обслуживание по техническому состоянию объекта и повысить долговечность ударно-фрикционных узлов валковых дробилок.

Методы исследований. Применительно к проблематике диссертации использованы базовые методы исследования:

- теория колебаний, интерпретированная с точки зрения анализа случайного стационарного колебательного процесса;

- спектральная теория, базирующаяся на теориях вероятностей и корреляционного анализа;

- теория надёжности и механики разрушения твёрдых тел;

- математического моделирования и экспериментальных исследований;

- теорий технической диагностики и электропривода.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность полученных в работе результатов и адекватности разработанной математической модели, построенных на её основе методик обеспечивается использованием признанных теорий, строгостью использования математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных и удовлетворительной корреляцией результата расчетов и эксперимента. В частности:

- для экспериментальных исследований применялось сертифицированное оборудование (аналого-цифровой преобразователь модели ЛА-бОШВ; пресс модели ПГМ-1000МГ4, весы лабораторные серии ЭХ-^/Р НПВ, электрогенератор — трёхфазная синхронная электрическая машина с электромагнитным возбуждением и встроенным выпрямительным блоком на кремниевых диодах, модели КИО-3701000-53), а также измерительный инструмент (штангенциркуль ШЦ-Н-250-0,05);

- методика расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки построена на базовых положениях теории колебаний и спектральной теории; теориях вероятностей и корреляционного анализа; теории надёжности и механики разрушения твёрдых тел; теорий технической диагностики и электропривода, неоднократно проверенных в многочисленных исследованиях, опубликованных в трудах известных отечественных и зарубежных учёных;

- расхождение доверительного интервала аппроксимации закона распределения вероятных размеров куска материала под дробление с экспериментальными данными составляет 5%; расхождение доверительного интервала аппроксимации функции корреляционной связи случайного процесса с функциональной зависимостью не превышает 4%; погрешность экспериментальных данных, характеризующих сыпучий материал составляет 12%; суммарная погрешность модели - 13,6%.

Личный вклад соискателя заключается в постановке задач, развитии теоретических положений и анализе результатов научных исследований, а именно: в разработке математической модели колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки; в проведении экспериментальных исследований основного устройства системы демпферов податливых опор на основе

натурного модельного опыта; в разработке конструктивных решений, направленных на повышение долговечности валковых дробилок; в разработке методики расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки.

Реализация работы. Конструктивные решения по модернизации дробилки Д4Г 900x700 приняты к внедрению в условиях агломерационного цеха ОАО «ММК». Методика конструирования и расчета динамических виброгасителей на электромеханических модулях внедрена в инжиниринговой компании ООО «Ар-тех». Методика расчёта динамических систем валковых дробилок внедрена в ООО НТПФ «Эталон».

Соответствие паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности диссертационная работа является прикладным исследованием научных и методологических основ конструирования машин и агрегатов металлургии. Научные разработки, изложенные в работе, направлены на: разработку научных и методологических основ повышения ресурса ударно-фрикционных узлов валковых дробилок; исследование технологических процессов измельчения в валковых дробилках, динамики системы «валок на податливых опорах - обрабатываемый материал» и их взаимодействия с окружающей средой; разработку и повышение эффективности методов диагностики валковых дробилок в целях обеспечения надёжной и безопасной эксплуатации и продления ресурса. Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности 05.02.13 — «Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки», а именно п. 5, 6 и 7.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях различных уровней: на ежегодных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Россия, г. Магнитогорск, 2006-2014 гг.); на четвертом международном промышленном Форуме «Реконструкция промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Россия, г. Челябинск, 2011 г.); на 8-й международной научно-практической конференции «Achievement of high school» (Болгария, г. София, 2012 г.), 9-й Международной научно-практической конференции «MODERNI VYMOZENOSTI VEDY - 2013» (Чехия, г. Прага, 2013 г.). Тема диссертационной работы поддерживалась грантом, полученным по научно-технической программе «Конкурс студентов, аспирантов и молодых учёных Челябинской области» в 2007 г.

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 13 научных публикациях, из них 5 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, один патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 184 наименований, и шести приложений. Текст диссертации изложен на 135 страницах машинописного текста, иллюстрирован 36 рисунками, содержит 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования. Описаны научные положения, выносимые на защиту, новизна результатов исследования, теоретическая и практическая значимость работы. Выбрано направление пути повышения долговечности валковых дробилок за счёт реконструкции системы демпферов податливых элементов, что является перспективным направлением современного металлургического машиностроения.

В первой главе диссертации представлен анализ проблем эксплуатации и методик конструирования валковых дробилок.

Достоинствами валковых дробилок являются простота устройства и надежность работы. Они более экономичны по удельному расходу электроэнергии, чем конусные. Однократность сжатия материала в рабочем пространстве дробилки обусловливает малый выход переизмельчённого сыпучего материала.

Однако существенными недостатками валковых дробилок являются: интенсивное и неравномерное изнашивание рабочих поверхностей валков (бандажей) при обработке прочных и абразивных материалов; сравнительно низкая удельная производительности по отношению к другим дробилкам (щековым, конусным, молотковым и др.); непрерывная вибрация подвижного валка под действием упругой деформации пружин, создаваемой от затягивания обрабатываемого материала.

Основоположниками методик конструирования дробилок являются: Б. В. Клушанцев, П. В. Риттингер, В. А. Масленников, В. А. Бауман, В. А. Кирпи-чев, Ю. А. Муйземнек, Ф. Бонд, Ф. Кик, А. К. Рундквист, Р. А. Родин и др., однако на сегодняшний день нет уточняющих методов расчёта усилия сжатия порции сыпучего материала, а также не описаны способы повышения эффективности эксплуатации валковых дробилок.

Причины возникновения колебаний разного характера в механизмах производственных машин объяснены в трудах С. П. Тимошенко, Я. Г. Пановко, А. А. Андронова, Ж. Л. Лагранжа, О.Э. Мандельштама, В.Л. Бидермана, H.H. Боголюбова и др. Основы конструирования и расчёта демпферов, виброгасителей и виброзащитных систем для технических и технологических устройств освещены Р. И. Фурун-жиевым, А. А. Силаевым, И. Г. Пархиловским, С. А. Добрыниным, М. С. Фельдманом, Г. И. Фирсовым, И. Г. Жарковым, Н. И. Левитским и др., однако никто из них не уделил должного внимания электромеханическим виброгасителям, способным трансформировать энергию колебаний в ЭДС, пригодную для хозяйственных нужд и оценки вибрации в узлах машины.

При обзоре методов и технических средств диагностирования механического оборудования рассмотрены труды следующих учёных: П. П. Пархоменко, В. В. Карибский, А. В. Мозгалевский, В. П. Калявин, А. С. Васин, Б. Ф. Гликман, В. В. Клюев, В. Г. Рыгалин, В. И. Петрович, А. В. Ковалёв и др., внёсших значительный вклад в формирование теории технического диагностирования. Средства диагностирования аналогичного принципа действия существуют, однако никто из перечисленных выше учёных не исследовал варианты использования конструктивных особенностей акселерометров для реализации виброзащиты в металлургических машинах.

Электромеханические виброзащитные устройства следует расценивать как встроенное средство управления (контроля), а интегрированную электрическую машину как устройство преобразования механического импульса в электрический сигнал. По своей сути электромеханический модуль является аналоговым датчиком линейного (углового) движения.

На основании проведенного анализа сформулирована цель диссертационной работы и задачи исследования.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки и методики расчёта среднего ресурса этих узлов. Изучены причины развития автоколебаний податливого валка двухвалковой дробилки и сформулированы условия краевой задачи колебательного процесса при дроблении (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема возникновения колебаний подвижного валка в процессе дробления

Поскольку метод измельчения сыпучего материала в валковых дробилках — это раздавливание и истирание, то первой причиной развития автоколебаний является периодическое изменение баланса между раздавливанием и истиранием. Вторая причина заключается в периодическом изменении размера фракции и попадании кусков, имеющих разные механические свойства. Но в конечном итоге всё это влияет на изменение усилия сжатия. В результате одновременного вращения пары валков в направлении перемещения обрабатываемого материала происходит его затягивание. Предположили, что затягиваемый материал — это упругий элемент с жёсткостью Си и коэффициентом сопротивления км. Валки абсолютно жёсткие.

Аналитическая детерминация природы автоколебаний податливого валка была начата с определения закона распределения вероятных размеров затягиваемых кусков материала. В результате статистической обработки установлено нормальное (Гаусса) распределение. Основные характеристики распределения: математическое ожидание 38,9 мм; дисперсия 108,2 мм2; среднеквадратичное отклонение 10,4 мм.

Энергетический спектр возбуждения частотой со имеет вид:

д

2а(а2 + р2 +а>2)

(1)

Ф(а) - 2 / Я(т) соъ(сот)с1т « о" О '

Н со4+2(а2-р2)а>2 + (а2 +,р2)'

.2,2'

где Н(т) - корреляционная функция, в нашем случае Л(т)= Л(0)-р(т); р(т) - коэффициент корреляции, для аппроксимации приняли р(х)=е"а'т' собОЗт); аИ — средне-

квадратичное значение амплитуды вынуждающей силы, в нашем случае Щ0)=сн. Коэффициенты корреляционной связи а и Р имеют размерность с"1 и описывают главным образом форму колебаний.

Квадрат модульной частотной характеристики подвижного валка дробилки:

с«~*>\ а, (2)

1 л (с0 —тсо ) — к]оз

где к0 - суммарный коэффициент сопротивления, Нс/м; км - коэффициент сопротивления дроблению, Н с/м; См~ коэффициент жёсткости обрабатываемого материала, Н/м; с0 - суммарный коэффициент жёсткости системы, Н/м; т - масса, кг.

Энергетический спектр вынужденных колебаний получен путём перемножения энергетического спектра возбуждения Ф(со) (1) на квадрат амплитудно-частотной характеристики 1¥г(1со) (2):

_(3)

Все диапазоны значений переменных в выражении (3) можно легко определить или вычислить, за исключением механических характеристик материала. В первую очередь нас интересовал коэффициент жёсткости материала (см) и коэффициент сопротивления дроблению (км). Два этих коэффициента связаны между собой величиной усилия сжатия, причём от переменных — перемещения и скорости.

Порцию материала, попавшего между валками, рассматривали как цилиндр с

4 V

диаметром с/ и длиной Ь = Для определения усилия сжатия при дроблении хрупких материалов была разработана базовая аналитическая зависимость:

(4)

15,

где п - число рассматриваемых зон; А'1а - статическая трещиностойкость материала на разных стадиях дробления, обусловленных исследуемыми зонами; 81 — пористость (слоистость) материала; с/, - размер куска материала, обусловленный исследуемой зоной; bj - длина исследуемой зоны.

Под порцией подразумеваем объём материала, сдавливаемый между валками в единицу времени, кратной длительности обработки единицы материала. Исходя из конструктивных особенностей дробилки, порцию описывает выражение:

у = ОЕ. (5)

2т'

где Q — производительность, м3/мин; п — частота вращения валков, об/мин; а — половина угла захвата материала, рад.

Для прогнозирования долговечности элементов ударно-фрикционного узла была разработана методика расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки:

1) Описание конструкции узла трения (условия работоспособности).

2) Определение структуры физико-вероятностной модели процесса формирования постепенных отказов. Был выбран концептуальный подход к решению задачи

прогнозирования среднего срока службы рассматриваемого узла:

Гер = (.Хтах ~ Х0)/Х, (6)

где Хо - начальное значение параметра х; х — скорость изменения параметра за время эксплуатации /; хтах — конечное значение параметра х.

3) Моделирование вибрации подвижного элемента дробилки и поиск рациональных режимов её эксплуатации. Поиск осуществляли при анализе по полученным выражениям среднеквадратических виброперемещений и виброускорений:

с7,2=-]Х((О)ЛУ и <у) = -\о)*3,(а>)с[(о.

4) Оптимизация амплитудно-частотной характеристики податливого элемента валковой дробилки. Поиск решения проводили по зависимости коэффициента сопротивления системы от пропорционального соотношения величин, характеризующих динамическую систему, и варьируемых факторов, отражающих конструктивные и технологические особенности объекта:

—>шт

(Г

1^0 < у £ 0,25_

» ор1, при

с™ <с,„

<п, VI

<*,_ < с/,

(8)

где у — относительное демпфирование; Е — генерированная электроэнергия, Дж; V/ - кинетическая энергия системы, Дж.

5) Расчёт коэффициента эффективности виброзащиты по ГОСТ 24346-80.

6) Расчёт среднего срока службы узла трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки:

Тср = (хтах-х0)/ф, (9)

где в— коэффициент эффективности вибрационной защиты по виброскорости.

7) Расчёт погрешности моделировании вибрации податливого элемента дробилки:

-а.ап +Катр+К'

2

жсп

(10)

где Каст — расхождение доверительного интервала аппроксимации закона распределения вероятных размеров куска материала под дробление с экспериментальными данными; Ка кор — расхождение доверительного интервала аппроксимации функции корреляционной связи случайного процесса с определённой функциональной зависимостью; ЛэКСП — погрешность экспериментальных данных, характеризующих затягиваемый материал.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию динамики мехатронного модуля в режиме виброгасителя.

Была сконструирована установка, отражающая аналогию с исследуемым объектом, для чего были определены два критерия подобия: 1) режим движения инертной массы - возвратно-поступательный; 2) количество инертных масс - одна.

Для проведения экспериментальных исследований сконструирована лабораторная установка (рисунок 2).

Выявлены величины, назначенные факторами: инертная масса т, амплитуда А, мощность (сопротивление) потребителя Л и мощность (напряжение) контура возбуждения электрической машины (У.

Рисунок 2 — Лабораторная установка: а — электромеханическая схема; б — фото; 1— пружина растяжения; 2 — станина; 3 — цепь; 4 — шкив; 5 — клиноременная передача; б - электрогенератор; 7-шток; 8 - источник питания; 9-линейка; 10 - миллиамперметр; 11 — вольтметр; 12 - активные сопротивления

Опыты по нахождению факторного пространства основаны на квадратичных планах Хартли. По итогам планированного эксперимента выведена регрессионная зависимость, описывающая работу ЭДС:

£ = 0,377 + 0,428 (А ^ + 0,56 & 7°'62> - 0,638 ~ ^ +1.341" ^ '12> - . (п)

100

0,31

5-100

_ (т-7,5Х*-0.62) _ (А-20ф-П) +

5-0,31

100-2

(К-0,62»/-12) (т-7.5)» + (Л ■- 200?

0,31-2 5 1002 2

5-2

(А- 200ХД-0,б2)

100-0,31

(Д-0,62)2 0,312

I- 0,698-

Адекватность регрессионной модели (11) подтверждена по нескольким критериям (Фишера, Стьюдента), что позволило перейти к изучению свойств модели.

При проведении опытов приняты следующие допущения. Во-первых, ЭДС генерированной электроэнергии - постоянная величина (среднеквадратичное значение функции и =/(!)) на протяжении всего времени релаксации колебательной системы. Во-вторых, номинальное значение активного сопротивления постоянно и не изменяется в ходе опыта.

Экспериментально установлено, что генерированная электроэнергия является информационным сигналом, который представляет среду для диагностирования, где параметрами диагностирования выступают: напряжение, осциллограмма которого характеризует спектр колебаний; работа ЭДС, характеризующая эффективность конструктивных решений, и энергоёмкость колебательной системы.

Четвертая глава посвящена разработке конструкции и режима эксплуатации виброзащитного устройства диагностирования валковых дробилок. Разработано устройство системы демпферов для рекуперации энергии, которое является электромеханическим виброгасителем (рисунок 3).

Реальным объектом исследования выступила четырёхвалковая дробилка Д4Г 900x700, точнее верхняя пара валков, при работе которой наблюдаются автоколебания. Эти дробилки установлены в агломерационном цехе ОАО «ММК».

X 6-

/ /

Рисунок 3 - Принципиальная схема двухвалковой дробилки, где податливый валок оснащён электромеханической виброзащитой

Использование выражения (3) обязывает к подстановке численных значений величин, характеризующих физико-механические свойства обрабатываемого материала, в частности трещиностойкость. В большинстве случаев отсутствует справочная информация такого рода, поэтому были проведены исследования механических свойств сыпучего материала под дробление, в нашем случае кокса. Важная для моделирования характеристика - трещиностойкость, которая для кокса составила 49,55 Н/мм1"5, или 1,567 МПа-м0'5.

Для разработки проекта по модернизации четырёхвалковых дробилок использовали методику расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки. На основании сравнительного анализа результатов решения краевых задач выдвинуты конструктивные предложения по модернизации элементов ударно-фрикционной системы. Найдены рациональные режимы эксплуатации дробилки на основании моделирования колебательного процесса при дроблении кокса. Определены начальные и граничные значения факторов (таблица 2).

Таблица 2 - Интервалы значений и уровни варьирования факторов

Фактор Начальное значение Минимальное значение Максимальное значение Уровень варьирования

Масса т, кг 3580,6 3148,6 4012,6 432,0

Жёсткость пружин с, Н/мм 6240 2080 6240 2080

Размер куска кокса <1, мм 11 11 65 1

Частота вращения валков п, об/мин 25 25 700 с 25 до 200 -25; + 118 и с 200 до 700-100

На основе плана факторного модельного эксперимента, которым является метод группового отбора, разработан алгоритм (рисунок 4) и написана программа в среде программного комплекса «МаЙЬаЬ» для выборки численных решений. По алгоритму выполнена оптимизация амплитудно-частотной характеристики податливого рабочего валка дробилки, оснащённого электромеханическим виброгасителем.

©-О......

......

ч

СГйТеТ)

Рисунок 4 — Алгоритм для численного решения математической модели

Критериями приняли допускаемые значения среднеквадратических виброускорений [с?г], которые определены исходя из требований, регламентированных СН 2.2.4/2.1.8.566 - 96, по частотам со возбуждения в диапазоне от 2 до 120 Гц. Среднеквадратические виброперемещения [стг] назначили исходя из технологии дробления, в которой определены размеры фракции кокса после первой стадии 1012 мм, а поскольку часть конструктивных предложений заключается в сближении валков вплотную и применении ступенчатой системы упругих элементов, то [ог]=12 мм. Так как конструктивные изменения разделили колебательную систему на две фазы состояния, то возмущения от дробления воспринимаются объектом по-разному (рисунок 5).

Сравнение проводилось по интегральным зависимостям основных характеристик вибрации от коэффициента сопротивления системы, причём для наглядности по оси абсцисс отложены значения относительного коэффициента сопротивления. Отношение некоторого значения коэффициента сопротивления к, из интервала [ко, &тах] к максимальному значению ктгх, характеризующему конкретную фазу, есть относительный коэффициент сопротивления - /&тах. Начальное значение коэффициента сопротивления ко принято равным нулю, т.е. к^=0.

Выполнен расчёт коэффициента эффективности виброзащиты по виброско-

= рущ = 1*9 = 2Д9 и в

ф2

Гсущ _ \ЬЭ_ _ 4 12

4,1 '

80

\

~ 60 ! *

1 —

§ § до 1.

20 Ю О ^- - 1___ 4 „__

О О-г 2 0,4 О.б иоситсльный коэффициент сопротивлени о я» к,/к„ 8

Рисунок 5 - Зависимость виброскорости от относительного коэффициента сопротивления (слева) и зависимость оптимального коэффициента сопротивления системы от обобщённой виброскорости г (справа)

Для каждой фазы был определён максимальный коэффициент сопротивления при относительном демпфировании у, которое составляет 0,25. Учитывая вышесказанное, была определена зависимость оптимального коэффициента сопротивления динамической системы к0 от обобщённой виброскорости г (рисунок 6).

_.

I

4**0,006

-ю

7а

Рисунок 6 — Зависимость оптимального коэффи11иента сопротивления системы от обобщённой виброскорости г

Основой электромеханического виброзащитного устройства является электрическая машина асинхронного типа модели МТФ 412-6 ГОСТ Р 51689 - 2000 с номинальной частотой вращения ротора 960 об/мин и мощностью 30 кВт. Чувстви-

тельность электромеханического виброгасителя к перемещению инертной массы подвижного валка — 1 мм, а передаточные числа: рычажного механизма щ = 7; рейка входит в зацепление с зубчатым колесом £>=100 мм, насаженным на выходной вал планетарного редуктора с и2 = 22.

При эксплуатации валковых дробилок можно наблюдать следующие неисправности или дефекты: биения рабочих валков, вследствие несбалансированных валков в сборе; износ бандажей валков, наблюдается периодически; износ или дефект подшипниковых узлов, играющих роль опор валков; дефекты или неисправности в приводе валков дробилки (например, повышенный износ зубьев редуктора; увеличенное провисание цепи сообщающихся валков; увеличение проскальзывания ремённой передачи и др.). Для идентификации перечисленных дефектов и осуществления метода следящего спектрального анализа разработан алгоритм анализа вибросигнала (рисунок 7).

(К анец)

Рисунок 7 — Алгоритм диагностирования технического состояния дробилки

Ползуны являются узлами трения, задействованными для демпфирования вынужденной вибрации подвижных элементов дробилки, поэтому расчёт среднего ресурса приведён именно для этих узлов трения. Поскольку снижена максимальная скорость отдачи в 2,2 раза на первой фазе и в 4,2 на второй, за счёт применения электромеханического демпфирования вибрации (см. рисунки 5, 6). Учитывая, что условия работы узла трения не изменятся за исключением относительной скорости перемещения поверхностей трибосопряжения, которая уменьшится в 9 раз, то средний срок службы ползунов увеличится в значение, равное коэффициенту эффективности вибрационной защиты по виброскорости. Предположили, что больше будет задействована первая фаза динамической системы, т.е. 0=0ф1. Тогда средний срок службы ползунов увеличится в 2,19 раза. Поскольку обойму подшипников валка дробилки меняют вместе с подшипниками, срок службы которых составляет 10000 ч, тогда был спрогнозирован средний срок службы ползунов, который составляет 21900 ч.

Коэффициент готовности на сегодняшний день составляет 0,9705. Тогда с учётом предпринятых изменений снизится среднее время восстановления до 19,5 часов и увеличится средняя наработка на отказ до 1068,75 ч, при этом возрастёт коэффициент готовности четырёхвалковой дробилки на 1,2% и составит 0,9821.

Проверка адекватности разработанной модели проведена по нескольким критериям, которыми являются значения ошибок и отклонений при статистическом и корреляционном анализах, а также в ходе экспериментальных исследований механических и физических характеристик обрабатываемого материала. По результатам проведённых исследований суммарная погрешность составляет 13,6%.

В результате модернизации четырёхвалковых дробилок время текущих простоев сократится на 75 ч в год, что позволит увеличить объемы производства. Условно-годовая экономия составит 18,8 млн руб. в год при капитальных затратах на модернизацию шести дробилок 2 млн руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель колебательного процесса взаимодействия элементов ударно-фрикционного узла дробилки и сформулированы:

> аналитические выражения, описывающие энергетический спектр и амплитудно-частотную характеристику динамической системы двухвалковой дробилки с учётом механических характеристик обрабатываемого материала;

> базовая зависимость усилия сжатия материала в рабочем пространстве валковой дробилки от трещиностойкости обрабатываемого материала, формы и размера кусков, а также их пористости и др.;

> метод группового отбора для нахождения численного решения поставленной задачи динамики двухвалковой дробилки в процессе дробления;

> критерии поиска области рациональных значений искомого параметра в факторном пространстве кластера, а также способы нахождения оптимального значения коэффициента сопротивления.

2. Разработана методика расчёта среднего ресурса узлов трения по критерию износостойкости направляющих элементов рабочего валка дробилки с целью прогно-

зирования долговечности линейных подшипников скольжения опор валка дробилки Д4Г 900x700. С учётом предлагаемых конструктивных изменений средний срок службы ползунов увеличится в 2,19 раза и составит 21900 ч.

3. Проведены экспериментальные исследования мехатронного модуля в режиме виброгасителя, на основе которых проанализированы поверхности отклика выведенной регрессионной модели и получены результаты:

У установлено, что генерированная электроэнергия является информационным сигналом, который представляет среду для диагностирования, с параметрами: напряжение, осциллограмма которого характеризует спектр колебаний; работа ЭДС, характеризующая эффективность конструктивных решений и энергоёмкость парциальной системы; > выявлены возможности повышения долговечности ударно-фрикционных узлов дробилки путём управления энергетическими характеристиками ме-хатронных модулей, присоединенных к податливым опорам рабочего валка.

4. Разработан комплекс конструктивных решений, направленных на модернизацию четырёхвалковых дробилок Д4Г 900x700, отлаженных для переработки кокса. Комплекс конструктивных решений включает в себя: сближение верхней пары валков вплотную без зазора при начальной наладке дробилки; применение ступенчатого демпфирования в две фазы, где на первой (0-10 мм) фазе жёсткость пружин составляет 2080 Н/мм, а на второй (более 10 мм) фазе - 6240 Н/мм; интегрирование электромеханического виброгасителя в систему демпферов верхней пары валков; программирование блока управления электромеханического виброгасителя для диагностирования технического состояния дробилки. Предложенная модернизация дробилок позволит сократить среднее время восстановления с 26 до 19,5 ч и увеличить среднюю наработку на отказ с 855 до 1068,75 ч, при этом возрастёт коэффициент готовности четырёхвалковых дробилок на 1,2% и составит 0,9821. Экономический эффект тогда будет равен 18,8 млн руб./год.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Pozhidaev Ya.A., Kadoshnikov V.l. Damping-System Design on the Basis of Electrochemical Modules // Russian Engineering research. 2012. Vol.32. No. 5-6. P.478-481. (Рецензируемое издание, включённое в международную базу цитирования Scopus.)

2. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И., Блондинская Е.Б. Модернизация системы демпферов четырехвалковой дробилки с использованием электромеханических модулей для повышения КПД // Ремонт, восстановление, модернизация. 2012. №4. С.24-27. (Рецензируемое издание, рекомендованное перечнем ВАК.)

3. Пожидаев Ю. А., Кадошников В.И. Проектирование демпфирующих систем на электромеханических модулях // Вестник машиностроения. 2012. №5. С. 72-75. (Рецензируемое издание, рекомендованное перечнем ВАК.)

4. Пожидаев Ю. А., Кадошников В.И., Шаповалова Е.О. Исследование эффективности системы демпферов, рекуперирующих энергию колебаний //

Автоматизация и современные технологии. 2012. №12. С. 9-15. (Рецензируемое издание, рекомендованное перечнем ВАК.)

5. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И., Савочкина JI.B. Проектирование демпфирующих систем для рекуперации энергии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. №3. С. 80-83. (Рецензируемое издание, рекомендованное перечнем ВАК.)

6. Pozhidaev Ya.A., Blondinskaya E.B. Design of electromechanical damping system // MATERIÁLY IX MEZINÁRODNÍ VËDECKO - PRAKTICKÁ KONFERENCE «MODERNÍ VYMOZENOSTI VËDY-2013» Technické vëdy. Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o, 2013. Dil 73. P. 39-43.

7. Пожидаев Ю.А., Блондинская Е.Б. Исследование электромеханических демпфирующих устройств //Материали за VIII международна научна практична конференция, «Achievement of high school - 2012». София, 2012. С. 8-12.

8. Пат. 111222 РФ, F16F15/03, B60G13/04 МПК3 B25J 1/2. Система демпферов для рекуперации энергии / В.И. Кадошников, Ю.А. Пожидаев, Е.В. Ше-стопалов, Е.В. Куликова, М.В. Аксёнова, И.Д. Кадошникова, С.Ю. Зайцев, A.M. Чумиков. 5025141/08; заявлено 08.07.2011; опубл. 10.12.2011. БИПМ№34.

9. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И. Методика проектирования демпфирующих систем для агрегатов металлургического производства // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегиональной научно-технической конференции. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. Т. 2. С. 145-148.

10. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И., Кадошникова И.Д. Минимизация перемещений и ускорений колебательной системы с применением электромеханических демпфирующих устройств для рекуперации энергии // Четвертый международный промышленный Форум «Реконструкция промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении»: сб. докл. конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С.127-129.

11. Пожидаев Ю.А. Исследование процессов колебательных систем металлургического оборудования // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им, Г.И. Носова, 2010. Т.1. С. 254-256.

12. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И. Проектирование экспериментальной установки для оценки доли рекуперации кинетической энергии колебательных процессов // Процессы и оборудование металлургического производства: межригеон. сб. науч. тр. / под ред. Платова С.И. Вып. 8. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2009. С. 177-180.

13. Пожидаев Ю.А. Варианты рекуперации энергии колебательных процессов для повышения КПД агрегатов и комплексов, работающих автономно // Инновации молодых учёных/ МГТУ им. Носова. №2. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2008. С. 62-66.

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№1.

Плоская печать. Усл печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 793.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»