автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование систем автоматической смены стаканов-дозаторов

На правах рукописи

ПРОВОТОРОВ Дмитрий Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ СТАКАНОВ-ДОЗАТОРОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ДЕК 2003

Тула 2009

003488349

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

ЗОЛОТУХИН Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПРОСКУРЯКОВ Николай Евгеньевич

кандидат технических наук, ДОРОФЕЕВ Генрих Алексеевич

Ведущая организация: ГНЦ РФ «ВНИИМЕТМАШ»

Защита диссертации состоится "25"декабря 2009 г. в ч. на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 84, к.7 (учеб. корп 4, ауд. 311).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТулГУ.

Автореферат разослан "НОЯС)рД 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (MHJI3), 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 сжагия 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 футе-ровок 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 ис-пользо(!анием 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:

1. Аналитические модели структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2. Оригинальную конструкцию опорно-прижимного устройства, включающую механизм прижима с двумя независимыми балансирами, в наибольшей степени удовлетворяющую сформулированным критериям качества.

3. Математические модели процессов, возникающих при эксплуатации систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

4. Модель параметрического отказа, позволяющую оценивать надёжность перспективных структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств.

5. 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, 1720 октября 2008 г.), награждена дипломом 1 степени; региональной конференции «Молодые исследователи - региону» (г. Вологда, ВОГТУ, 2006 г.). Основные результаты работы демонстрировались на международных выставках «Ме-таллэкспо - 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 (per. № 2009141802 от 13.П.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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, приведены данные о научной новизне, практической значимости, апробации и реализации результатов работы.

В первом главе рассмотрено состояние изучаемого вопроса, сущность и способы обеспечения процесса непрерывной разливки стали, рассмотрены структура и тенденции развития систем автоматической смены стаканов-дозаторов, а также основные научные подходы к их проектированию.

Процесс непрерывной разливки стали осуществляется на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), при этом эффективность работы МНЛЗ оценивают по выходу годного металла, машинному времени разливки, производительности ручья, а также уменьшению простоев, связанных с заменой огнеупорных стаканов-дозаторов, используемых для разливки стали на участке промежуточный ковш-кристаллизатор.

В качестве действенной меры, позволяющей устранить указанные негативные последствия затягивания или размывания канала стакана-дозатора в условиях непрерывной! разливки, считают оборудование промковша системами автоматической смены стаканов-дозаторов, работающими по принципу действия скользящих затворов и обеспечивающими замену пришедшего в негодность стакана-дозатора новым в течение 1-2 секунд, т.е. практически без прерывания процесса истечения жидкой стали в кристаллизатор. Наибольшая эффективность непрерывной разливки может быть достигнута в том случае, когда система автоматической смены стаканов-дозаторов промковша безотказно функционирует в теченне всего срока службы его футеровки.

Сопоставляя требования к современным конструкциям систем автоматической смены стаканов-дозаторов с существующими конструктивными решениями, можно заключить, что совершенствование и повышение надёжности систем автоматической смены стаканов-дозаторов целесообразно рассматривать на уровне опорно-прижимных устройств, так как именно они определяют безотказную и безаварийную работу всей системы и присутствуют абсолютно во всех известных конструкциях.

Из анализа механизмов прижима следует, что количество точек приложения нагрузки к стакану-дозатору ограничивается лишь габаритами стакана-дозатора и упругих элементов, каких-либо закономерностей относительно ис-

пользования конкретного числа точек приложения нагрузки не выявлено. Таким образом, актуальным остаётся вопрос выбора рационального количества точек прижима.

В работах Полубесова С.Г., Шестопапова В.Н. упоминается, что стакан-дозатор под действием высокой температуры имеет искажения рабочей поверхности от заданной формы, которая принимает параболический вид. В этом случае, в наибольшей степени на устойчивость подвижного стакана-дозатора оказывает влияние форма его фланца и количество точек приложения прижимных сил, что и позволяет определить расчетные схемы для создания модели устойчивости подвижного стакана-дозатора под действием прижимных сил наиболее перспективных структурно-компоновочных вариантов огюрно-прижимных устройств.

Общим недостатком рассмотренных выше механизмов прижима является то, что каждый упругий элемент жестко воздействует на отдельный рычаг. Данный недостаток может проявляться в том, что в процессе эксплуатации упругие элементы могут с различной скоростью терять упругие свойства, что отрицательно сказывается на устойчивости перемещаемых стаканов-дозаторов и увеличивает вероятность прохода металла между контактными поверхностями стаканов.

Анализ используемых в механизмах прижима упругих элементов показал, что наиболее приемлемым вариантом с точки зрения обеспечения надёжности является пакет тарельчатых пружин. Каждая тарелка является независимым отдельным элементом, обладающая собственным ресурсом, и при осадке какой-либо тарелки в узле вся нагрузка перераспределяется между остальными, не вызывая при этом резкого отказа всего пружинного узла.

Следует отметить отсутствие методики определения и оценки значений сил, создаваемых тарельчатыми пружинами при сжатии на величину рабочего перемещения в условиях повышенных температур.

Силу, создаваемую пружиной при той или иной осадке Л, принято определять по известной формуле

где Е - модуль упругости материала пружины; D - внешний диаметр пружины, d- внутренний диаметр пружины,/- высота внутреннего конуса; s - толщина пружины, X - величина осадки.

Существующая методика расчета тарельчатых пружин, широко представленная в работах В.И.Феодосьева, С.Д. Пономарева, J1.E. Андреевой, а также регламентированная ГОСТ 3057-90, справедлива для определения значений сил при той или иной осадке при температуре до 150 °С и не учитывает склонность материала к температурному расширению при температуре эксплуатации пружин 400-600 °С.

(1)

Конструктивно системы автоматической смены стаканов-дозаторов схожи с шиберными системами дозирования стали и отличаются необходимостью отвода привода рабочего движения из зоны загрузки дли установки расходуемого огнеупорного элемента манипулятором на позицию ожидания, поэтому при исследовании рассматриваемых систем следует принимать во внимание существующие научные достижения в области исследования шиберных систем дозирования стали.

Анализ зарубежных структурно-компоновочных решений систем автоматической смены стаканов-дозаторов и патентно-информационных материалов, опыта проектирования и эксплуатации отечественных шиберных систем дозирования стали серии «ВТМ» (ВТМ-30, ВТМ-50), а также научных трудов В.Н. Шестопалова, В.Л. Пилюшенко, С.П. Еронько, И.Е. Зегера, В.Т. Тимофеева, Л.И. Майорова, В.И. Золотухина, С.Г. Полубесова к других авторов показал, что научно-обоснованных решений по рационализации компоновочной структуры и определению конструктивных параметров систем автоматической смены стаканов-дозаторов не существует. Отмечено, что принципы проектирования сталеразливочных устройств должны быть основаны на необходимости компенсации нестабильности геометрических параметров огнеупорных элементов, коробления и температурной деформации огнеупорных и металлических частей в результате их нагрева. В работах подчеркивается, что отличительной особенностью проектирования сложных технических систем металлургического производства является невозможность полноценных экспериментальных исследований и создания опытных образцов изделий.

В соответствии с вышеизложенным, задачами диссертационного исследования являются:

- построение моделей структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов и синтез структурно-компоновочных вариантов на основе сформулированных критериев качества;

- исследование устойчивости перемещаемых стаканов-дозаторов под воздействием упругих сил;

- разработка и анализ математической модели функционирования жаропрочной тарельчатой пружины в термонапряженном состоянии;

- проведение экспериментальных исследований функционирования жаропрочных тарельчатых пружин в термонапряженном состоянии;

- разработка модели параметрической надежности перспективных конструкций опорно-прижимного устройства;

- разработка инженерной методики проектирования систем автоматической смены стаканов-дозаторов;

- внедрение результатов исследований и полученных разработок в процесс промышленного проектирования и в учебный процесс при подготовке инженеров по машиностроительным специальностям.

Во второй главе разработана морфологическая классификация и модели структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

Показано, что система автоматической смены стаканов-дозаторов может представлять собой четырёхъярусную древовидную структуру, распределённую по уровням. На верхнем уровне находится система автоматической смены стаканов-дозаторов, представляющая собой совокупность взаимосвязанных функциональных устройств: загрузочного, переталкивающего, опорно-прижимного и выгрузочного. Функциональные устройства включают в себя функциональные и управляющие механизмы, состоящие из исполнительных органов и элементов привода.

Механизмы системы объединяются между собой структурными связями, которые могут быть внутренними и внешними, функциональными и управляющими. В системах автоматической смены стаканов-дозаторов структурные связи могут реализовываться в следующем виде: механические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

На уровне функциональных устройств выявлено четыре разновидности структурного построения систем автоматической смены стаканов-дозаторов: сокращённая, свёрнутая, квазисвёрнутая и развёрнутая схема. Наиболее распространённой, простой и надёжной является сокращённая схема, состоящая из опорно-прижимного и переталкивающего устройства.

Для выявления многовариантности структурного построения систем автоматической смены стаканов-дозаторов на уровне функциональных механизмов и исполнительных органов методами морфологического классифицирования выявлено по шесть функционально значимых признаков для переталкивающего и опорно-прижимного устройства. Выявленные признаки, на основе известных решений и логических рассуждений, позволили составить морфологические таблицы и матрицы совместимости структурно-компоновочных признаков. На базе этого в дальнейшем могут быть синтезированы новые схемные решения систем автоматической смены стаканов-дозаторов, при этом выбор наиболее перспективных вариантов целесообразно производить в соответствии со сформулированными критериями качества функциональных устройств, входящих в их состав.

Критерии качества и надежного функционирования опорно-прижимных устройств, входящих в состав систем автоматической смены стаканов-

дозаторов, можно определить как функции цели ) для множества всех

вариантов описания подсистемы IV, ну е IV.

Тогда задачу синтеза рациональных вариантов опорно-прижимных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов можно записать как

w¡) -> тт/ е IV ,

где - рациональное значение критерия качества.

Для опорно-прижимного устройства первый критерий качества определен с учетом необходимости обеспечения постоянной величины силы прижатия стакана-дозатора

/01 = Кд = I6' внам\-+тп,

ЙнОЛ!

где /0| = - коэффициент изменения силы прижима; (¿н - номинальная сила

прижима стакана-дозатора.

Второй критерий качества и надежного функционирования опорно-прижимных устройств можно представить в виде

/Ы

02

где / - выравнивающая способность опорно-прижимного устройства, обу-

и

сдавливающая устойчивость перемещаемого стакана-дозатора; £ мк -

к=\

главный момент всех прижимных сил, действующих относительно точки, расположенной на оси сталеразливочного канала.

Результатом синтеза новых структурно-компоновочных вариантов систем автоматической смены стаканов-дозаторов является разработка оригинальной конструкции (рис.1), включающей опорно-прижимное устройство, содержащее два независимых балансира /, при этом балансиры выполняют функцию выравнивания нагрузки, создаваемой упругими элементами 2. Рычаг 3 имеет 7-образную форму, симметричную относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей, что позволяет размещать упругий элемент меньшей жесткости, а соответственно большей надежности.

Рис. 1. Опорно-прижимное устройство с рычажно-балансирной схемой прижима: / - балансир, 2 - упругий элемент, 3 - рычаг

В третьей главе проведены теоретические исследования рассматриваемых систем для определения степени влияния конструктивных параметров схемных решений опорно-прижимных устройств на надёжность их функционирования.

Равновесие стакана-дозатора является устойчивым, если равнодействующая всех прижимных сил Я проходит через площадку плотного контакта, ограниченную радиусом г. В качестве иллюстрирующего примера приводятся расчетные схемы прижима стакана-дозатора с 8 равноудаленными точками приложения нагрузки (рис. 2).

Рис. 2. Расчётные схемы прижима стакана-дозатора: а - с двумя независимыми балансирами; б - рычажная

Условие устойчивости стакана-дозатора с четырьмя равноудаленными точками прижима для рассматриваемых схем определяется как

\\ 1 (

+ а

Л \ V

-/=3 - ¿4 + /г! + /■;,

17\ -{-Р2 + Р/+

>0, (2)

/4 + ^3-^2-^4

где а и 6 - расстояния от оси симметрии до крайних точек приложения нагрузки по длине и ширине фланца стакана-дозатора.

Для балансирной. схемы прижима силы Fi равномерно распределены на каждой стороне стакана-дозатора вдоль линии его перемещения и связаны с соотношением:

и/2

1а

р. -

п/7

где п - количество точек приложения нагрузки к стакану-дозатору, I = 2т, meN - для одной из сторон стакана-дозатора,

Г;и е Л/,

/ = 2т +1, - для противоположной стороны стакана-дозатора.

_т = 0

Аналогично выражению (2) определены условия устойчивости для схем прижима с 8, 12 и т.д. точками приложения нагрузки, позволяющие оценивать устойчивость стакана-дозатора при снижении нагрузки, создаваемой упругими элементами.

На рис. 3 представлены зависимости, полученные из выражения (2).

а б

Рис.3. Графики измеиения Агс при снижении значений, создаваемых упругими элементами, в % от номинального значения в зависимости от количества точек прижима и: а-рычажная схема прижима; б - схема прижима с двумя независимыми балансирами

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод, о том, что при снижении значений сил, создаваемых упругими элементами на 20 % от номинального значения, прижим стакана-дозатора в 4 точках, реализуемых обеими структурно-компоновочными схемами, не удовлетворяет условию устойчивости (Лгс >0) и неизбежно ведет к проходу жидкого металла между контактными поверхностями стаканов-дозаторов. Увеличение количества точек прижима с 8 до 20 приводит к увеличению устойчивости стакана-дозатора не более, чем на 7%, но существенно сказывается на габаритах опорно-прижимного устройства, поэтому наиболее рациональным для рассматриваемых структурно-компоновочных схем принято число точек прижима равным восьми.

С целью определения значений сил (),, создаваемых тарельчатыми пружинами при работе в условиях высоких температур (до 600 °С), разработана математическая модель функционирования жаропрочных тарельчатых пружин в термонапряженном состоянии, согласно которой сила Q¡, создаваемая каждой пружиной, будет равна сумме силы Р, определяемой по выражению (1) и дополнительной силы Р1, возникающей при нагревании пружины.

В рабочем состоянии размеры каждой пружины увеличиваются из-за теплового расширения на величину

где 10- номинальный размер; а - коэффициент линейного расширения материала, / - рабочая температура.

В силу того, что пакет пружин в рабочем состоянии не имеет свободного хода, то оно вынуждено размещаться в пределах установленной рабочей высоты. При этом 13 сечении создаются дополнительные напряжения и, соответственно, упругая сила, создаваемая пружиной, увеличивается. В этом случае ве-

личина дополнительной силы, создаваемой пружиной в термонапряженном состоянии определена:

, D-d (Dt-dt)

p= EnEtS,(S,-s) ' {Dt-dt)-{D-d)

2 (f-X) 2 (St-s) D-d (Dt-dt)

n 2 J 2

A ~d,

8

12

/ .->< . D/ '—f ' In —-

7-

(3)

где Е( - модуль упругости материала при температуре /, - геометри-

ческие размеры тарельчатой пружины при температуре I

На рис. 4 представлены теоретические кривые изменения силы, создаваемой тарельчатой пружиной при сжатии на величину рабочего перемещения, рассчитанные по известной формуле (1) и по формуле (2), полученной в результате математического моделирования.

б.Н

1200

¡150

1100

1050

1000

4

■—

ч V ч

> ч N N

100

200

300

400

500

IX

Рис. 4. Теоретические кривые изменения силы, создаваемой тарельчатой пружиной при сжатии на величину рабочего перемещения:

---рассчитанные по известной формуле (1),

- рассчитанные по формуле (2), полученной в результате

математического моделирования

Зная температурные условия эксплуатации пружинных узлов, согласно формуле (2) можно определить упругие силы, создаваемые тарельчатыми пружинами при заданной осадке, а также для каждого варианта исполнения пружин установить температурный диапазон, при котором силы не выйдут за допустимые пределы.

Для прогнозирования надежности опорно-прижимного устройства целесообразно использовать модель параметрического отказа, которая позволяет получить математическое описание изменения выходных параметров с течением времени, а также учитывает их стохастическую природу. Критерием параметрического отказа в данном случае будет нарушение условия работоспособности, а именно, значение модуля радиус-вектора точки прохождения равнодействующей всех прижимных сил и их общее значение не выйдут за допустимые

пределы в течение заданного периода эксплуатации, а количественной мерой надёжности - вероятность выполнения этого условия.

Выражение для определения модуля радиуса-вектора точки С может быть записано в виде:

гс-Ог = Р.

п

где (Эе = X й " суммарная сила прижатия стакана - случайная величина, рас-/=1

пределенная по нормальному закону, р - случайная величина, имеющая размерность момента силы и определяемая для каждой из рассматриваемых структурно-компоновочных схем (рис. 1) по формулам, выраженным через силы, создаваемые упругими элементами: - для рычажной схемы прижима

(А(а + 03 + 25 + 07 "02 - 04-Об -&))

а

V V

й+62-07-08-для балансирной схемы прижима

(03 +04 ~05 ~0б) 3

(3)

Рб = 1 +03 + 05 + 07 - 02 - 04 - 06 - 08))2 • (4)

Для нахождения вероятности того, что значение модуля радиус-вектора точки прохождения равнодействующей всех прижимных сил не выйдет за допустимые пределы, воспользуемся соотношениями (3) и (4). Введя постоянную

величинус = л!а +Ь , после преобразований получим соответствующие выражения:

- дня рычажной схемы прижима

Гр(>Ъ<г) = \-

1..2 „ 2 , „ 2 V' +°р

ехр

2 2

г

2-(г2-ад2+ар2)

- для балансирной схемы прижима Р6{гс<г) = \-

у]г2 +с2

ехр

2 2 г -тд

4 ■^■(г2+с2))

Выражение для определения вероятности выполнения ограничения по минимально допустимой силе прижима стакана-дозатора дня обеих схем прижима одинакова и находится из предположения о нормальности распределения силы 0,1 с помощью интегральной функция Лапласа:

' mQ~Qn 2-an

Совместная вероятность выполнения двух условий равна произведению вероятностей безотказной работы по каждому параметру: - для рычажной схемы прижима

>п0 ~6тш 4

Р+с2

ехр

2 2 Г -™<2

2-OQ-(r2+c2)

0,5+Ф

v 2"öß ,

' mQ'c ^ßmin-^+c2

(5)

с

- для балансирной схемы прижима

P6(rc<r;Q>Qmin) = 0,5 + Ф

' »JQ-Qп

Л

-ехр

2 2

0,5 + Ф

nin -VI

г'" +b

Y\

i

г + b

(б)

По имеющимся статистическим данным зависимости (5-6) позволяют сравнить схемы прижима, реализованные различными опорно-прижимными устройствами с целью выявления схемы, обладающей наибольшей надежностью (рис. 5).

Р[

0.8 0.6 а 4 0.2

¡SSSS^ KWv;

Y ш ш Ш ж

\ щ

ч

т т. ш

' °б-'асть возможных значенш! функции Р(а'} для рачажной схемы прижима - область возможных значениП функции Да') для схемы прижима с двумя независимыми балансирами

IIO4 2-104 ЗШ4 l-inJ SIC4

Рис, 5. Зависимости вероятности безотказной работы опорно-прижимного устройства от дисперсии прижимных сил при их предельных средних значениях

Из графиков видно, что наибольшей вероятностью безотказной работы обладает опорно-прижимное устройство с двумя независимыми балансирами.

Дли обеспечения надежности опорно-прижимного устройства с рычажной

схемой прижима необходимо ужесточать требования к разбросу ад и общее

значение силы прижатия стакана-дозатора не выйдет за допустимые пределы в течение заданного периода эксплуатации.

В четвертой главе проводится экспериментальное подтверждение математической модели работы тарельчатой пружины в термонапряженном состоянии для проверки ее адекватности на экспериментальной партии термостойких тарельчатых пружин, а также используя, полученные статистические данные, получена оценка вероятности безотказной работы перспективных структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств.

Для проведения исследований было разработан и изготовлен экспериментальный стенд для тарировки пружинных узлов, состоящих из термостойких тарельчатых пружин.

Исследования проводились по двум направлениям:

- определение упругих сил, создаваемых пружинными узлами при их нагревании до 600 °С.

- периодическое определение упругих сил, создаваемых пружинными узлами при помещении их в температурные и временные условия, максимально приближенные к условиям их работы в составе систем автоматической смены стаканов-дозаторов с целью установления их срока службы в зависимости от варианта структурно-компоновочной схемы опорно-прижимного устройства.

В результате экспериментальных исследований были получены значения сил, сравнительный анализ которых с теоретическими значениями, полученными в результате расчетов, позволил судить об адекватности модели функционирования тарельчатых пружин в термонапряженном состоянии.

В ходе втором части эксперимента были зафиксированы статистические значения упругих сил, создаваемых пружинными узлами (рис. 6), после каждых 12 часов их нахождения при температуре 450 °С (средне]! температуре их эксплуатации в производственных условиях).

Рис. 6. Изменение упругих сил F с течением времени Тпри температуре нагрева 450 °С

Используя полученные статистические данные в выражениях (5) и (6) была получена сравнительная оценки вероятности безотказной работы наиболее перспективных вариантов опорно-прижимных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов и периода Т планово-предупредительной замены комплектов пружин (рис. 7).

/J Г\Г~НН~ТТТТТТ"\ 4Ñ3

0,8 —А----------^----

а, ----------^---

0,4 —-i___________\___

\ л ^ —\------------

К И 11 11 11 L-L ■

0 40 SO 120 160 200 240 280 Т, ч

Рис. 7. Зависимости вероятности безотказной работы опорно-прижимных устройств от времени: ----с четырьмя независимыми подпружиненными рычагами при использовании витых пружин из стали 60С2А (полученная С.Г. Полубесовым), --с восемью независимыми подпружиненными рычагами при использовании тарельчатых пружин из стали 20Х12ВНМФ, - с двумя независимыми балансирами при использовании тарельчатых пружин из стали 20Х12ВНМФ

Анализ вероятности безотказной работы опорно-прижимного устройства с рычажной схемой прижима с использованием витых пружин, изготовленных из пружинной стали марки 60С2А, и перспективных структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств с использованием тарельчатых пружин, изготовленных из жаропрочного материала марки 20Х12ВНМФ, показывает, что применение схемы прижима с двумя независимыми балансирами и жаропрочными тарельчатыми пружинами позволяет увеличить их период планово-предупредительной замены в 8-10 раз.

В пятой главе рассматривается выбор рациональных конструктивных параметров систем автоматической смены стаканов-дозаторов, разработана инженерная методика их проектирования.

Определено, что после выбора типа сменных огнеупорных элементов и структурно-компоновочной схемы опорно-прижимного устройства, основными этапами проектирования являются: определение параметров и количества применяемых упругих элементов, определение динамических характеристик процесса переталкивания стаканов-дозаторов, силы сопротивления перемещению подвижного стакана-дозатора, траектории загрузки погружного стакана-дозатора.

Динамика процесса автоматического переталкивания различных типов стаканов-дозаторов в системах автоматической смены рассмотрена для конст-

t \ 1 \ ■>1

1 \ \

\ \ \

\ \ \

V \ \ i L

рукции с гидроприводом переталкивающего устройства. Отличительной особенностью динамической модели системы автоматической смены погружных стаканов-дозаторов является необходимость учета воздействия на погружной стакан реакции со стороны жидкой ванны.

В результате математического моделирования получены зависимости для определения перемещения, скорости и ускорения погружных стаканов-дозаторов, времени прохождения заданного участка.

Учитывая то, что скорость движения стакана-дозатора до начала деформации пружин не должна превышать значения, приводящего к превышению максимально допустимой скорости их ударного нагружения, получено выражение для определения предельно допустимой скорости стакана-дозатора при заходе на рычаги.

Предложенная методика может быть использована при проектировании и создании новых конструкций систем автоматической смены различных типов стаканов-дозаторов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача создания импортозамещающих систем автоматической смены стаканов-дозаторов путём включения в конструкцию опорно-прижимного устройства двух независимых балансиров, а также пружинных узлов, состоящих из термостойких тарельчатых пружин, обеспечивающих безотказную работу опорно-прижимного устройства в течение срока службы футеровки промковша до 270 часов.

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.

Основные выводы и практические результаты сводятся к следующему:

1. Проведен анализ конструкций устройств, входящих в состав систем автоматической смены стаканов-дозаторов, который позволил систематизировать и структурировать варианты различных конструктивных решений. Разработана морфологическая классификация систем автоматической смены стаканов-дозаторов и сформулированы критерии качества функциональных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2. Результатом синтеза новых схемных решений конструкций систем автоматической смены стаканов-дозаторов является разработка новой типовой конструкции, включающей оригинальную конструкцию опорно-прижимного устройства, содержащего /^-образные рычаги, позволяющие разместить упругие элементы меньшей жесткости и большей надёжности, а также два независимых балансира для выравнивания нагрузок, создаваемых упругими элементами.

3. Установлено, что обеспечение равномерности распределения прижимных сил достигается путем увеличения числа точек приложения нагрузки к ста-

кану-дозатору и включения в конструкцию опорно-прижимного устройства независимых балансиров, позволяющих распределять нагрузку среди прижимных точек каждой стороны стакана-дозатора.

4. Разработана математическая модель работы термостойкой тарельчатой пружины в термонапряженном состоянии, позволяющая определить значение упругой силы, создаваемой пружиной при сжатии на величину рабочего перемещения. Проведено экспериментальное подтверждение адекватности и корректности математической модели.

5. Для прогнозирования надежности опорно-прижимного устройства целесообразно использовать модель параметрического отказа, которая позволяет получить математическое списание изменения выходных параметров с течением времени, а также учитывает их стохастическую природу. Вероятность безотказной работы опорно-прижимного устройства определена как вероятность того, что значение модуля радиус-вектора точки прохождения равнодействующей всех прижимных сил и их общее значение не выйдут за допустимые пределы в течение заданного периода эксплуатации.

6. Установлено, что вариант опорно-прижимного устройства с двумя независимыми балансирам, при использовании в качестве упругих элементов тарельчатых пружин из жаропрочного материала, обладает наибольшей надёжностью и позволяет увеличить период планово-предупредительной замены пружинных узлов в 8-10 раз.

7. Разработана инженерная методика проектирования систем автоматической смены стаканов-дозаторов, основными элементами которой являются: определение траектории загрузки погружного стакана-дозатора; определение динамических характеристик процесса переталкивания стаканов-дозаторов; определение силы, необходимой для переталкивания стаканов-дозаторов.

8. Результаты работы используются в учебном процессе на технологическом факультете Тульского государственного университета при проведении лабораторных работ для студентов машиностроительных специальностей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1. Провоторов Д.А. Системы автоматической замены стаканов-коллекторов на установках непрерывного литья заготовок // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: матер. Междунар. конф. Тула : Изд-воТулГУ, 2006. С. 138-141.

2. Провоторов Д.А., Золотухин В.И. Исследование систем автоматической замены стаканов-дозаторов на установках непрерывного литья заготовок // Молодые исследователи - регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х т. Т. 1. Вологда: Изд-во ВоГТУ, 2007. С. 238-239.

3. Провоторов Д.А., Золотухин В.И. Методика проектирования упругих элементов установок непрерывного литья заготовок // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Матер. Междунар. конф. Тула : Изд-во ТулГУ, 2007.

С. 172-174.

4. Провоторов Д.Л., Золотухин В.И. Исследование структурной надёжности функциональных подсистем шиберного затвора // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сб. статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 271-276.

5. Провоторов Д.А. Разработка термостойких упругих элементов для систем дозирования жидкого металла // Сб. тез. Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации». Тула : Изд-во ТулГУ, 2008. С. 138-141.

6. Провоторов Д.А. Моделирование напряжений в стаканах-дозаторах установок непрерывного литья заготовок // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула : Изд-во ТулГУ, 2008. С. 172-174.

7. Шиберные сталеразливочные системы и комплекты огнеупоров к ним / Д.А. Провоторов [и др] // Новые огнеупоры. №. 3. 2008. С. 90-95.

8. Золотухин В.И., Провоторов Д.А. Исследование устойчивости перемещаемых стаканов-дозаторов под воздействием упругих сил // Изв. ТулГУ. В 2-х ч. 4.1. Тула : Изд-во ТулГУ, 2009. С. 35-43.

9. Опыт эксплуатации сталеразлипоч пых систем нового поколения и огнеупоров к ним / Д.А. Провоторов [и др] // Новые огнеупоры. № 1. 2009. С. 100-101.

10. Провотров Д.А., Золотухин В.И. Экспериментальное исследование функционирования термостойких тарельчатых пружин при высокотемпературных воздействиях // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения, в 2-х ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 101-104.

Изд. лиц ЛР № 020300 от 12.02.1997. Подписано в печать //■ 091. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл-печ. л. Уч. Изд. л. 1.0. тираж 100экз.Захаз ОЧ! ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» 300600, г. Тупа, пр. Ленина, 92. Отпечатано 8 издательстве ГОУ ВПО «ТулГУ» 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Непрерывная разливка стали.

1.2. Анализ конструктивных решений систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

1.3. Анализ научной проблемы, формулирование цели и постановка задач исследования.

1.4. Выводы.

2.1. Модели структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.1.1. Иерархическая модель структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.1.2. Внутренняя модель структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.2. Многовариантность структурных схем систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.2.1. Структурное построение на уровне функциональных устройств

2.2.2. Структурное построение объекта исследования па уровне механизмов и исполнительных органов.

2.3. Примеры схемных решений систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.4. Формирование критериев качества функциональных устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2.5. Разработка оригинальной конструкции системы автоматической смены с гаканов-дозаторов.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ СТАКАНОВ-ДОЗАТОРОВ ПРИ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

3.1. Исследование устойчивости перемещаемых стаканов-дозаторов под воздействием упругих сил.

3.3. Математическое моделирование функционирования тарельчатых пружин в термонапряженном состоянии.

3.4. Оценка параметрической надёжности структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств.

3.4. Выбор материала термостойких упругих элементов.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕРМОСТОЙКИХ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

4.1. Методика проведения экспериментов.

4.2. Проверка адекватности математической модели работы термостойких упругих элементов в термонапряженном состоянии.

4.3. Определение периода планово-предупредительной замены пружинных узлов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ СТАКАНОВ-ДОЗАТОРОВ.

5.1. Траектория загрузки погружного стакана.

5.2. Динамика процесса переталкивания погружных стаканов-дозаторов

5.3. Динамика процесса переталкивания стаканов-дозаторов.

5.4. Определение силы, необходимой для переталкивания стаканов-дозаторов

5.5. Внедрение в учебный процесс методических указаний и программных модулей лабораторных работ.

5.7. Выводы.

В современных кислородно-конвертерных и электросгалеплавильных цехах с целью повышения производительности установок непрерывной разливки стали (УНРС) и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) при разливке стали одной марки, как известно, предусматривают отливку заготовки методом «плавка на плавку». При этом эффективность работы УНРС и МНЛЗ оценивают по выходу годного металла, машинному времени разливки, производительности ручья, а также уменьшению простоев.

Для поддержания высокой ритмичности и непрерывности процесса разливки стали требуется решение комплекса задач, связанных с обеспечением соответствующей стойкости футеровки промежуточного ковша, огнеупорной части его разливочных устройств, а также быстрой заменой вышедших из строя стаканов-дозаторов, используемых для разливки и защиты разливаемого металла от вторичного окисления на участке промежуточный ковш - кристаллизатор.

Наибольшая эффективность непрерывной разливки длинными сериями (120-1000 плавок) с использованием торкрет-покрытий и тнксотропных фу-теровок для футеровки промковша может быть достигнута в том случае, когда система дозированного перелива стали из промковша устойчиво функционирует в течение всего срока службы его футеровки.

Разливка стали на сортовых УНРС и МНЛЗ через стакан-дозатор, получившая широкое распространение, предполагает постоянство диаметра выпускного канала промежуточного ковша для каждого ручья машины, которое гарантирует расчетный стабильный расход жидкого металла, перетекающего в кристаллизатор. Однако, по ряду причин, геометрия канала стакана может существенно изменяться, что оказывает отрицательное влияние на условия формирования струи и вызывает дестабилизацию скоростного режима непрерывной разливки стали на сортовую заготовку.

В качестве действенной меры, позволяющей устранить указанные негативные последствия затягивания или размывания канала стакана-дозаi ора в условиях непрерывной разливки длинными сериями, считают оборудование промковша специальными устройствами, работающими по принципу действия скользящих затворов и обеспечивающими замену пришедшего в негодность дозирующего элемента новым в течение долей секунды, т.е. практически без прерывания процесса истечения жидкой стали в кристаллизатор.

В настоящее время использование традиционной технологии предполагает замену сгаканов-дозаторов разливочных устройств на ковше вручную с их последующей «жесткой» стяжкой резьбовыми соединениями. Данный технологический процесс фактически не поддается автоматизации и механизации, приводит к неконтролируемому росту усилия сжатия огнеупорных элементов вследствие температурных деформаций элементов системы. Это обстоятельство привело к необходимости создания систем разливки стали с автоматизацией процессов замены огнеупорных стаканов-дозаторов.

Ответственными элементами конструкций систем автоматической смены стаканов-дозаторов, в большей степени отвечающими за их работоспособность и составляющие основу безаварийной работы, являются опорно-прижимные устройства, выполняющие функцию прижима подвижного стакана-дозатора к неподвижному.

Сравнительный анализ работы различных видов упругих элементов (витых цилиндрических, сильфонных, тарельчатых), применяемых в составе опорно-прпжимных устройств, показывает, что потенциально наибольшей надежностью обладают тарельчатые пружины, так как параметрический или функциональный отказ какой-либо пружины, входящей в узел, не ведет к отказу всего узла в целом.

Применяемые в настоящее время в составе шиберных систем дозирования и известных импортных систем автоматической смены стаканов-дозаторов витые цилиндрические и тарельчатые пружины, изготовленные, как правило, из пружинных сталей 60С2А. 51ХФД и др. при высокой температуре эксплуатации (400-600 °С) быстро теряют упругие свойства, тем са-iMbiM вызывая необходимость их частой замены, что приводит к вынужденным простоям оборудования и ухудшению качества получаемых слитков. Использование упругих элементов, изготовленных из пружинных сталей, не позволяет обеспечить непрерывность разливки в течение всего срока службы футеровки промковша, повысить качество сортовых заготовок.

К тому же, условия вынужденной замены упругих элементов рассматриваемых систем ставят операторов, обслуживающих данные системы, в стрессовые условия ввиду воздействия теплового излучения и критичности фактора минимальности времени, отведенного на замену расходуемых пружинных узлов.

В настоящее время рыпок устройств подобного типа характеризуется отсутствием отечественных моделей, однако, высокая стоимость импортных систем автосмены стаканов-дозаторов, лицензий на их изготовление, расходных огнеупорных материалов к ним, специфика эксплуатации и обслуживания делают трудноосуществимым широкое их использование российскими сталеплавильными предприят! гями.

Актуальность работы обоснована необходимостью создания импортозамещающих систем автоматической смены стаканов-дозаторов путем создания максимально простых и надежных технических решений, обеспечивающих непрерывность разливки стали в течение всего времени функционирования футеровки промковша и отсутствием научно обоснованных принципов формирования рациональных структурно-компоновочных решений рассматриваемых систем.

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 упругие характеристики термостойких тарельчатых пружин в их взаимосвязи.

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.

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды В.Ф. Прейса [1], И.С. Бляхерова [2] и др. по теории автоматической загрузки штучных предметов обработки; Л.И. Волчкевича [12] по концепции автоматизации автооператоров; В.Н. Шестопалова [49, 56, 72, 73], С.П. Еронько [28, 29], В.Л. Пшпощенко [72, 73], С.Г. Полубесова [58] и других по теории проектирования систем бесстопорпой разливки стали; В.И. Феодосьева, С.Д. Пономарева, Л.Е.Андреевой [59, 60] по теории и проектированию упругих элементов; Г. В. Дружинина [24] по теории надёжности автоматизированных производственных систем.

Автор защищает:

1. Аналитические модели структуры систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

2. Оригинальную конструкцию опорно-прижимного устройства, включающую механизм прижима с двумя независимыми балансирами, в наибольшей степени удовлетворяют}ю сформулированным критериям качества.

3. Математические модели процессов, возникающих при эксплуатации систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

4. Модель параметрического отказа, позволяющую оценивать надёжность перспективных структурно-компоновочных схем опорно-прижимных устройств.

5. Инженерную методику проектирования систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

Научная новнзна. Впервые установлено взаимное влияние структуры опорно-прижпмных устройств и силовых характеристик упругих элементов, работающих в условиях термических нагрузок, на параметрическую надёжность опорно-прпжпмпых устройств систем автоматической смены стаканов-дозаторов.

Практическая значимость работы состоит в:

- разработке критериев качества и надежного функционирования устройств, входящих в состав систем автоматической смены стакановдозагоров;

- 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 ЫПП «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, 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, доклады на международных, всероссийских и региональных конференциях, подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, изложена на 158 машинописных страницах, содержит 70 рисунков, 13 таблиц и включает список литературы из 101 источника. Объем приложений - 12 страниц.

8. Результаты работы используются в учебном процессе на технологическом факультете Тульского государственного университета при проведении лабораторных работ для сгудешов машиностроительных специальностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача создания импортозамещающих систем автоматической смены стаканов-дозаторов путём включения в конструкцию опорно-прижимного устройства двух независимых балансиров, а также пружинных узлов, состоящих из термостойких тарельчатых пружин, обеспечивающих безотказную работу опор-по-прижимного устройства в течение срока службы футеровки промковша до 270 часов.

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.

1. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками / В.Ф. Прейс и др.. М. : Машиностроение, 1975. 280 с.

2. Автоматическая загрузка технологических машин: Справочник / И.С. Бляхеров и др. М. : Машиностроение, 1990. 400 с.

3. Аксельрод JI.M., Антонов Г.И., Гришенко Е.Е. Служба огнеупоров. М. : Интермет инжиниринг, 2002. 636 с.

4. Андрющенко В.Н., Дегтярев В.Г. Исследование температурного режима работы ковшевого скользящего затвора шиберного типа // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1976. №5. С. 12-14.

5. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: В 3-х томах Т.З. М. : Машиностроение, 1980. 557 с.

6. Баптизманский Б.И., Вить Е.Ф., Исаев Е.М. Температурные условия службы огнеупорных деталей в ковшевых затворах шиберного типа // Огнеупоры. №2. 1978. С. 32-34.

7. Бежанов Б.Н., Бушунов В.Т. Производственные машины-автоматы. J1. : Машиностроение, 1973. 360 с.

8. Блинник С.А., Пономарев С.Д., Феодосьев В.И. Новые методы расчета пружин. М. : Машгиз, 1946. 216 с.

9. Богданович Л.Б. Гидравлические приводы. Киев: Вища школа, 1980. 232 с.

10. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1973. 456 с.

11. Быковских С.В. Моделирование напряжений в плитах скользящих затворов методом конечных элементов // Металл и литье Украины. № 78. 2002, С. 39-42.

12. Волчкевич Л.И., Усов Б.А. Автооператоры. М. : Машиностроение, 1974.216 с.

13. Воронов Г.А., Мячнн Р.И., Антипова А.Б. Влияние защитных покрытий футеровки промежуточных ковшей на качество стали // Сталь, 1991. №8. С. 30-31.

14. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев A.M. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.488 с.

15. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков: Основы компонетики. М.: Машиностроение, 1978. 208 с.

16. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Век, Большая медведица, 1997. 864 с.

17. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта и др. М. : Машиностроение, 1982. 424 с.

18. ГОСТ 3057-90. Пружины тарельчатые. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 39 с.

19. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. М. : Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2004. 39 с.

20. Грачев С.В., Мальцева JT.A. Релаксация напряжений пружинной ленты: Учебное электронное текстовое издание, http://www.ustu.ru.

21. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1983. 176 с.

22. Джонс Дж. К. Методы проектирования. Пер. с англ. М. : Мир, 1986. 326 с.

23. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: Системный подход; пер. с польск. М.: Мир, 1981. 456 с.

24. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. М.: Энергоатомиздат, 1981.480 с.

25. Дурмашкин А.Л., Орлов В.А., Кортель А.А. Разработка конструкций шиберных затворов и комплексов огнеупоров к ним для сталеразли-вочных и промежуточных ковшей // Огнеупоры. №5. 1993. С. 32-37.

26. Евстигнеев В.Н., Максимов М.А. Системы автоматической смены инструментов. Горький : Изд-во ГПИ, 1974. 64 с.

27. Евтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литьё стали. М. : Металлургия, 1984. 200 с.

28. Еронько С.П. Совершенствование технологии разливки и продувки стали при применении сталеразливочных ковшей с шиберными затворами: дисс. . канд. техн. наук. Донецк, 1985. 132 с.

29. Еронько С.П., Смирнов А.Н., Яковлев Д.А. Совершенствование конструкции устройства для быстрой смены стаканов-дозаторов промковша MHJI3 // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2006. № 8. С. 107- 109.

30. Ешке П., Люрсен Э., Обербах М. Состояние производства огнеупоров, применяемых при непрерывной разливке стали, и перспективы его развития // Огнеупоры для МНЛЗ. -М.: Металлургия, 1986. С. 15-37.

31. Зиновьев B.C. Специальные манипуляторы для автоматической смены инструмента в роторных линиях штамповочного производства: исследование динамики и разработка методики проектирования: дисс. . канд. техн. наук. Тула, 1983. 171 с.

32. Золотухин В.И., Волков Н.В., Клусов И.А. Применение устройств автоматической смены инструмента в автоматических линиях роторной компоновки. Обзор. М.: НИИмаш, 1980. 56 с.

33. Золотухин В.И., Провоторов Д.А. Исследование устойчивости перемещаемых стакан-дозаторов под воздействием упругих сил // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. В 2-х ч. 4.1. Тула : Изд-во ТулГУ, 2009. С. 35-43.

34. Золотухин В.И., Соломин Н.П., Полубесов С.Г. Бесстопорная разливка стали: современные тенденции и направления // Техника машиностроения. № 4. 1999. с. 83-84.

35. Золотухин В.И., Соломин Н.П., Полубесов С.Г. Шиберные системы нового поколения // Металлург, № 1, 2000. С. 40-42.

36. Зубов В .Я., Грачев С.В. Структура и свойства стальной пружинной ленты. М.: Металлургия, 1964. 224 с.

37. Исследование непрерывной разливки стали; под ред. Дж. Б. Лина. Пер с англ. М.: Металлургия, 1982. 200 с.

38. Кирпичёв М.В. Теория подобия. М. : Изд-во АН СССР, 1953. 96 с.

39. Ковшевой шиберный затвор с рычажно-пружинным прижимом плит / И.Е. Зегер и др. // Труды ВНИИметмаша. № 57. 1979. С. 100-109.

40. Кольман-Иванов Э.Э. Машины-автоматы химических производств. М.: Машиностроение, 1972. 296 с.

41. Костюков А.А. Сопротивление воды движению судов. Л. : Судостроение, 1966. 448 с.

42. Кулик А. Д., Носов К. Г., Гладилин Ю. И. Разливка стали из ковшей с шиберными затворами рычажно-пружинного типа и др. // Сталь, 1984. №6. С. 27-28.

43. Левитская О.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин. М. : Высшая школа, 1985. 279 с.

44. Левитский Н.И., Цуханова Е.А. Расчёт управляющих устройств для торможения гидроприводов. М.: Машиностроение, 1970. 232 с.

45. Лейтес А.В. Защита стали в процессе непрерывной разливки. М. : Металлургия, 1984. 200 с.

46. Лобода В.М., Кизилов В.К. Основы рационального проектирования шиберных затворов // Бюл. ин-та черметинформация. №2. 1991. С. 2627.

47. Масленков С.Б. Жаропрочные стали и сплавы : Справочник. М. : Металлургия, 1983. 192 с.

48. Мачикин В.И., Шестопалов В.Н., Левин М.З. Скользящий ковшевой затвор балансирного типа с электроприводом // Бюл. ин-та черметинIформация. №2. 1978. С. 43-45.

49. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т.2. Машины и агрегаты сталеплавильных цехов / А.И. Целиков и др. М. : Металлургия, 1988. 432 с.

50. Медведев В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины. Минск: Вы-шейшая школа, 1998. 311 с.

51. Металлургия стали / В.И. Явойский и др. М. : Металлургия, 1983. 584 с.

52. Механизм износа корундовых и муллитокорундовых огнеупоров при бесстопорной разливке стали / И. Ф. Усатиков и др. // Огнеупоры. 1980. №3. С. 22-27.

53. Непрерывное литьё стали. Пер. с англ. М. : Металлургия, 1982. 480 с.

54. Одрин В.М. Морфологический метод поиска технических решений: современное состояние, возможности, перспектива. Киев : «Знание», 1982. 16 с.

55. Пшнощенко В.Л., Еронько С.П., Шестопалов В.Н. Бесстопорная разливка стали. Киев : Тэхника, 1991. 179 с.

56. Полубесов С.Г. Структура и функции систем бесстопорной разливки стали // Лучшие научные работы студентов и молодых ученых технологического факультета: Сб. ст. под ред. Г.Г. Дубенского. / Тула : Тул-ГУ, 2000. С. 130-131.

57. Полубесов С.Г. Шиберные системы автоматизации дозирования металла. дисс. . канд. техн. наук. Тула, 2000. 211 с.

58. Пономарев С.Д. Жёсткость тарельчатых пружин при упругом сжатии. В кн. Расчёты на прочность. М.: Машгиз, Вып. 5. 1960. С. 3-14.

59. Пономарев С.Д., Андреева JT.E. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение. 1984.326 с.

60. Прейс В.В. Теория и проектирование роторных систем автоматической загрузки. Дисс. . докт. техн. наук. Тула, 1997. 364 с.

61. Провоторов Д.А. Моделирование напряжений в стаканах-дозаторах установок непрерывного литья заготовок // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 172-174.

62. Провоторов Д.А. Опыт эксплуатации сталеразливочных систем нового поколения и огнеупоров к ним // Новые огнеупоры, № 1. 2009. С. 100101.

63. Провоторов Д.А. Системы автоматической замены стаканов-коллекторов на установках непрерывного литья заготовок // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: матер. Междунар. конф. Тула : Изд-во ТулГУ, 2006. С. 138-141.

64. Провоторов Д.А. Шиберные сталеразливочные системы и комплекты огнеупоров к ним // Новые огнеупоры. №. 3. 2008. С. 90-95.

65. Провоторов Д.А., Золотухин В.И. Исследование структурной надёжности функциональных подсистем шиберного затвора // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула : Изд-во ТулГУ, 2007. С. 271-276.

66. Провоторов Д.А., Золотухин В.И. Методика проектирования упругих элементов установок непрерывного литья заготовок // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Матер. Междунар. конф. Тула : Изд-во Тул-ГУ, 2007. С. 172-174.

67. Проников А.С. Научные проблемы и разработка методов повышения надежности. В кн.: Проблемы надежности и ресурса в машиностроении. М.: Наука. 1986. С. 87-101.

68. Разливка стали из ковшей с шиберными затворами / В.И. Мачикин и др. // Сталь. №1. 1981. С. 36-38.

69. Разливка стали при помощи шиберных затворов / В.И. Мачикин и др. // Металлург. № 5. 1985. С. 39-40.

70. Расчёты на прочность в машиностроении. В 3-х т. Под. ред. Пономарёва С.Д. М.: Машгиз. Т.1, 1956. 884 с.

71. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник. М.: Машиностроение, 1995. 448 с.

72. Свидетельство РФ на полезную модель № 12886 МКл B22D 41/00. Золотухин В.И., Соломин Н.П. Погружной стакан. 2000, бюл. № 5.

73. Сергиенко B.C., Горюнов А.Е. Непрерывная разливка стали через шиберный затвор промежуточного ковша// Сталь, № 4, 1988. с. 41-42.

74. Симонов К.В., Равочкин С.И., Кортель А.А. Тепловое нагружение пе-риклазовых плит в шиберных затворах сталеразливочных ковшей // Огнеупоры. № 12. 1979. С. 21-26.

75. Смирнов А.Н., Пилющенко B.JL, Минаев А.А. Процессы непрерывной разливки. Донецк: ДонНТУ, 2002. 536 с.

76. Соколов С.В. Расчёт заневоленных тарельчатых пружин. Вестник машиностроения. № 7. 1957. С. 3-7.

77. Соломин Н.П., Золотухин В.И. Шиберные затворы сталеразливочных ковшей // Сталь, № 3, 1997. С. 24-27.

78. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М. Наука. Глав. ред. физ.-мат. лит., 1967, с. 376.

79. Хаймович Е.М. Гидроприводы и гидроавтоматика станков. Киев : МАШГИЗ, 1959. 556 с.

80. Чигринов A.M., Паршин В.М., Чигринов М.Г. Опыт непрерывной разливки на горизонтальных машинах в сортовом производстве // Сталь, №6, 1998. С. 14-17.

81. Шестопалов В.Н. Исследование и разработка конструкций скользящих затворов для сталеразливочных ковшей: дисс. . канд. техн. наук. Донецк, 1980. 126 с.

82. Europatent № 0467220 ICl B22D 41/56. Brucker Raimund, Keutgen Peter, Donner Andreas. Verfahren und Vorrichtung zur Einfuhrung eines Eintau-chaiisgussens in eine Kokille einer Stranggiessanlage. 1992. but. № 4.

83. Europatent № 0820825 ICl B22D 41/56. Yoshino Ryoichi, Yamamoto Kenji, Taniguchi Tadao. Immersion nozzle replacement apparatus. 1998, bill. № 5.

84. Europatent № 0835706 ICl B22D 41/56. Yoshino Ryoichi, Yamamoto Kenji, Taniguchi Tadao, Hashimoto Noritaka. Submerged nozzle change device. 1998, bul № 16.

85. Europatent № W092/00821 ICl B22D 41/56. Szadkowski Stanislav, Knapik Stanislav. Improved pouring tube insertion and replacement device. 1992.

86. Europatent № W095/03906 ICl В22D 41/56. Szadcowski Stanislav. Device for supplying and replacing pouring tubes in a continuous casting plant for producing thin slabs. 1995.

87. Europatent № W095/23663 ICl B22D 41/56. Richard Francois-Noel. Device for controlling a flow of liquid steel from a ladle to a continuous casting distributor. 1995.

88. Europatent № W097/38809 ICl B22D 41/56. Pfyl Anton. Process for changing the pouring spout on the outlet of a container containing a melt. 1997.

89. Europatent № W098/04371 ICl B22D 41/56. King Pa trie. Improved beaver-tail tube assembly and tube changing method. 1998.

90. Flocon throttling tundish slide gate valves // Product information booklet. Flogates limited. 1988. 4 p.

91. Flogates model 7233. Tundish slide gate for billet, bloom and small slab casters // Product information booklet. 1991. 6 p.

92. Interstop submerged nozzle changer non-stop for slab casters and thin slab casters// Product information booklet. 1994. 6p.

93. TRANS. A.S.M.E. Vol. 38. № 2. May 1938. P. 305.

94. VAI slab casting technology. The highest fidelity in continuous casting // Product information booklet. 1999. 16p.

95. Vesuvius SEM85 shroud exchange mechanism // Product informationbooklet. 1992. 16 p.

96. Vesuvius SEM85 tube exchange mechanism. Improved safety and efficiency in stopper rod caster applications //Product information booklet. 1991.