автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Повышение надежности и производительности роторных питателей непрерывной варки на базе системного анализа их функционирования



/

Санкт-Петербургский государственный технологический университет рас^иельнь1хд о лим еров

•м'вАК Россив;

ЦрезйДиУ

■ »V вАКРоссие а На правах рукописи

/

Камель Георгий Иванович

Повышение надежности и производительности роторных питателей непрерывной варки на базе системного анализа их функционирования

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д.т.н., профессор | Кугушев И.Д.

0.5.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины.

Санкт-Петербург. 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 9

1 АНАЛИЗ ИМЕЮЩИХСЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ РОТОРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................. 17

1.1. Назначение и область применения установок непрерывной варки............................................................... 17

1.2. Принцип и условия работы питателя............................. 19

1.3. Существующие представления о причинах износа деталей питателя.................................................................. 21

1.4 Установки непрерывной варки Пандия, Бауэр и Дефибра-

тор....................................................................... 24

1.5. Условия работы роторных питателей Пандия, Бауэр и Де-фибратор................................................................. 30

1.6. Существующие представления об износе роторных питателей Пандия, Бауэр и Дефибратор............................... 40

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................... 43

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РОТОРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ........................... 45

2.1. Методика определения износа деталей роторных питателей в производственных условиях................................ 45

2.2. Методика определения количества абразивных частиц в растворе................................................................. 49

2.3. Математическая модель процесса протечек щелочного раствора, поступающего из котла типа Камюр в питательную трубу через питатель............................................. 50

2.4. Исследование изменения зазоров между рабочими по-

верхностями, ротора и корпуса.................................... 57

2.5. Исследование нагрузок, действующих на вращающийся ротор.................................................................... 70

2.6. Разработка установок для исследования изнашивания материалов на гидро- и газоабразивный износ................... 85

2.7. Определение механизма изнашивания сопрягаемых поверхностей роторных питателей.................................. 88

2.7.1. Исследование структурных превращений на образцах, бывших в эксплуатации и испытанных на лабораторной установке.............................................................. 88

2.8. Влияние коррозионного фактора в процессе износа деталей питателя........................................................... 94

2.9. Определение шероховатостей рабочих поверхностей деталей питателя......................................................... 99

2.10. Образование гидроударов в роторном питателе Камюр и

пути их устранения................................................. 99

2.11. Динамика процесса загрузки роторных питателей Камюр..................................................................... 108

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ РОТОРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ...............................,... 117

3.1. Основы теории изнашивания деталей роторных питателей....................................................................... 117

3.1.1. Характер изнашивания ротора Камюр......................... 117

3.1.2. Влияние режима протечек щелочного раствора на износ деталей питателя и обратное влияние износа на режим протечек щелочного раствора..................................... 123

3.1.3. Характер и механизм износа поверхности корпуса................128

3.1.4. Динамика процесса изнашивания рабочих поверхностей питателя Камюр..........................................................................................135

3.1.5. Распределение износа по рабочим поверхностям роторов Бауэр, Пандия и Дефибратор............................................................137

3.1.6. Распределение износа по рабочим поверхностям корпусов Камюр, Пандия, Бауэр и Дефибратор..........................................144

3.1.7. Математическая модель рельефа износа поверхности ротора и корпуса питателя Камюр..........................................................151

3.2. Исследование суммарного износа питателя........................................158

3.3. Рациональная компенсация зазора в роторных питателях.. 161

3.4. Микротолчковая компенсация зазора в питателе Камюр... 170

3.5. Исследование влияния эксплуатационных параметров при компенсации зазора в питателе Камюр...................................177

3.6. Микротолчковая присадка ротора при различных значениях зазора на основаниях и средних перемычках деталей питателя Камюр..............................................................................................................186

3.7. Разработка и исследование циклограмм работы роторных питателей...........................................................................193

3.7.1. Циклограмма роторного питателя Камюр......................................193

3.7.2. Циклограмма питателя Пандия....................................................199

3.7.3. Циклограмма входящего питателя Бауэр........................................203

3.7.4. Циклограмма выходящего питателя Бауэр............................207

3.7.5 Циклограмма питателя Дефибратор......................................................209

4. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РОТОРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ.......................................................................................215

4.1. Пути повышение долговечности питателя за счет изыскания методов компенсации износа................................. 215

4.1,1. Основы прогнозирования долговечности питателей....... 215

4.2. Повышение долговечности роторных питателей за счет изменения и совершенствования их конструкций............. 236

4.2.1. Влияние размеров средних перемычек ротора и корпуса Камюр на долговечность питателя............................. 236

4.2.2. Влияние перекрытия прорези корпуса ребром ротора на долговечность питателя Пандия................................ 241

4.2.3. Влияние наклона ребер ротора и прорези корпуса на долговечность питателя Пандия............................... 245

4.2.4. Изменение конструкции устройства для гашения гидроударов в питателе Камюр...........................!........ 252

4.2.5. Совершенствование конструкции подшипниковых узлов питателя........................................................ 253

4.2.6. Снижение ударных нагрузок при срезании щепы в питателе Камюр...................................................... 254

4.3. Выбор материалов для изготовления деталей роторных питателей............................................................... 256

4.4. Конструктивные решения по снижению вероятности самозаклинивания, схватывания и заедания в шпателях....... 262

4.5. Влияние засоренности технологической щепы на долговечность роторных питателей..................................... 273

4.6. Математическая модель долговечности питателя Камюр....................................................................... 275

4.7. Влияние конструктивных размеров рубашки корпуса на

долговечность питателя Камюр................................... 281

5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РОТОРНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ.... 289

5.1. Энергосиловые характеристики привода шпателя Камюр.................................................................... 290

5.2. Загрузка карманов ротора питателя Камюр технологической щепой............................................................. 294

5.3. Выгрузка карманов ротора питателя Камюр от технологической щепы........................................................ 299

5.4. Ускорение процесса выгрузки карманов ротора от мелкой щепы и опилок при сохранении рабочих параметров варки......................................................................... 302

5.5. Увеличение заполнения карманов ротора Камюр щепой за

счет использования жесткой решетки............................ 305

5.6. Увеличение заполнения карманов ротора щепой за счет введения гибких элементов........................................ 308

5.7. Увеличение объема загрузки карманов ротора Пандия щепой за счет расположения перегородок карманов под утлом к радиальной плоскости.................................... 310

5.8. Увеличение объема карманов ротора за счет ввода ребер жесткости............................................................... 312

5.9. Увеличение объема карманов ротора за счет облицовки

его поверхности коррозионностойким материалом.......... 315

5.10. Увеличение заполнения карманов ротора щепой за счет улучшения режущих свойств между задней кромкой сит

и передней кромкой ротора...................................... 315

5.11. Увеличение объема карманов ротора Камюр за счет ввода ступенчатой конструкции сопряжений ротора и кор-

пуса................................................................... 319

6. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РОТОРНЫХ ПИТАТЕ-. ЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ......................................... 322

6.1. Основы восстановления деталей роторных питателей...... 322

6.1.1. Влияние износостойкой наплавки ротора и корпуса на долговечность роторного питателя Камюр.................. 323

6.1.2. Надежность деталей-роторных питателей, работающих

в условиях трения, смазки и износа......................................................325

6.2. Принципы построения рациональной восстановительной технологии........................................................................................................................330

6.3. Основы выбора наплавочных материалов............................................332

6.4. Технологические операции наплавки деталей роторных питателей............................................................................................................................335

6.4.1. Рациональная технология ремонта корпусов роторных

питателей........................................................... 338

6.5. Повышение надежности роторов, имеющих технологические и эксплуатационные трещины.............................. 341

6.6. Повышение надежности питателей за счет термообработки их деталей......................................................... 343

6.7. Влияние качества ремонтных работ на нарушение надежности роторных питателей......................................... 346

6.8. Изменение конструкции корпуса и рубашки питателя..... 348

6.9. Рациональный расход рубашки корпуса питателя............ 350

6.10. Увеличение надежности деталей питателя за счет внедрения электроконтактной обработки наплавленных

поверхностей............................................................................................................356

6.11. Повышение эксплуатационной надежности питателей Камюр с рубашкой из стали 10Х13НДЛ..........................................357

6.12. Эффективность реализации теоретических положений конструктивных и технологических разработок......................362

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................3 66

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................369

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................387

ВВЕДЕНИЕ

Развитие целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) Длительное время сдерживалось недостаточным отечественным развитием целлюлозно-бумажного машиностроения (ЦБМ), которое в 1960 г. удовлетворяло потребности в техническом оборудовании только на 10-15%. После выхода в свет Постановления СМ СССР от 7 апреля 1960 г., №478 "О мерах по ликвидации отставания в целлюлозно-бумажной промышленности", машиностроение, обеспечивающее эту отрасль, фактически получило второе дыхание. За короткое время в стране введены в действие крупные производственные мощности по выпуску целлюлозно-бумажного оборудования, в том числе варочные котлы непрерывного действия производительностью 800-900 т/сут. Построены современные специализированные заводы бумагоделательного машиностроения в Ижевске и Петрозаводске, реконструирован Днепропетровский завод тяжелых бумагоделательных машин им. Артема и др. В целом выпуск технологического оборудования, изготовленного отечественным бумагоделательным машиностроением за период с 1960 по 1985 г.г., возрос более чем в 20 раз.

В связи с непрерывным ростом требований к надежности и долговечности машин, особенно роторным питателям непрерывной варки целлюлозы и полуцеллюлозы (НВЦ и П), с ужесточением условий их работы и эксплуатационной нагруженности, исследования, направленные на повышение и прогнозирование несущей способности деталей, работающих в экстремальных условиях (при температуре 120-160°С и давлении коррозийной среды 0,2-1,4 МПа), остаются актуальными.

Решение этой проблемы требует изучения эксплуатационной нагруженности деталей, анализа причин отказов в процессе эксплуатации, закономерностей влияния рабочей среды, конструктивных, технологических

и используемых материалов на износ деталей роторных питателей, а также создание новых упрочняющих технологий при ремонтных работах.

Долговечность и несущая способность нагруженных деталей роторных питателей НВЦ и П в значительной мере определяется состоянием рельефа поверхностного слоя, который образуется в процессе механической обработки при ремонтных работах, формируется в процессе эксплуатации в основном за счет режимных параметров протечек щелочного раствора через питатель, используемых износостойких материалов и их антифрикционных характеристик на отдельных участках сопрягаемых поверхностей.

В связи с этим, повышение надежности и долговечности роторных питателей НВЦ и П рассматривалось автором с учетом влияния конструктивных, технологических, эксплуатационных и физических характеристик используемых материалов, свойств поверхностных рабочих слоев.

Учитывая важное научное и практическое значение проблемы повышения надежности и долговечности оборудования ЦБП на протяжении 1976-1996 гг. в Запорожском государственном техническом университете (бывшем Запорожском машиностроительном институте) была создана отраслевая лаборатория "МИШШСБУМПРОМ'' СССР, которая проводила широкий круг исследований, направленных на увеличение надежности и долговечности оборудования НВЦ и П.

Изучение проблемы повышения надежности и долговечности роторных питателей НВЦ и П выполнялось при непосредственном участии автора, как неотъемлемая составная часть комплексных исследований, предусмотренных Постановлением СМ СССР №212 от 11.02.1986г., Постановлением СМ УССР №400 от 21.11.1986 г., приказом МИНЛЕСБУМПРОМА СССР №49 от 9.02 1982 г., №423 от 18.11.1985 г. и №139 от 27.03.1986 г., Республиканской целевой комплексной програм-

мой РЦКП "Материалоемкость" (Шифр задания РН.81.02.1.07.02. и РН.Ц.003).

Представляемая работа посвящена развитию закономерностей повышения надежности и производительности роторных питателей и механизмам разрушения сопрягаемых поверхностей деталей роторных питателей, работающих в условиях контакта с продуктами варки щелочной или паровой среды, характерных для роторных питателей Камюр, Пандия, Бауэр и Дефибратор. Работа направлена на решение важной государственной проблемы - создания на этой основе надежных и производительных роторных питателей НВЦиП для удовлетворения потребностей всей отрасли ЦБП.

В работе были поставлены и решены такие запросы:

- выбор и обоснование методики оценки надежности работы роторных питателей, исходя из природы разрушения деталей роторных питателей НВЦиП;

- обоснование выбора нового показателя оценки долговечности и надежности работы роторных питателей;

• - установление механизма разрушения и формирования пространственной картины рельефа на различных участках сопрягаемых поверхностей роторных питателей;

- изучение влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров на надежную и производительную работу роторных питателей;

- формирование принципов комплексного влияния конструктивных технологических изменений деталей и узлов роторных питателей с учетом сохранения рабочих параметров с одновременным повышением надежности этих узлов в эксплуатации;

- создание на основе анализа закономерностей образования рельефа на сопрягаемых участках деталей (в зависимости от конструктивных, тех-

нологических и эксплуатационных параметров) новых роторных питателей НВЦиП;

. - разработка на базе анализа энергосиловых и кинематических характеристик привода новой схемы принудательной микротолчковой компенсации зазора (ПМКТКЗ) в питателе;

- исследование образования гидроударов в роторном питателе и конструктивные решения, направленные на их устранение;

- исследование особенностей загрузки и выгрузки карманов ротора щепой в зависимости от производительности насоса, конструкции карманов ротора и частоты вращения ротора;

- исследование особенностей распределения крутящего момента в основных узлах роторного питателя.

Научная новизна

1. Разработана теория проточек щелочного раствора через питатель , позволяющая объяснить природу , виды и закономерности износа ротора и корпуса и учитывающая комплексное влияние на них его конструкции и режимных параметров.

2. Установлена физическая природа загрузки питателя щепой : это есть разность полных энергий гидросмеси , на поверхности щёлочи в питательной трубе и в области сит , обусловленная торможением потока щелочного раствора.

3. Разработана математическая модель процесса загрузки (выгрузки) карманов роторного питателя Камюр , в которой введён новый показатель - кратность циркуляции щелочного раствора , отражающей связь производительности насоса , объёма кармана ротора и частоты вращения ротора.

4. Установлен баланс распределения развернутого угла секции корпуса : на загрузку и выгрузку приходится 40% развернутого угла , обеспе-

чивает стабильную работу питателя , 50% - приходится на рабочие поверхности , выполняющие функции запорного устройства , и 10% на предварительный рост давления в кармане ротора.

5. Предложена новая схема принудительной микро толчковой компенсации зазора , позволяющая решать целый ряд задач: замены граничного трения жидкостным , уменьшения нагрузки на привод, увеличения срока службы питателя.

6. �