Инновационные перспективы Донбасса. Том 3, 2019 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОУ ВПО "ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ДонНТУ) СОВЕТ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ДонНТУ ГОУ ВПО ЛНР «ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Т. ШЕВЧЕНКО» (ЛНУ) ГОУ ВПО ЛНР «ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДонГТУ)

ИННОВАЦИОННЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ДОНБАССА Материалы 5-й Международной научно-практической конференции Том 3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов

г. Донецк 21-23 мая 2019 года

Донецк – 2019

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 21-23 мая 2019 г. – Донецк: ДонНТУ, 2019. Т. 3: 3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов. – 2019. – 167 с.

Представлены материалы 5-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 21-23 мая 2019 г. в Донецке на базе Донецкого национального технического университета, включающие доклады ученых и специалистов по вопросам приоритетных направлений научно-технического обеспечения инновационного развития Донбасса и формирования механизмов повышения социально-экономической эффективности развития региона. Материалы предназначены для специалистов народного хозяйства, ученых, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Редакционная коллегия Министр образования и науки ДНР Е. В. Горохов, ректор ДонНТУ А. Я. Аноприенко, д-р пед. наук Г. А. Сорокина, канд. наук по гос. упр. А. Е. Пожидаев, д-р техн. наук Г. Г. Литвинский, д-р техн. наук С. В. Борщевский, д-р техн. наук Э. Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, д-р экон. наук Я. В. Хоменко, д-р экон. наук И.В. Филатова, председатель Совета молодых ученых ДонНТУ Е. С. Дубинка.

Рекомендовано к печати ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Министерства образования и науки ДНР. Протокол № __ от __ _______ 20__ г. Контактный адрес редакции НИЧ ДонНТУ, ул. Артема, 58, Донецк, 283001 Тел.: +380 (62) 305-35-67. Эл. почта: ipd.donntu.org@gmail.com Интернет: http://ipd.donntu.org

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

СОДЕРЖАНИЕ А.В. Гордиенко, Н.В. Макуха, Д.А. Панченко Исследование процесса водорезания пищевых материалов и продуктов……………………………………………………………………... 6 В.А. Пенчук, А.Д. Чернавских Повышение надежности и эффективности щековых дробилок……………... 11 С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев, Е.С. Цыхмистро, М.Ю. Грищук Моделирование работы вентиляторов в системе местного газоотсоса…….. 16 С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев, И.В. Клименко, О.А. Ковалева Разработка режущего блока летучих ножниц трубосварочного стана…………………………………………………………. 22 В.А. Пенчук, И.В. Селезнев Стенд и методика для исследования гидроизолирующих составов………… 28 С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев, И.В. Клименко, Е.А. Артамонов Разработка гидравлического привода системы выгрузки извести из шахтной обжиговой печи………………………………. 34 С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев, Е.А. Понамарева, Е.С. Цыхмистро Стенд для прочностных испытаний имитаторов перемычек, блокирующих выпускной канал ковша в начале разливки…………………………………... 40 М.Ю. Ткачев, В.А. Сидоров, Р.А. Рыцик Применение технологии 3D печати при разработке машин, агрегатов и процессов в металлургии………………………………………………………

А.В. Костенко Объектно-ориентированное проектирование в машиностроении…………... 54 В.Г. Нечепаев Схематизация процесса перемещения сыпучих тел вспомогательными системами транспортирования технологических машин …………………… 59 В.Г. Нечепаев Универсальная методика представления результатов экспериментальных исследований сложных объектов ……………………………………………... 65 В.Ф. Раков, В.М. Погибко, Н.А. Спиридонов Разработка конструкции ударного механизма для виброакустического контроля деталей ………………………………………………………………. 70

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Ю.А. Рутковский, А.Ю. Рутковский Моделирование процесса торможения шахтной подъемной машины дисковыми тормозными элементами с пневмоприводом …………………...

Т.П. Мищенко Исследование процесса нагрева ленты в аварийных режимах шахтного ленточного конвейера …………………………………………………………. 79 Д.А. Масленников Применение численного моделирования гидродинамики для исследования процессов в ДВС …………………………………………... 86 А.М. Зинченко, В.В. Мороз, Э.П. Левченко, Ю.В. Изюмов, О.А. Левченко Технические решения в области проектирования, изготовления и эксплуатации металлургических машин и агрегатов в ГОУ ВПО ЛНР «ДОНГТУ» …………………………………………………. 90 В.В. Малашенко, Т.И. Малашенко Применение магнитно-импульсной обработки для повышения износостойкости деталей горного оборудования ……………………………. 95 А.В. Яковченко, С.А. Снитко, В.В. Пилипенко, Н.И. Ивлева Метод автоматизированного проектирования калибровок инструмента деформации для штамповки и прокатки фланцев …………………………… 98 О.И. Павлиненко, Д.А. Власенко, Э.П. Левченко Процесс разрушения стальной дроби центральным стесненным ударом …. 104 Е.А. Катькалова Нормальные цилиндрические координаты …………………………………... 109 С.А. Бедарев, И.А. Болмотова Исследование напряженно-деформированного состояния главного вала подъемно-качающегося стола прокатного стана трио 500 Донецкого металлопрокатного завода …………………………………………………….. 115 В.В. Гусев, В.В. Полтавец, А.Д. Молчанов Технологическое обеспечение обработки труднообрабатываемых материалов алмазным шлифованием за счет управления режущей способностью кругов …………………………………………………………..

119

М.Ю. Ткачев, П.А. Петров, С.В. Мечик Эволюция устройств дозированной подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы при непрерывной разливке стали ………………………… 124

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Е.А. Буленков Учет времени смены инструмента при формировании структуры потока изделий в многономенклатурных роторных линиях ………………………... 130 Ю.А. Шамрай, Е.В. Ошовская, В.А. Сидоров Актуальность разработки системы управления рисками для механизмов с гидравлическим приводом ………………………………

134

О.Е. Шабаев, В.Г. Нечепаев, П.П. Зинченко Анализ процесса циркуляции угля в шнеках очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов ………………………………………… 138 Д.А. Вишневский, Б.А. Сахаров, Н.А. Бондарь Система мониторинга психофизиологического состояния оператора металлургической отрасли программными средствами …………………….. 143 А.А. Харитоненко Некоторые направления повышения эффективности четырехвалковых дробилок ………………………………………………………………………... 147 Д.А. Власенко Комплексный анализ особенностей эксплуатации дробильноизмельчительного оборудования в агломерационном производстве ………. 150 Ю.А. Шамрай Интерпретация термина «риск» для практического применения на металлургических предприятиях ………………………………………….. 155 В.С. Пращерук, Е.В. Ошовская Физическое моделирование радиального распределения шихтовых материалов с помощью бесконусного загрузочного устройства……………. 158 Б.Ф. Галай, В.В. Сербин, О.Б. Галай Уплотнение просадочных грунтов глубинными взрывами……………………. 163

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.7.044.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОДОРЕЗАНИЯ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРОДУКТОВ А. В. Гордиенко, Н. В. Макуха, Д. А. Панченко ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского», г. Донецк, ДНР Рассмотрены результаты экспериментальных исследований процесса водорезания замороженных пищевых материалов и продуктов на устройстве для водорезания. Анализ опытов подтвердил перспективность использования водорезания для измельчения пищевых продуктов. The results of experimental studies of the process of cutting of frozen food materials and products on the device for cutting are considered. The analysis of the experiments confirmed the prospects of using water-cutting for grinding food products. Ключевые слова: струя воды, водорезание, водорезное оборудование, пищевые материалы и продукты, величина подачи. Key words: water jet, water cut, water cutting equipment, food materials and products, the amount of feed. На пищевых предприятиях страны для резания замороженных пищевых материалов и продуктов используют разнообразные средства и оборудование: машина резания замороженных продуктов (МРЗП), машина для измельчения блоков замороженного мяса (Б9ФДМ-01) [1], машина для измельчения замороженных продуктовых блоков (KS-487), ленточная пила (KT) [2] и др. Однако это оборудование имеет некоторые существенные недостатки: стальные ножи окисляются при работе и портят продукт; имеют место потери продукта из-за налипания его на режущий орган; принцип работы металлического ножа основан на рубящем резании, которое в свою очередь рвет продукт и повреждает его на клеточном уровне; опасность при обслуживании оборудования; возникают значительные трудности при нарезании пищевых материалов и продуктов, которые имеют температуру ниже минус 10 °С и др. Альтернативным способом обработки является процесс водорезания, который исключает вышеуказанные недостатки [3].

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Целью работы является представление проведенных экспериментальных исследований процесса водорезания замороженных пищевых материалов и продуктов для разработки требований к водорезному оборудованию. Поставленная цель может быть реализована на устройстве для водорезания [4]. Для проверки эффективности предложенного способа был проведен ряд экспериментов по водорезанию замороженного мяса, которое имело температуру минус 14 °С, при этом были обеспечены параметры качества при водорезании пищевых материалов и продуктов. Одними из важных технико-экономических показателей любого процесса обработки является производительность и энергоемкость. Как и при механической обработке, производительность водорезания лучше всего может быть выражена через величину подачи обрабатываемого материала относительно рабочего органа, в этом случае струи. Величина подачи зависит от многих факторов, основными из которых являются параметры истечения струи, физико-механические свойства обрабатываемого материала и его толщина. Выявление влияния вышеуказанных параметров на величину подачи и установление математической зависимости между ними облегчает определение режимов резания при водообработке разных материалов, расчет и конструирования нового оборудования [4]. В ходе эксперимента определялись зависимости величины подачи обрабатываемого материала относительно струи (S, мм/с) от: 1) давления истечения рабочей жидкости (P, МПа); 2) диаметра исходного отверстия сопла (dc, мм); 3) его прочностных характеристик (  p , МПа) и давления истечения струи (P, МПа); 4) его толщины при обработке (h, мм). При этом обрабатываемый материал располагался под углом 0 α=90 относительно отверстия сопла и на расстоянии lопт от сопла, рассчитанной по формуле: lопт  99, 7  (P/ 100) 0,88  d c0.9 ,

(1)

где P - рабочее давление, МПа; dc - диаметр сопла, мм. Полученные экспериментальные результаты приведены на рис. 1-4.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Экспериментальные исследования влияния давления истечения струи на величину подачи показывают, что с увеличением давления истечения струи величина подачи материала увеличивается по прогрессивной параболической зависимости. Влияние давления на величину подачи возрастает с уменьшением прочностных свойств обрабатываемого материала, о чем говорит угол наклона кривой к оси ординат. Со снижением прочности обрабатываемого материала время, которое идет на разрушение определенного объема мяса при постоянной нагрузке уменьшается. 25

Величина подачи S, мм/с

21,4 Величина подачи S, мм/с

15 13,1 10

10,55

8,25

8 6

5,5 4,4

3,3 2

5 2,4

1,2

0,1

0 100

200

300

400

500

0,15

0,2

0,25

0,3

Диаметр выходного отверстия сопла dc, мм

Рабочее давление Р, МПа

Рисунок 1 – Зависимость величины подачи, обрабатываемого материала относительно струи от давления истечения рабочей жидкости при резании

Рисунок 2 – Зависимость величины подачи обрабатываемого материала относительно струи от диаметра отверстия сопла при обработке

14,95

12,75 12

12 10

8 6

5,775 4,4

3,85

3,3 2,2

2 0 80

100

230

320

400

Предел прочности на растяжение

450

Величина подачи S, мм/с

10 8 6 4,95 4 3,3 2

1,65

1,1

550

σр, МПа

Толщина материала h, мм

Рисунок 3 – Зависимость величины подачи обрабатываемого материала относительно струи от значений его предела прочности на растяжение и давления истечения струи

Рисунок 4 – Зависимость величины подачи обрабатываемого материала относительно струи от его толщины при обработке

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рост величины подачи материала с увеличением давления истечения струи обусловлен увеличением кинетической энергии струи за счет повышения скорости истечения и секундной массы жидкости, что и ускоряет отрыв частиц от основной массы мяса. Результаты экспериментов по изучению влияния размера выходного отверстия сопла на производительность водорезания показывают, что величина подачи материала относительно струи с изменением диаметра выходного отверстия сопла для исследуемых условий гидрообработки изменяется по гиперболе, которая связывает подачу и диаметр сопла обратно пропорциональной зависимостью. С увеличением диаметра сопла в 3 раза производительность процесса уменьшается также в 3 раза, несмотря на увеличение кинетической энергии струи за счет роста ее активной массы. В исследуемых границах диаметров сопел с уменьшением размеров их выходных отверстий величина подачи увеличивается, тем не менее, при некотором уменьшении диаметра сопла струя при данном давлении истечения будет разрушаться вследствие аэрации непосредственно в сопле, превращаясь в парогазовую эмульсию. Поэтому следует ожидать, что при некотором нижнем предельном значении диаметра сопла (порядка 0,03 мм) величина lопт будет равнять нулю и процесс резания прекратится. Для обеспечения параметров качества наиболее рациональными величинами диаметров сопел для водорезания замороженного мяса является 0,1- 0,3 мм. Анализ кривых показывает, что взаимосвязь рассмотренных параметров в исследуемых границах механических свойств и толщин обрабатываемых материалов носит гиперболический характер. С увеличением прочности и толщины материала величина подачи его относительно струи уменьшается. Причем толщина обработки оказывает значительно большее влияние, чем прочностные свойства. Об этом говорит тот факт, что при увеличении предела прочности на растяжение почти в 11 раз величина подачи снижается только в 5 раз, в то время как при увеличении толщины материала от 2 до 10 мм подача падает в 9 раз. То, что разные механические свойства замороженного мяса оказывают сравнительно небольшое влияние, как на производительность процесса, так и на силу резания, можно объяснить спецификой и особенностями процесса водообработки. При резании замороженного мяса тонкими струями жидкости вследствие локализации разрушительных напряжений в малых объемах и за счет большой скорости добавления нагрузки от основной массы материала

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

отвлекаются мелкие частицы размерами в несколько микрометров. Струя жидкости при обработке преодолевает сопротивление материала к разрушению не как целой композиции, а как отдельных ее частей. Выводы. Устройство для гидрорезания можно использовать для исследования процесса водорезания замороженных пищевых материалов и продуктов. Исходя, из проведенного анализа экспериментальных данных сделан вывод, что все приведенные выше факторы: локализация разрушительного напряжения, выборная способность струи, снижение поверхностной энергии под действием жидкости, - делают то решающее влияние, которое уменьшает зависимость производительности процесса резания замороженного мяса от его прочностных характеристик. Перспективами дальнейших исследований в данном направлении является определение оптимальных параметров водорезного оборудования, которые разрешат повысить качество водорезания и его производительность. Планируется провести комплексные исследования по усовершенствованию и оптимизации конструкции проточной части устройства (включая сопловую головку) и состава рабочей жидкости; определить оптимальный угол между направлением струи и поверхностью, которая обрабатывается; снизить давление воды до минимума, который приведет к упрощению и уменьшению цены оборудования; уменьшить габариты устройства; соответственно уменьшить и стоимость агрегата. Список литературы 1. Машины и аппараты пищевых производств / С.Т. Антипов [и др.]. – М.: Высшая школа, 2001. – 703 с. 2. Продукция компании ООО «ТВС-механика» // Режим доступа http://www.tvs-m.ru/ (по состоянию на 04.03.2019). 3. Гордиенко А.В. Гидрорезание в пищевом производстве / А.В. Гордиенко, А.В. Погребняк, С.А. Фоменко // Оборудование и технологии пищевых производств: темат. сб. науч. тр. – 2007. – Вып. 16. – С. 26-31. 4. Тихомиров Р.А. Гидрорезание неметаллических материалов / Р. А. Тихомиров, В.С. Гуенко. – Киев: Техника, 1984. – 150 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.926

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЩЕКОВЫХ ДРОБИЛОК Пенчук В.А., Чернавских А.Д. ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка, ДНР В работе на основе системного анализа спецификаций щековых дробилок были определены основные применяемые материалы, были установлены их свойства и стоимость. В результате технического прогресса неизбежно появление новых высокопрочных материалов. Даны рекомендации по увеличению ресурса за счет применения высокопрочных материалов в деталях щековых дробилок. Based on the system analysis of the specifications of jaw crushers, the main materials used were determined, their properties and cost were determined. As a result of technical progress, the emergence of new high-strength materials is inevitable. Recommendations to increase the resource through the use of high-strength materials in the details of jaw crushers are given. Ключевые слова: щековая дробилка, системный анализ, сталь, деталь, ресурс. Key words: jaw crusher, system analysis, steel, part, resource. Щековые дробилки используются в составе многих дробильносортировочных комплексов, процессы которых чаще всего являются практически непрерывными. Аварийный или до ремонтный выход какой-либо технологической машины из строя приводит к остановке всего комплекса и значительными материальным потерям. Повышение надежности щековой дробилки, в которых слабым звеном являются дробящие плиты, определяющие качество готового продукта, является актуальной задачей. Исследованиям рабочих процессов щековых дробилок посвятили внимание многие видные ученые, которые заложили теоретические основы их созданию, проектирования и эксплуатации [1, 2]. В работе [3] дан детальный анализ функционирования щековых дробилок и их надежности. Как известно надежность и эффективность технологических машин определяется прочностью и ресурсом ее составляющих

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

деталей узлов. Каждая из технологических машин имеет свои особенности конструкций и режимов нагружения основных (главных) элементов или деталей. В процессе работы щековых дробилок наибольшему износу подвергаются дробящие, торцевые и футеровочные плиты, вкладыши подшипников, шейки валов, посадочные места осей и гнезда распорных плит. Поэтому одним из мероприятий, способствующим увеличению сроков службы указанных деталей, является правильная и объективная методология выбора их материалов и технологий изготовления. Системный анализ спецификаций щековых дробилок [1, 2] установлены основные виды материалов применяемые в щековых дробилках (табл.). Таблица – Основные типы материалов и их характеристики применяемые в щековых дробилках[1, 2] Цена ВременПредел матеное текуПредел ТверриаМатесопротивчести вынослиДеталь дость, ла, риал ление условвости, σ-1, МПа рос. разрыву ный σ0,2, МПа руб./ σв, МПа МПа кг 1 2 3 4 5 6 7 Вал эксцентриСт.40Х 179 530-615 275-395 333-509 52-78 ковый Бугель (корпус 35Л 137-229 500-530 255-350 216 23-64 подшипника) Винт регулироСт.45 170 550-690 270-680 245-421 53-80 вочный Втулка Ст.45 170 550-690 270-680 245-421 53-80 Кольцо Ст.45 170 550-690 270-680 245-421 53-80 Сухарь к тяге Ст.45 170 550-690 270-680 245-421 53-80 Кольцо Ст.45 170 550-690 270-680 245-421 53-80 упорное Гайка Ст.3 131 380-490 235-245 43-68 Гайка левая Ст.3 131 380-490 235-245 43-68 Гайка правая Ст.3 131 380-490 235-245 43-68 Прокладка Ст.3 131 380-490 235-245 43-68 Планка Ст.3 131 380-490 235-245 43-68 Тяга пружины Ст.3 131 380-490 235-245 43-68

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Продолжение таблицы 1 2 3 Шайба Ст.3 131 концевая Клин верхний 110Г13Л 186-229 левый Клин верхний 110Г13Л 186-229 правый Клин нижний 110Г13Л 186-229 левый Клин нижний 110Г13Л 186-229 правый Плита дробящая 110Г13Л 186-229 подвижная Плита дробящая 110Г13Л 186-229 неподвижная

380-490

235-245

43-68

654-830

360-380

176-196

654-830

360-380

176-196

654-830

360-380

176-196

654-830

360-380

176-196

654-830

360-380

176-196

32360

654-830

360-380

176-196

32360

32360 32360 32360 32360

57,594 57,594 57,594

Клин левый

35ГЛ

202-207

550-600

300-350

Клин правый

35ГЛ

202-207

550-600

300-350

Клин регулировочный

35 ГЛ

202-207

550-600

300-350

Ползун

35 ГЛ

202-207

550-600

300-350

Щека

35ГЛ

202-207

550-600

300-350

Стакан левый Стакан правый Сухарь Болт

Ст. 35

163

530-590

195-315

265-402

57,594 57,594 51-64

Ст. 35

163

530-590

195-315

265-402

51-64

Ст. 35 Ст.20

163 163

530-590 390-490

265-402 193-255

Пружина

60С2

1270

269

195-315 175-245 11751590

Крышка стакана Плита распорная Противовес Шкив Крышка щеки

Сч 20

143-255

200

51-64 44-69 37,564 25-46

Сч. 20

143-255

200

25-46

Сч.20 Сч.20 Сч 30

143-255 143-255 163-270

200 200 300

25-46 25-46

328-490

Как видно из представленных данных при проектировании и изготовлении использованы 9 различных марок стали: Ст.40Х, Ст.45,

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Ст.35, Ст.20, Ст.3, 110Г13Л, 35Л, 35ГЛ, 60С2; два вида чугуна Сч20, Сч30. Такой большой ассортимент сталей используемых в щековых дробилках объясняется разными критериями их выбора. Следует обратить внимание на способ применения различных сталей в деталях: вал эксцентриковый – Ст.40Х, а винт регулировочный, втулка, кольцо, сухарь тяги, кольца упорные – Ст.45. Данные таблицы показывают, что по прочностным показателям и по стоимости они примерно одинаковы. Конструктор при проектировании наиболее ответственного узла – вала дробилки принимал параметры вала и материал для его изготовления на основании прочностных расчетов с учетом внешнего сопротивлению разрыву значение σв и пределу выносливости σ-1. В щековых дробилках имеют место нагрузки с высоким давлением, ударными и абразивным трением. Поэтому в этих целях долгие годы используются доступная по цене высокомарганцевая сталь 110Г13Л. Однако практически во всех передовых странах мира ведутся поиски стойких к износу материалов типа: Hazbox, Raex, Fora, Xar, бронестали типа А3, марки 45Х2НМФБА. Специалисты из МГТУ им. Н.Э. Баумана, института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН и ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» разработали способ, позволяющий интенсивность изнашивания снизить в 100 раз, фактический ресурс деталей увеличить в 10 раз [4, 5]. Оценку целесообразности и эффективности применения нового материала в конструкции щековой дробилки можно сделать как: Сt КЭ  н c , Ссtн где Сн и Сс – соответственно стоимость устранения отказа по новой и старой технологии (материалам); tн и tс – ресурс узла или детали по новой и старой технологиям материалов. Выводы. 1.Исследование и создание новых типов высокопрочных и износостойких сталей ведется непрерывно, но определенный революционный скачек в этом направлении произошел при появлении нанотехнологий. 2. За счет рационального ограничения применения различных марок сталей, а так же использования износостойких сталей можно значительно увеличить ресурс дробящих плит и соответственно деталей и щековой дробили в целом.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Список литературы 1. Центральный металлический портал РФ. Марки стали и сплавы // Режим доступа: http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/ (по состоянию на 04.03.2019). 2. «ТД РОСАУРАЛ». Запасные части к щековым дробилкам // Режим доступа: http://rosaural.ru/miningparts/jawcrusher (по состоянию на 04.03.2019). 3. Тагильцев-Галета К.В. Повышение надежности щековых дробилок на основе совершенствования системы защиты: дис. … канд. техн. наук: 05.02.13 / Тагильцев-Галета Константин Валерьевич. – Новокузнецк, 2016. – 148 с. 4. Металлургический бюллетень. Информационно-аналитический журнал // Режим доступа: https://www.metalbulletin.ru/publications/3894 (по состоянию на 04.03.2019). 5. Группа компаний «ТЕХМАШХОЛДИНГ» // Режим доступа: https://pellete.ru/stal/iznosostojkie-marki-stali.html (по состоянию на 04.03.2019).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 669.015.7

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ВЕНТИЛЯТОРОВ В СИСТЕМЕ МЕСТНОГО ГАЗООТСОСА Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Цыхмистро Е.С., Грищук М.Ю. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Представлены результаты физического моделирования работы осевого, центробежного и безлопастного вентиляторов. Сопоставительный анализ полученных результатов исследования подтверждает возможность использования безлопастного вентилятора в энергоэффективных системах местного газоотсоса. The results of physical modeling of axial, centrifugal and blade-free fans are presented. A comparative analysis of the results of the study confirms the possibility of using a bladeless fan in energy-efficient systems of local gas suction. Ключевые слова: безлопастной вентилятор, эффект Коанда, осевой вентилятор, центробежный вентилятор, физическое моделирование. Key words: fanless fan, Coanda effect, axial fan, centrifugal fan, physical modeling. Необходимость выполнения санитарных норм по обеспечению требуемого микроклимата на рабочих местах внутри цеховых помещений предполагает использование систем местного отсоса газопылевых выделений, образующихся при реализации различных технологических процессов [1]. С целью повышения эффективности функционирования подобных систем в последние годы проводились изыскания, связанные с созданием новых вентиляторных устройств. В частности, за рубежом активизированы теоретические и экспериментальные исследования вентиляторов, вызывающих направленное движение газовых потоков без применения рабочих колес с закрепленными на них лопатками или лопастями [2-5]. Примером успешной практической реализации подобной системы может служить вентилятор, предложенный в 2009 г. англичанином Джеймсом Дайсоном и защищенный несколькими патентами [6-7]. Конструктивно указанный вентилятор выполнен в виде полого кольца, форма поперечного сечения которого показана на рис. 1. При

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

подаче в полость кольца под давлением рабочего воздуха первичный воздушный поток, истекающий из щели, направляют на поверхность, имеющую соответствующую кривизну, что приводит к возбуждению вторичного воздушного потока благодаря увлечению воздуха из внешней среды. Достоинства вентилятора Дайсона заключаются в его безопасности, благодаря отсутствию внешних вращающихся элементов, а также в обеспечении большего расхода при одинаковой мощности в сравнении с механическими вентиляторами. Существенным его недостатком является то, что при изготовлении кольцевого сопла очень трудно выдержать жесткие допуски на размеры, в связи с чем диаметр вентилятора не превышает 600 мм, поэтому он нашел применение пока только в быту. С целью реализации возможности промышленного использования подобной вентиляторной системы сотрудниками кафедры «Механическое оборудование заводов черной металлургии» им. профессора Седуша В.Я. Донецкого национального технического университета разработан и запатентован вентилятор, отличающийся от известных аналогов тем, что в нем применена секционная компоновка, предусматривающая формирование сопловой части (рис. 2) из набора полых сегментов 4, имеющих контур внешней поверхности, аналогичный форме сечения полого кольца вентилятора Дайсона. Сами сегменты размещены на кольцевой оправке с возможностью относительного поворота на определенный угол в радиальной плоскости и сообщаются своими полостями посредством гибких трубок 3 с воздухораспределительной камерой 2, имеющей форму тора. На входе горловины, образованной сегментами 4, размещен завихритель формирующегося потока, включающий полые сегменты 5 с щелевым соплами и внутренней поверхностью Коанда, которые закреплены последовательно по окружности на несущей скобе в плоскости, перпендикулярной продольной оси горловины. При этом полости сегментов 5 посредством трубопроводов 7 сообщаются со второй торообразной воздухораспределительной камерой 6. Обе распределительные камеры снабжены патрубками 1 и 8 для подключения их к источнику сжатого воздуха [8]. Для качественной и количественной сопоставительной оценки применения разработанного вентилятора в системе местного газоотсоса авторами проведены лабораторные исследования эффективности его функционирования в идентичных условиях в сравнении с вентиляторами осевого и радиального типов, имевших схожие геометрические параметры, указанные в таблице.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 1 – Поперечное сечение полого кольца вентилятора Дайсона

Рисунок 2 – 3D модель разработанного вентилятора

Таблица – Параметры использовавшихся в ходе исследований вентиляторов Частота Вид Диаметр вращения Создаваемое Тип Потребляемая рабочего рабочего рабочего давление, вентилятора мощность, Вт узла узла, мм колеса, Па об/мин Безлопастной Сопло 90 12000 300 Колесо с Осевой 100 1000 500 60 лопастями Колесо с Радиальный 100 12200 11000 360 лопатками

Эксперименты проводили на лабораторной установке, схематично представленной на рис. 3 и включающей стойку 6, верхней своей частью поддерживающую открытый зонт 7, связанный

Рисунок 3 – Схема лабораторной установки

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

с горизонтально расположенным отводящим трубопроводом 9, имевшим внутренний диаметр 100 мм и длину 2 м. Внутри зонта 7 перед его выходным отверстием размещали безлопастной вентилятор 8, газораспределительные камеры которого посредством трубопроводов 11 были связаны с ресивером 2, сглаживающим пульсации расхода и давления воздуха, нагнетаемого компрессором 1 в рабочую сеть. Расход воздуха раздельно подаваемого к сегментам сопловой части и завихрителя вентилятора контролировали с помощью ротаметров 12, а плавное его регулирование осуществляли вентилями 13. Для фиксации давления в трубопроводах 10 служили манометры 11. Визуализацию потоков, возбуждаемых вентилятором 8, обеспечивали дымом, образующимся в генераторе 3 при регулируемой с помощью вентиля 14 подаче воздуха в его полость, заполненную тлеющими древесными опилками. Поступавший из генератора дым с помощью полого кольца 4 через отверстия малого диаметра в его стенке распространялся в нижней части рабочей зоны, расположенной под зонтом 7. Запись картин распределения восходящих газовых потоков в процессе работы системы вентиляции выполняли установленной на штативе видеокамерой 5. После проведения эксперимента с использованием безлопастного устройства опыты повторили, последовательно применяя осевой и радиальный вентиляторы. При этом осевой вентилятор также размещали внутри зонта, а центробежный устанавливали на выходе газоотводящего трубопровода. На рис. 4 приведены фотографии характерных картин потоков дыма, наблюдавшихся при его отсосе из рабочей зоны с помощью вентиляторов различных типов. Следует отметить, что фотографии получены из видеозаписей с использованием режима «стоп-кадр» путем отбора изображений через одинаковые промежутки времени для каждого из тестируемых вентиляторов, благодаря чему можно было судить об обеспечиваемой ими интенсивности отсоса дыма. Наряду с этим оценивали также мощность, затрачиваемую ими для возбуждения восходящих дымовых потоков. Для механических вентиляторов мощность рассчитывали путем перемножения значений напряжения и тока, зафиксированных с помощью соответствующих измерительных приборов в питающей сети во время функционирования системы газоотсоса. Затрачиваемую мощность при функционировании предложенного вентилятора определяли как произведение значений напряжения и тока, зафиксированных при работе компрессора, подававшего под давлением воздух к камерам системы.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

в Рисунок 4 – Характерные картины газовых потоков при моделировании работы системы местной вентиляции, снабженной безлопастным (а), осевым (б) и центробежным (в) вентиляторами

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Результаты обработки полученной информации свидетельствуют о том, что при работе безлопастного, осевого и радиального вентиляторов с одинаковыми геометрическими параметрами узла возбуждения направленного воздушного потока значения потребляемой ими электрической мощности соответственно составили 300, 60 и 360 Вт. С учетом визуально зафиксированной интенсивности эвакуации дыма из рабочей зоны, находящейся под вытяжным зонтом, можно сделать вывод о том, что вентилятор предложенной конструкции может успешно применяться в системах местного газоотсоса наряду с существующими механическими вентиляторами. Выводы. Таким образом, экспериментальным путем установлено, что предложенная новая конструкция безлопастного вентилятора, принцип действия которого основан на эффекте Коанда, может быть успешно применена в модернизируемых и разрабатываемых системах местного газоотсоса. Список литературы 1. Боровицкий А.А. Современная промышленная вентиляция / А.А. Боровицкий, С.В. Угорова, В.И. Тарасенко. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. – 59 с. 2. Wahl T.L. Hydraulic performance of Coanda effect screens // Journal of Hydraulic Engineering. 2001. Vol. 127, Issue 6. P. 480–488. 3. Miozzi M., Lalli F., Romano G.F. Experimental investigation of a freesurface turbulent jet with Coanda effect // Expereriments in Fluids. 2010. Vol. 49, Issue l. P. 341–353. 4. Dragan V. A nev mathematical model for high thickness Coanda effect wall jets // Review of the Air Force Academy. 2013. Issue 1 (23). P. 23–28. 5. Tony L., Wahl T.L. New testing of Coanda-effect screen capacities // This paper prepared for poster presentation at: Hydro Vision International 2013 July 23-26. Denver, CO, 2013. 14 p. 6. Пат. 2458254 РФ, МПК F04D25/08. Вентилятор / Гэммак П.Д., Николас Ф., Симмондз К.Д.; заявл. 10.10.2011, опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22. 7. Пат. 2484383 РФ, МПК F24F1/02. Вентилятор / Николас Ф., Симмондз К.; заявл. 27.01.2013, опубл. 10.06.2013. Бюл. № 16. 8. Пат. 2630443 РФ, МПК F24F7/00, F04D25/00, F04D29/00. Узел безлопастного вентилятора для эвакуации газопылевых выбросов из промышленных агрегатов / Смирнов Е.Н., Еронько С.П.. Ткачев М.Ю. и др.; заявл. 23.05.2016, опубл. 07.09.2017. Бюл. № 25.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.961.2

РАЗРАБОТКА РЕЖУЩЕГО БЛОКА ЛЕТУЧИХ НОЖНИЦ ТРУБОСВАРОЧНОГО СТАНА Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Клименко И.В., Ковалева О.А. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Представлены результаты модернизации режущего блока летучих ножниц трубосварочного стана. Благодаря разделению тонкостенных труб на мерные длины в два этапа (ослабление сечения и рез) повышается качество их торцевых поверхностей. Рассмотрено состояние вопроса управления последовательностью работы силовых гидроцилиндров новой конструкции режущего блока. The results of modernization of the cutting block of flying scissors of a pipe-welding mill are presented. Due to the separation of thin-walled pipes into measured lengths in two stages (weakening of the cross section and cut), the quality of their end surfaces increases. The state of the issue of controlling the sequence of operation of power cylinders of a new design of the cutting unit has been considered. Ключевые слова: тонкостенная труба, летучие гидропривод, режущий блок, трубосварочный стан.

ножницы,

Key words: thin-walled pipe, flying scissors, hydraulic actuator, cutting unit, pipe welding mill. Использование летучих ножниц для разделения на мерные длины тонкостенных труб в потоке сварочного стана в качестве альтернативы дисковым пилам и установкам абразивной резки обусловлено стремлением к исключению присущих им таких недостатков, как значительный шумовой эффект и образование большого количества раскаленных металлических и пылевидных частиц, что требует принятия специальных мер по обеспечению безопасности труда рабочего персонала [1, 2]. Однако такая замена может быть успешной, если режущий блок летучих ножниц позволяет реализовать двухстадийный процесс резки тонкостенного полого профиля, предполагающий предварительное ослабление его поперечного сечения путем надреза и последующее силовое воздействие клиновым ножом на трубу в месте образовавшейся

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

лыски. При указанной схеме резки удается избежать смятия торцевых частей круглого полого профиля и тем самым улучшить его товарный вид [3, 4]. Сотрудниками Донецкого национального технического университета на основе комплексных исследований, связанных с разработкой перспективных образцов малогабаритных устройств качественной резки тонкостенных труб [5, 6], предложена новая конструкция гидравлического режущего блока летучих ножниц (фото на рис. 1). Схема его компоновки показана на рис. 2. Он включает коробчатой формы корпус, состоящий из основания 17, двух пар продольных 11 и поперечных 3, 12 стенок, а также верхних брусьев 4, 10. Все элементы связаны между собой с помощью болтов. На поперечных стенках посредством резьбовых соединений закреплены плунжерные гидроцилиндры 1, 13, расположенные горизонтально на одной оси. Плунжеры 2, 14 обоих цилиндров винтами соединены с горизонтальным П-образным суппортом 19, имеющим в верхней своей части две щелевые прорези, разделенные перемычкой, в пазу которой размещен подрезной нож 18.

Рисунок 1 – Общий вид гидравлического блока летучих ножниц трубосварочного стана

На верхних брусьях 4, 10 корпуса блока закреплен вертикально расположенный гидроцилиндр двухстороннего действия 5. Его шток 6

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

несет суппорт 7, удерживающий клиновой нож 8 и снабженный четырьмя вертикальными брусьями 9 квадратного сечения. Нижние части брусьев имеют клиновидную форму и контактируют скошенными поверхностями с тыльными сторонами двух пар калиброванных ножей-зажимов 15. Между ножами-зажимами каждой из пар поддерживается заданный зазор за счет распирающего усилия, создаваемого двумя пружинами 16, находящимися в соосных цилиндрических углублениях. При этом обе пары ножей-зажимов образуют продольный зазор для беспрепятственного прохода между ними последовательно подрезного 18 и клинового 8 ножей.

Рисунок 2 – Конструктивная схема режущего блока летучих ножниц трубосварочного стана

Принцип работы режущего блока следующий. Перед началом реза трубы, находящейся между двумя парами ножей-зажимов, подвижные части ножниц занимают положение, показанное на рис. 2. При подаче под давлением рабочей жидкости в верхнюю полость вертикального силового цилиндра 5 его шток 6 начинает движение

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

вниз вместе с суппортом 7, несущим клиновой нож 8 и четыре вертикальные стойки 9. В момент, когда нижние клиновидные концы этих стоек, воздействуя на тыльные части ножей-зажимов 15 и преодолевая усилия их распорных пружин 16, зафиксируют в калибрах трубу, в полость левого плунжерного цилиндра 1 под давлением подается рабочая жидкость с расходом, обеспечивающим ускоренное перемещение плунжера 2 и горизонтального суппорта 19 из левого крайнего положения в правое с принудительным вталкиванием плунжера второго цилиндра 14. При этом нож 18 осуществляет надрез трубы, ослабляющий ее поперечное сечение в месте внедрения клинового ножа 8, который опускаясь с некоторой задержкой по времени, проходит через левую прорезь горизонтального суппорта между двумя парами сомкнутых ножей и осуществляет полное отделение части полого профиля, после чего ускоренно возвращается в верхнее исходное положение. Последующий рез трубы будет происходить аналогичным образом с той лишь разницей, что для предварительного выполнения на поверхности полого профиля лыски в нужный момент времени должен включиться в работу правый плунжерный гидроцилиндр 13, ускоренно переводящий из правого в крайнее левое положение горизонтальный суппорт 19, несущий нож 18. Указанная последовательность перемещения с заданной скоростью обоих ножей, обеспечивающая реализацию двухстадийного процесса резки на мерные длины тонкостенной трубы, требует разработки схемы управления гидравлической системой предложенного режущего блока с применением рациональных средств. С целью упрощения построения сложного цикла резки трубы при наличии трех рабочих цилиндров для тестирования режущего блока в лабораторных условиях использовали централизованное управление с помощью командоаппарата в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3. Командоаппарат состоит из вала 4, несущего кулачки 2, 5, 6 и приводимого во вращение мотор-редуктором (условно не показан), который позволяет обеспечить плавное изменение в нужных пределах угловой скорости. Необходимая последовательность срабатывания гидравлических золотников 1, 3, 7, включающих в работу соответствующие силовые цилиндры режущего блока, задается профилем кулачков и их относительным разворотом между собой. Экспериментальная проверка функционирования гидравлической системы исследуемого режущего блока летучих

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 3 – Централизованное управление работой гидроцилиндров режущего блока летучих ножниц с помощью командоаппарата: 1Ц – вертикальный гидроцилиндр двухстороннего действия; 2Ц, 3Ц – плунжерные гидроцилиндры; Н – насос; ПК – предохранительный клапан

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

ножниц показала, что при использовании командоаппарата с непрерывно вращающимся валом заданные перемещения рабочих органов в строго запрограммированном цикле с высокой степенью надежности обеспечиваются только в случае, если суммарная длительность последовательно выполнявшихся операций превышала 2 с. Попытки ускорить процесс двухстадийного разделения трубы на части режущим блоком приводили к сбоям его работы из-за отсутствия сигналов о выполнении предшествующего движения подрезного ножа до начала перемещения вертикального клинового ножа. Поэтому в промышленном образце предложенного гидравлического режущего блока планируется использовать схему с электромеханическим управлением «по пути» [7]. Выводы. Таким образом, результаты лабораторных исследований подтвердили работоспособность режущего блока, предназначенного для использования в качестве структурного механизма летучих ножниц трубосварочного стана. При этом возможность их успешного промышленного применения напрямую зависит от надежности функционирования блока управления последовательностью работы силовых гидроцилиндров. Список литературы 1. Кравченко В.М. Повышение стойкости дисков летучей пилы для порезки тонкостенных труб / В.М. Кравченко, В.А. Сидоров, В.В. Буцукин // Защита металлургических машин от поломок. Сб. науч. тр. – Мариуполь: ГВУЗ «ПГТУ». – 2010. – Вып. 12. – С. 222-225. 2. Стеблюк В.И. Методы усовершенствования способов резки труб на короткие заготовки / В.И. Стеблюк // Обработка материалов давлением. Сб. науч. тр. – Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия. – 2009. – №. 1. – С. 287-290. 3. Лыжников Е.И. Технологические и силовые параметры резки труб плоским ножом / Е.И. Лыжников, Е.К. Дунда // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2013. – № 1. – С. 137-140. 4. Лыжников Е.И. Особенности технологического процесса резки труб плоским ножом / Е.И. Лыжников, Е.К. Давыденко // Обработка материалов давлением. – 2013. – №. 2 (35). – С. 142-146. 5. Еронько С.П. Теоретические и экспериментальные исследования резки тонкостенных труб клиновыми ножами / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, С.В. Мечик и др. // Вестник Донецкого национального технического университета. – 2016. – № 5. – С. 15-21. 6. Еронько С.П. Исследование энергосиловых параметров ножниц для качественной резки тонкостенных труб / С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев, Е.В. Ошовская // Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. – 2018. – Вып. 11 (54). – С. 110-118. 7. Наземцев А.С. Пневматические и гидравлические приводы и системы. В 2 ч. Ч. 2. Гидравлические приводы и системы. Основы: учебное пособие / А.С. Наземцев, Д.Е. Рыбальченко. – Москва: Форум, 2007. – 304 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 620.113.4

СТЕНД И МЕТОДИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОИЗОЛИРУЮЩИХ СОСТАВОВ Пенчук В.А., Селезнев И.В. ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», г. Макеевка, ДНР В работе освещена методика исследования свойств герметизирующих составов. Представлен стенд для ее реализации, приведен результат исследования составов Aquastop, Акватрон и Maxplug. In work the technique of research of water of the sealing structures is developed. Presented stand for its implementation, the result of the study of the compositions of Aquastop, Aquatron and Maxplug. Ключевые слова: водопроводная сеть, утечки, материалы, ликвидации утечек в водопроводе, методика эксперимента, натурный эксперимент, математическая модель. Key words: water supply network, leaks, materials, elimination of leaks in the water supply system, experimental technique, field experiment, mathematical model. Целью исследования является разработка методики и конструкции стенда для проверки и выявления наиболее эффективных герметизирующих составов, применяющихся для устранения течей в металлических трубопроводах. Для лабораторных исследований были отобраны составы трех фирм: Aquastop, Акватрон, Maxplug. Для проведения исследования была разработана специальная методика, которая предусматривает следующие операции: − создание в металлической трубе отверстий заданного диаметра; − обнаружение утечки в металлической трубе при подаче в нее воды под давлением; − отключение давления в трубе с оповещением и выпуск из нее определенного количества воды; − подача к месту утечки гидроизолирующего состава; − выдержка изолирующего состава в месте течи трубы;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

− подача давления в трубу и проверка течи. По выше изложенной методике был разработан специальный стенд, конструктивная схема которого приведена на рис. 1, а также изготовлен его прототип (рис. 2).

Рисунок 1 – Конструктивная схема экспериментального стенда: 1 – труба; 2 – упорная стенка; 3 – прозрачные панели из оргстекла; 4 – штуцер для подачи герметика; 5 – перегородка; 6 – кран регулировки скорости заполнения камеры водой; 7 – впускной штуцер; 8 – манометр; 9 – штуцер манометра; 10 – смотровое окно

Стенд для испытания герметизирующих составов состоит из трубы 1, заключенной между двумя упорными стенками 2. Благодаря этому стенд имеет высокую прочность. На трубе был вырезан небольшой фрагмент для образования смотрового окна 10. Его усилили перегородками 5, которые разделяют камеры в исследовательском стенде. Воду для испытания подавали в трубу через штуцер 7 с установленным на него краном 6, служащим для регулировки потока воды поступающего в камеру. Контроль давления воды в полости трубы производится через штуцер 9 с установленным на него манометром 8. Исследуемые составы подавали через штуцер 4. Для полного визуального контроля стенки 3 выполнены из листов прозрачного оргстекла. Прозрачные листы закреплены посредством болтовых соединений с обязательной герметизацией швов. Отверстия в трубе закрыты армированным скотчем с обеих ее сторон. Качество изготовления современного скотча позволяет обеспечить должную

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

герметичность для проведения эксперимента. Для проведения эксперимента по оценке герметизирующих свойства гидроизоляционных материалов было отобрано три состава: Aquastop, Акватрон и Maxplug. По своим характеристикам составы довольно схожи. Отличительными особенностями является способ их применения по сертификату. Раствор смешивается с водой в соотношении с рекомендациями завода-изготовителя. После чего готовый герметизирующий состав подаются через штуцер в камеру исследовательского стенда. Далее путем специального устройства (рис. 3) исследуемый состав перегружается в специальную емкость, после чего емкость поднимается на высоту Н = 1,7 м, создавая тем самым давление. Под собственным весом раствор проходит через трубку и равномерно заполняет камеру испытательного стенда.

Рисунок 2 – Экспериментальный стенд (изготовленный прототип)

Рисунок 3 – Процесс заполнения испытательного стенда

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Время застывания определено по рекомендациям заводаизготовителя. По истечении времени застывания и приобретению раствором прочности в трубу подается вода под давлением. При этом внимательно наблюдают за показаниями манометров. Если по истечению отрезка времени в 90 мин не удалось выявить протечку, то требуется подготовить стенд к повторному эксперименту, очистить его от предыдущего состава и провести повторно еще два опыта с составами той же фирмы. Минимальное количество повторов для анализа состава – по три опыта для каждого из герметика. Для правильного анализа полученных данных экспериментальное исследование должно проводиться на основании методов планирования. Выбранный метод является методом многофакторного планирования эксперимента. Для проведения экспериментов был принят двух факторная матрица (табл.). Таблица – Кодирование факторов Уровни факторов Факторы Х1 – диаметр отверстия в трубе Х2 – давление воды в системе

Размерность

–1

Интервал варьирования

мм

МПа

0,1

0,15

0,2

0,05

При проведении экспериментальных исследований использовались поверенные следующие измерительные приборы: штангенциркуль ГОСТ 166-89 КЛ-2 с максимальным измеряемым участком 145 мм, цена деления 1 мм разрядностью 0,1 мм; манометр ISO 2405- 16 KL-1.0 семейным измеряемым давлением 7 бар, цена деления 0,2 бара; весы лабораторные ГОСТ 24104-2001 с измеряемым весом 1 кг, точность весов 0,01 г. Эксперименты проводились в строгом соответствии с разработанной методикой. Количество опытов определяется в каждом эксперименте по критерию Фишера [1-4]. Результаты исследования составов представлены на рис. 4 и 5. Как видно из результатов испытания, составы Aquastop и Maxplug практически идентичны. Оба этих состава прошли испытания, выполнив поставленную задачу.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Исходя из материала, представленного на графике (рис. 5), состав фирмы Акватрон не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Потому этот состав будет исключен в ходе дальнейших исследований.

Рисунок 4 – Давление в системе при наблюдении за процессом утечки воды (использование герметизирующих составов Aquastop и Maxplug)

Рисунок 5 – Давление в системе при наблюдения за процессом утечки воды (использование герметизирующего состава Акватрон) Выводы. Предлагаемая методика и стенд позволяют проводить исследования процессов ликвидации порывов в металлических водопроводах. По результатам исследования установлено что смеси Aquastop, Акватрон и Muxplug соответствуют изложенным в инструкции по применению гидроизолирующим свойствам. Сопоставительный анализ показал, что наиболее эффективным и

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

просто реализуемым в практике ликвидации порывов в металлических водопроводах является гидроизолирующий состав Aquastop. Список литературы 1. Винарский М.С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. / М.С. Винарский, М.В. Лурье. – К.: Техніка, 1975. – 168 с. 2. Барабащук В.И. Планирование эксперимента в технике / В.И. Барабащук, Б.П. Кренденцер, В.И. Мирошниченко. – К.: Техника, 1984. – 200 с. 3. Тимошенко Г.Н. Теория инженерного эксперимента. / Г.Н. Тимошенко, П.Ф. Зима. – Донецк: ДПИ, 1984. – 60 с. 4. Блохин А.В. Теория эксперимента: Курс лекций в 2 ч. Ч. 2 / А.В. Блохин. – Минск: БГУ, 2002. – 67 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 62-231.228

РАЗРАБОТКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА СИСТЕМЫ ВЫГРУЗКИ ИЗВЕСТИ ИЗ ШАХТНОЙ ОБЖИГОВОЙ ПЕЧИ Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Клименко И.В., Артамонов Е.А. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Рассмотрены конструктивные особенности системы с гидравлическим приводом, обеспечивающей равномерную выгрузку извести из шахтной обжиговой печи. В качестве рабочих органов в ней предусмотрено использование четырех взаимосвязанных между собой ножей-скребков, перемещаемых по поверхности круглого стола с помощью четырех силовых цилиндров, установленных попарно вдоль его двух взаимно перпендикулярных диаметров. The design features of the system with hydraulic drive providing uniform unloading of lime from the mine kiln are considered. As working bodies, it provides for the use of four interconnected knife-scrapers, moved along the surface of the round table with the help of four power cylinders installed in pairs along its two mutually perpendicular diameters. Ключевые слова: шахтная обжиговая печь, известняк, известь, выгрузочное устройство, гидравлический привод. Key words: mine kiln, limestone, lime, unloading device, hydraulic drive. Значительную часть извести, используемой в металлургии в качестве флюса, производят в шахтных обжиговых печах с суточной производительностью 145…160 т. Работа таких печей в заданном технологическом режиме во многом определяется надежностью и техническими возможностями их систем выгрузки [1]. К главным критериям эффективности функционирования устройств выдачи обожженной извести из печей шахтного типа относят обеспечиваемые ими степень равномерности и пределы регулирования объема извести, поступающей из агрегата в единицу времени, а также возможность механического разрушения рабочими органами образующихся в центральной зоне печи спекшихся кусков материала, нарушающих нормальный ход процесса выгрузки. Поэтому исследования, связанные с совершенствованием существующих и созданием новых обжиговых печей данного типа, проводившиеся за последние годы,

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

были направлены на модернизацию их структурных механизмов с целью повышения надежности работы в неблагоприятных условиях эксплуатации [2]. Из всего многообразия разработанных и запатентованных выгрузочных устройств следует выделить две группы, разделяемых по виду реализуемого в них движения и форме рабочего органа. К первой группе относятся системы выгрузки с возврано-поступательным движением элементов, перемещающих материал от центра нижней части шахты печи к ее периферии. Вторая группа устройств объединяет системы с вращающимся подом, снабженным специальными гребнями или скребками, оттесняющими обжигаемый материал при повороте относительно нижней части шахты печи в радиальном направлении от ее центральной оси к крайней кромке пода. Сотрудниками кафедры «Механическое оборудовние заводов черной металлургии» им. профессора Седуша В.Я. на основании результатов сопоставительного анализа достоинств и недостатков известных технических решений и с учетом имеющегося опыта в создании выгрузочных устройств печей шахтного типа [3, 4] разработана новая конструктивная схема гидравлической системы, позволяющей осуществлять в устойчивом режиме регулируемую выдачу дробленого материала даже при наличии крупных спекшихся кусков (рис. 1). Она включает круглый неподвижный стол 11, размещенный симметрично относительно вертикальной продольной оси корпуса печи 1 ниже выходного отверстия конического коллектора 2. На неподвижном столе расположено четыре полукруглых ножа-скребка 3, своими концами шарнирно связанные с четырьмя толкателями прямоугольного сечения 4, каждый из которых удерживается в горизонтальной плоскости роликовой проводкой 5 и вторым своим концом соединен посредством оси 6 со штоком 7 силового гидроцилиндра 8, жестко закрепленного на консольной площадке 9. Эти площадки совместно с опорами 10 образуют металлоконструкцию, удерживающую корпус шахты печи, ее системы выгрузки и приемный бункер 12. При этом радиус ножей-скребков 3 в два раза меньше радиуса круглого стола 11. Предлагаемая система выгрузки функционирует следующим образом. Нижние слои извести по мере ее обжига в шахте печи 1 через выходное отверстие конического коллектора 2 попадают на круглый стол 11 и под углом естественного откоса равномерно на нем рассредоточиваются. Для начала выгрузки извести рабочую жидкость под давлением одновременно подают в поршневые полости одной пары диаметрально противоположно размещенных гидроцилиндров и

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

в штоковые полости второй пары гидроцилиндров. При этом первая пара цилиндров работает на выталкивание, а вторая на втягивание штоков, в результате чего ножи-скребки совершают относительно стола поворотные движения, изображенные на рис. 2. На них видно, что ножи-скребки, благодаря указанному соотношению их радиусов, своей тыльной круглой частью поворачиваются на столе вдоль его кромки, сталкивая с него слой дробленого материала через кольцевой

Рисунок 1 – Схема предлагаемой системы выгрузки извести из шахтной обжиговой печи

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

д Рисунок 2 – Положение ножей-скребков при переходе из одного крайнего положения в другое

зазор в приемный бункер, а скошеной передней частью, движутся в центр стола, перебрасывая материал на его освободившиеся участки. В конечном положении системы (рис. 2 д) осуществляется реверс движения каждой пары, диаметрально расположенных цилиндров, и порядок движения ножей-скребков будет происходить в обратной последовательности. Следует отметить тот факт, что принятые форма и способ соединения между собой работающих органов системы выгрузки позволяют им осуществлять при перемещении по поверхности стола не только сталкивание с него слоев дробленого

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

материала, но и разрушать спекшиеся большие его куски благодаря последовательному образованию двух пар челюстей, оказывающих на них силовое воздействие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для проверки правильности принятых решений, заложенных в конструкцию разработанной системы выгрузки, спроектировали и изготовили в масштабе 1:20 действующую модель шахтной печи производительностью 120 т/сут, оборудованную предложенным разгрузочным устройством с комбинированным гидравлическим приводом (фото на рис.3).

а в Рисунок 3 – Физическая модель шахтной обжиговой печи (а) и предложенная гидравлическая системы выгрузки извести из нее (б, в)

Предварительно в шахту модели обжиговой печи засыпали отсев известняка фракцией частиц 0,5 – 3 мм, что соответствовало для натурного образца агрегата кускам с поперечными размерами 10 – 60 мм. В ходе лабораторного эксперимента осуществляли визуальный контроль траекторий движения рабочих органов выгрузочной системы и перемещаемого ими сыпучего материала относительно круглого стола модели печи, а также с помощью электронных весов фиксировали динамику изменения массы выдаваемого в единицу

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

времени имитатора обожженной извести из модели печи при заданной скорости перемещения штоков гидроцилиндров. При этом также моделировали работу выгрузочного устройства для различных скоростей движения штоков силовых гидравлических цилиндров. На рис. 4 показаны графики зависимостей изменения во времени массовой выдачи материала из модели печи при различной скорости работы выгрузочного устройства.

б Рисунок 4 – Зависимость количества выгруженной обожженной извести из модели шахтной печи от времени при различных периодах цикла работы выгрузочного устройства: а – 0,8 цикл / мин; б – 1,6 цикл / мин Выводы. Результаты анализа полученных экспериментальных данных позволяют сделать вывод о том, что предлагаемая система обеспечивает равномерную выдачу материалов при различных скоростях движения рабочих элементов даже в случае наличия в осевой части шахты печи крупных спекшихся кусков благодаря их разрушению за счет образования элементными рабочими парами двухчелюстных механизмов. Список литературы 1. Питак И.В. Совершенствование производства извести в шахтных печах / И.В. Питак, П.В. Шапорев, А.В. Шестопалов и др. // Технологический аудит и резервы производства. – 2014. – № 1 (20). – С. 59–63. 2. Мадисон В.В. Опыт технического перевооружения и освоения режимов работы печи PFR для обжига известняка / В.В. Мадисон, В.Т. Рязанов, А.Л. Набоких и др. // Сталь. – 2015. – № 3. – С. 64–70. 3. Пат. 26234002 РФ. Устройство для разгрузки шахтной известковогазовой печи / Е.Н. Смирнов. С.П. Еронько, М.Ю. Ткачев и др.; заявл. 23.05.2016, опубл. 27.06.2017. Бюл.№ 18. 4. Еронько С.П. Расчет и конструирование эффективной системы выгрузки извести из шахтной обжиговой печи / С.П. Еронко, М.Ю. Ткачев, Е.В. Ошовская и др. // Металлург. – 2018. – № 7. – С. 38–43.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 669.14

СТЕНД ДЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИМИТАТОРОВ ПЕРЕМЫЧЕК, БЛОКИРУЮЩИХ ВЫПУСКНОЙ КАНАЛ КОВША В НАЧАЛЕ РАЗЛИВКИ Еронько С.П., Ткачев М.Ю., Понамарева Е.А., Цыхмистро Е.С. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Представлена конструкция и методика применения стенда для исследования прочностных характеристик элементов, имитирующих перемычки, которые образуются над поверхностью стартовой смеси на входе в канал ковшевого стакана и препятствуют после ее высыпания свободному истечению жидкой стали. Результаты исследований являются исходной информацией для расчета силовых параметров пружин катапульт, обеспечивающих начало разливки в штатном режиме за счет разрушения указанных перемычек. The design and technique of using the stand for studying the strength characteristics of elements that simulate jumpers, which are formed above the surface of the starting mixture at the entrance to the channel of the ladle cup and prevent the free flow of liquid steel after its precipitation, is presented. The research results are the initial information for the calculation of the power parameters of the catapult springs, which ensure the start of casting in the normal mode due to the destruction of the indicated jumpers. Ключевые слова: сталеразливочный ковш, шиберный затвор, стаканколлектор, катапульта, стартовая смесь. Key words: steel teeming ladle, slide gate, glass-collector, catapult, starter mix. Использование шиберных затворов для регулируемого слива жидкой стали из разливочного ковша, как известно, предполагает во время его подготовки к приему металла очередной плавки заполнение канала ковшового стакана так называемой стартовой смесью – мелкодисперсным материалом, который не должен спекаться при температуре 1600..1650оС, смачиваться расплавом и уплотняться под действием ферростатического давления [1, 2].

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Благодаря указанным свойствам, данная смесь при первом открывании шиберного затвора в момент совмещения отверстий его огнеупорных плит должна высыпаться из сталевыпускного канала ковша для начала беспрепятственного истечения жидкого металла. Однако на практике по ряду причин не удается достичь 100%-ой вероятности начала разливки в штатном режиме из-за наличия над входным отверстием канала ковшового стакана перемычки, образовавшейся из слоев спекшейся смеси и затвердевшей стали, которая способна выдерживать действующую на нее силу тяжести столба расплава высотой до 5 м. В этом случае прибегают к прожиганию перемычки кислородом, подаваемым по изогнутой металлической трубке, вводимой снизу через канал стакана-коллектора. Использование с этой целью кислорода влечет за собой нарушение целостности поверхности стенок выпускного канала и образование значительного количества оксидных включений, что в конечном итоге способствует ухудшению условий организации струи истекающей из ковша стали и загрязнению ее нежелательными примесями. Поэтому одним из направлений исследований, связанных с повышением эффективности функционирования шиберных затворов разливочных и литейных ковшей, является поиск технических и технологических решений, которые бы позволяли избежать появления твердой корочки в верхнем слое стартовой смеси, находящейся в канале разливочного стакана, или минимизировать дополнительные издержки, обусловленные применением специальных устройств и приспособлений, разрушающих одномоментно с открыванием ковшового затвора имеющуюся перемычку [3]. Результаты анализа информации, приведенной за последние десятилетия в технической литературе, а также в описаниях изобретений, запатентованных в ряде промышленно развитых стран, позволили выявить три основных пути обеспечения начала разливки стали без промывания кислородом канала сталеразливочного ковша: за счет подбора новых составов стартовых смесей с ингредиентами, препятствующими их спеканию при контакте с жидкой сталью; благодаря формированию с помощью специальных приспособлений на свободной поверхности сыпучего материала в зоне размещения разливочного узла ковша лунок или углублений, профиль которых обеспечивает снижение несущей способности образующейся перемычки; посредством размещения в канале стакана-коллектора специальных пружинных катапульт, срабатывающих после полного открывания затвора и выталкивающих вверх металлические стержни,

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

оказывающие динамическое силовое воздействие на образовавшуюся перемычку [4, 5]. Существенное многообразие предлагаемых решений отмеченной проблемы можно объяснить отсутствием информации о реальных условиях протекания гидродинамических, тепловых и других процессов в зоне расположения огнеупорного гнездового блока разливочной системы ковша. В связи с этим при разработке мероприятий, призванных обеспечить беспрепятственное истечение жидкой стали после высыпания из канала затвора стартовой смеси, исследователи исходили из гипотетических предположений. Это связано с отсутствием по известным причинам возможности визуального наблюдения за поведением верхнего слоя сыпучего материала, подвергаемого воздействию со стороны падающей с высоты нескольких метров струи металла, из-за чего нельзя установить истинные форму и размеры образовавшейся корочки, а также картину ее разрушения на отдельные фрагменты в случае наносимого снизу удара металлическим элементом, выбрасываемым вверх вдоль канала ковшового стакана пружиной катапульты. Кроме того, части разбиваемой перемычки уносятся потоком металла, т.е. не могут быть отобранными для последующего контроля толщины образовавшегося твердого слоя и его прочностных характеристик. Данные обстоятельства побуждают к получению необходимых сведений с помощью метода физического моделирования, который при соблюдении соответствующих условий подобия дает возможность качественной и количественной оценки параметров симулируемых процессов. Целью настоящей работы являлось создание лабораторного стенда, предназначенного для определения давления столба жидкого металла, достаточного для разрушения имитатора перемычки, блокирующей входное отверстие канала ковшового стакана после высыпания из него стартовой смеси в момент начала разливки. Полученные данные проводимых на стенде измерений послужат исходной информацией, позволяющей рассчитать рациональные силовые параметры пружинных элементов катапульты, обеспечивающей гарантированное разрушение образующейся перемычки для обеспечения беспрепятственного истечения разливаемой стали. Для решения поставленной задачи спроектировали и изготовили лабораторный стенд, схематично показанный на рис.1. Он включает опорную рамку 1 с вертикально установленным на ней огнеупорным разливочным стаканом 10. На верхнюю торцевую поверхность этого

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

стакана опирается цилиндрический кессон 4, прижимаемый к стакану крышкой 6, имеющей форму диска и посредством четырех шпилек 2 с гайками 5 связанной с опорной рамкой 1. В полости кессона над входным отверстием канала разливочного стакана на его верхней торцевой поверхности с обеспечением герметичности можно устанавливать имитаторы перемычки 3, имеющей различную форму и толщину. В центральное резьбовое отверстие крышки 6 вкручен тройник для подключения манометра 7 и трубки 8, подающей в полость кессона воздух от компрессора 9.

Рисунок 1 – Схема лабораторного стенда

В качестве материала для изготовления имитаторов перемычки было решено использовать свинец, который в твердом состоянии обладает такими же реологическими свойствами, как и сталь сразу после образования кристаллической структуры, т.е. при температуре ниже равновесной [6], что соответствует условиям появления твердой металлической перемычки над поверхностным слоем стартовой смеси во время заполнения жидким металлом разливочного ковша. Форма, наружный диаметр и толщина имитаторов перемычек должны выбираться с учетом того, что комбинации указанных геометрических характеристик в реальных условиях могут быть различными из-за действия таких факторов, как вместимость разливочного ковша, температура и скорость циркуляции жидкой стали в зоне расположения его выпускного канала. Поэтому методом литья изготовлены три комплекта свинцовых перемычек выпуклой, плоской и вогнутой форм (фото на рис. 2) с градацией толщин 1, 2 и 3 мм и наружным диаметром 60, 70 и 80 мм. Пробные опыты на изготовленном стенде (фото на рис. 3) провели по следующей методике.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 2 – Внешний вид свинцовых перемычек с наружным диаметром 80 мм и толщиной 3 мм

Рисунок 3 – Подготовленный к проведению опытов лабораторный стенд

На верхнюю торцевую часть разливочного стакана наносили тонкий слой специальной пасты, обеспечивающей герметичное прилегание размещаемого сверху имитатора перемычки. После этого на стакан устанавливали кессон, который прижимали к огнеупору посредством трех шпилек, затягивая на их верхних резьбовых концах гайки. Затем, подключив к тройнику связанный с компрессором гибкий шланг, предварительно проверяли собранную систему на герметичность. Для этого осуществляли пробный пуск компрессора и после создания в кессоне избыточного давления воздуха порядка

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

0,01 МПа выключали его. Неподвижное состояние стрелки манометра свидетельствовало о наличии герметичности, в противном случае по слышимому характерному свисту воздуха устанавливали место его выхода из кессона в окружающее пространство и устраняли обнаруженную неплотность, после чего повторно запускали компрессор и фиксировали по положению стрелки манометра значение давления, при достижении которого она резко возвращалась с исходное (начальное) положение, что свидетельствовало о разрушении имитатора перемычки. После проведения каждого опыта стенд разбирали для извлечения испытанного образца и изучения характера его разрушения. В качестве примера на рис. 4 показана плоская перемычка диаметром 80 мм с остаточными повреждениями, наступившими при воздействии на нее избыточного давления, соответствующему условиям начала разливки стали из 250-т ковша.

Рисунок 4 – Характер разрушения свинцового имитатора плоской перемычки толщиной 3 мм под действием избыточного давления, эквивалентному давлению 5 метрового столба жидкой стали

По завершении всего запланированного комплекса лабораторных опытов при различных возможных комбинациях диаметров каналов ковшовых стаканов и геометрических параметров имитаторов перемычек в результате обработки полученных данных будут построены графики зависимостей, позволяющих легко установить для конкретных условий разливки значение толщины образовавшейся металлической корки, при которой потребуется ее разрушение внешним силовым воздействием. Кроме того, прочностные характеристики такой перемычки послужат в качестве

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

исходных данных для расчета конструктивных и силовых параметров устройства, осуществляющего ее разрушение. Выводы. Предложенный лабораторный стенд позволяет получить исходную информацию, необходимую для расчета и конструирования специальных устройств, обеспечивающих начало разливки стали из ковшей, оборудованных шиберными затворами, без промывания выпускного канала кислородом. Список литературы 1. Земляной К.Г. Стартовые смеси нового поколения / К.Г. Земляной, А.А. Куровский // Новые огнеупоры. – 2008. – № 1. – С. 23–24. 2. Suvorov S.A. Thermal insulating materials for sliding gate valves of ladles and tundishes / S.A. Suvorov, V.P. Migal, V.V. Skuriknin et al. // Металлург. – 2001. – № 3. – С. 44–45. 3. Brevet 2467651 (7926505) France, IPC В23K7/00, В22D41/10. Dispositif pour déboucher l’orifice de coulée d’un recipient métallurgique / J.-Ch. Daussan, G. Daussan, A. Daussan; date de dépôt 25.10.1979, publié 30.04.1981. Bul. № 18. 4. Pat. 5167902 USA, IPC В22D41/22. Device for piercing an obstruction in a well-block opening of a ladle for transporting molten steel / W.A. McCray, M.D. Cope, T.J. Connors, A. Csaszar; filed 19.07.1991, published 01.12.1992. 5. Pat. 102005010842 Bundesrepublik Deutschland, IPC В22D41/46, В22D41/44. Katapult zum Öffnen des Kanals einer Stahlgiesspfanne / B.-D. Jacob; anmeldetag 07.03.2005, offenlegungstag 14.09.2006. 6. Выдрин В.Н. О реологических свойствах стали и свинца / В.Н. Выдрин, Л.М. Агеев // Известия Академии наук СССР. Металлургия. – 1967. – №2. – С. 104–106.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.7

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МАШИН, АГРЕГАТОВ И ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛУРГИИ Ткачев М.Ю., Сидоров В.А., Рыцик Р.А. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Представлены результаты применения технологии 3D печати в условиях лаборатории физического моделирования инновационного механического оборудования заводов черной металлургии. Охарактеризованы преимущества и недостатки использования данного направления в научных исследованиях, а также при подготовке инженеров-механиков в области металлургии. The results of the use of 3D printing technology in the laboratory of the physical modeling of innovative mechanical equipment of ferrous metallurgy plants are presented. The advantages and disadvantages of using this direction in scientific research, as well as in the training of mechanical engineers in the field of metallurgy are characterized. Ключевые слова: металлургическое оборудование, физическое моделирование, 3D принтер, барабан скиповой лебедки, безлопастной вентилятор. Key words: metallurgical equipment, physical modeling, 3D printer, skip winch drum, bladeless fan. Технология 3D печати появилась сравнительно недавно. История ее зарождения связана с: - реализацией в 1995 году компанией Solidscape специального принтера для создания трехмерного изображения; - появлением благодаря Чарльзу Халлу в 1986 году стереолитографии (метода создания твердых физических объектов); - разработкой Скоттом Трампом в конце 1980-х годов метода послойного наплавления [1]. В настоящее время эта технология получает все большее и большее распространение в: - металлургии [2], например, для создания модели из пластика при реализации метода выплавляемых (выжигаемых) моделей;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

- машиностроении [3], например, для получения заготовок гиперболоидных зубчатых колес двойной кривизны; - медицине [4], например, для печати различного вида протезов; - пищевой промышленности [5], например, для печати блюд в форме объемных фигур; - строительстве зданий, сооружений и т.д. С каждым днем расширяется номенклатура материалов, применяющихся в печати: ABC-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол), полиметилметакрилат (оргстекло, акрил, ПММА), полилактид (PLA, ПЛА), нейлон (Nylon), поликарбонат (PC, ПК), полипропилен (PP, ПП), полифенилсульфон (PPSU), поликапролактон (PCL), полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПНД), полиэтилен-терефталат (PET, ПЭТ), ударопрочный полистирол (HIPS), поливиниловый спирт (PVA, ПВА), древесные имитаторы, целлюлоза, имитаторы песчаника, бумага, гипс, лед, бетон, металл, керамика, гидрогель и т.д. Одним из общепризнанных главных преимуществ технологии 3D печати является возможность сравнительно простой с точки зрения технологичности изготовления воссоздания по спроектированной 3D модели конструктивно сложной детали, сборочной единицы, узла. Ввиду этого данный метод хорошо зарекомендовал себя в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Общепризнанным является обстоятельство необходимости использования такого метода научных исследований, как физическое моделирование при разработке инновационных конструкторских решения и реализации новых ведущих замыслов построения машин или агрегатов. Опыт использования физического моделирования доказывает, что затраты, которые влечет этот метод научных исследования, несоизмеримо малы с ценностью информации, полученной в его результате. В соответствии с теориями подобия и научных исследований, в области металлургии, как правило, при постановке лабораторных экспериментов широко используют моделирующее среды, например, расплавы стали и чугуна имитируются водой, шлака – минеральным маслом и т.п. Ввиду этого и вышеупомянутого обстоятельств особо актуальным представляется вопрос применения технологии 3D печати при разработке конструктивно сложных элементов конструкции лабораторных установок, стендов, с целью уменьшения временных и материальных затрат, повышения точности изготовления.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Авторами настоящей статьи был успешно применен описанный подход в практике физического моделирования металлургического оборудования. Одним из направлений исследований являлось изучение функциональных особенностей, конструктивных и энергосиловых параметров узла безлопастного вентилятора для эвакуации газопылевых выбросов из промышленных агрегатов, конструкция которого защищена патентом на изобретение (патент 2 630 443 РФ). Конструктивными особенностями данного высокоэффективного с точки зрения энергетики узла (рис. 1 а), в основе принципа действия которого лежат эффекты Коанда и торнадо, является наличие

б Рисунок 1 – Горловина узла безлопастного вентилятора в сборе (а) и его сопла, изготовленные из металла (б)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

сопел (рис. 1 б), продольное сечение которых напоминает форму крыла самолета. Для их изготовления до настоящего времени использовались классические подходы, требующие наличия специальных шаблонов, что в целом влекло существенные затраты. При помощи современных САПР была создана трехмерная модель запатентованного узла вентилятора (рис. 2). Ввиду особенностей работы 3D принтера было предложено изготовить сопла сборными из трех деталей: двух специальных профилей с кронштейнами для крепления на кольце и штуцера для подвода сжатого воздуха в их полость (рис. 3, 4). На рис. 5 показаны сопла в сборе, составные части которых получены на 3D принтере.

Рисунок 2 – 3D модель узла безлопастного вентилятора с вырезом четверти

Рисунок 3 – Печать специальных профилей сопла узла безлопастного вентилятора

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 4 – Печать штуцера сопла узла безлопастного вентилятора

Рисунок 5 – Сопло узла безлопастного вентилятора в сборе

Себестоимость изготовления сопла узла безлопастного вентилятора на 3D принтере примерно равна цене изделия из меди, оцинкованной стали с применением резиновых прокладок, двух резьбовых соединений М3 и пайки. Однако затраты времени при новом подходе были несоизмеримо меньшими, а качество – во много крат выше.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Вторым направлением исследований являлась проверка работоспособности скиповой лебедки с обращенным ротором, используемой для подачи шихтовых материалов на колошник доменной печи полезным объемом 1033 м3. Данная инновация позволяет повысить КПД механизма по механическим показателям до 98 % за счет отказа от передаточных механизмов (редукторов), применяемых в приводах существующих скиповых лебедок. Для этого с минимальными временными и материальными затратами была спроектирована и изготовлена на 3D принтере модель скиповой лебедки с обращенным ротором в масштабе 1:30 (рис. 6). Тестирование физической модели подтвердило работоспособность выдвинутого предположения.

б Рисунок 6 – Фронтальный (а) и вид сбоку (б) физической модели скиповой лебедки с обращенным ротором

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Выводы. Таким образом, использование технологии 3D печати при разработке машин, агрегатов и процессов в металлургии с применением физического моделирования позволяет значительно сократить временные затраты и повысить точность изготовления изделий. Однако актуальными проблемами, которые появились с распространением этой технологии, являются: - вопросы безопасности; - задачи, связанные с сохранением некоторых отраслей промышленности, которые могут быть вытеснены при условии повсеместного распространения 3D принтеров; - вопросы развития творческого воображения, пространственного мышления, навыков технического творчества. Следует отметить, что ввиду выше обозначенных обстоятельств направлением дальнейших исследований следует признать комплексное изучение влияния технологии трехмерной печати на человечество в целом. Список литературы 1. 3D-принтеры: технологии трехмерной печати и их влияние на общество и экономику / Н.В. Кушнир, А.В. Кшнир, А.М. Геращенко и др. // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. – 2015. - №. 5. – С. 464-471. 2. 3D принтеры в металлургии / Е.В. Бабакова, Е.А. Ибрагимов, А.А. Сапрыкин и др. // Актуальные проблемы современного машиностроения: сб. тр. Межд. научн.-практ. конф., 11-12 декабря 2014 г., Юрга. – Юрга: Изд-во Национального исследовательского Томского политехнического университета. – 2014. – С. 376-379. 3. Печенкин М.В. Технология получения заготовок гиперболоидных зубчатых колес двойной кривизны послойным выращиванием на 3D принтерах / М.В. Печенкин, Р.М. Янбаев, А.Н. Лунев // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: сб. докладов II Межд. конф., 16 марта 2016 г., Москва. – Москва: Изд-во Всероссийского научноисследовательского института авиационных материалов. – 2016. – С. 31. 4. Лукашенко Е.И. 3D принтер в медицине / Е.И. Лукашенко // Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития: сб. матер. Всероссийской молодежной научн. конф., 24-26 июня 2014 г., Саратов. – Саратов: ИЦ «Наука». – 2014. – С. 36-38. 5. 3D принтер для пищевой промышленности / А.Н. Афонин, А.Ю. Алейников, А.А. Угольникова и др. // Современные технологии продуктов питания: сб. научн. статей матер. 2-й Межд. научн.-практ. конф., 03-04 декабря 2015 г., Курск. – Курск: ЗАО «Университетская книга». – 2015. – С. 17-19.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.75

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ Костенко А.В. ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, РФ Особенности современного машиностроения указывают на необходимость поиска новых подходов в проектировании технологических процессов. Приведены принципы объектноориентированного проектирования, которые определяют возможность их использования при проектировании функциональноориентированных технологий машиностроения. Features of modern engineering indicate the need to find new approaches in the design of technological processes. The principles of object-oriented design, which determine the possibility of their use in the design of functional-oriented engineering technologies. Ключевые слова: машиностроение, объектно-ориентированный подход, принципы, функционально-ориентированная технология. Key words: engineering, object-oriented approach, principles, functionaloriented technology. Машиностроение является ведущей отраслью промышленности любого государства. Машиностроительный комплекс пронизывает все отрасли экономики и определяет не только уровень развития страны, но и ее безопасность. Отличительной особенностью машиностроения является чрезвычайно большое разнообразие выпускаемых изделий – от простейших до уникальных и сложных составных изделий самых разных отраслей – морские суда, космические корабли, металлообрабатывающие станки и т.д. Можно отметить, что в настоящее время созданы все условия для эффективного и качественного производства машин самого разного назначения. Одновременно накопленный опыт позволяет утверждать, что имеются предпосылки для дальнейшего развития технологии машиностроения.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Современное машиностроение характеризуется рядом особенностей [1, 2]:  производство вынуждено быть более гибким, ориентируясь на запросы потребителя;  машиностроение становится все боле многономенклатурным, что вытекает из предыдущей особенности: на единичные технологические процессы (ТП) приходится 60% всех процессов [2];  сокращение жизненного цикла изделия;  использование смешанной стратегии ремонта оборудования потребителями – для различных элементов одной и той же технической системы применяют различные стратегии: для наиболее ответственных – по отработанному ресурсу, для большинства остальных элементов – по состоянию на базе технического диагностирования, для отдельных неответственных элементов – по потребности. Это предполагает создание изделий с определенным сроком эксплуатации [3]. Очевидно, что «классический» подход к проектированию ТП не справляется с возникающими задачами и проблемами. Необходимы новые технологии, новые подходы к решению задач по производству изделий для удовлетворения потребностей потребителей – индивидуальных, предприятий, отраслей и т.п. Новые подходы должны обеспечить вывод технологии машиностроения на новый качественный уровень. Функционально-ориентированные технология (ФОТ) позволяет гибко подходить к созданию ТП, учитывая особенности эксплуатации уже на этапе проектирования конструкторской документации на изделие [4]. Это дает возможность для деталей, отличающихся сложными эксплуатационными условиями, проектировать ТП на базе общего подхода, что позволяет создавать изделия с требуемыми характеристиками надежности и долговечности [5]. ФОТ представляет собой сложную структуру, состоящую из двух систем – технологический процесс и технологическая система. Каждая из систем разделяется на системы, подсистемы и элементы. Сложность проектирования таких систем связано с проблемой создания такой системы, внутри которой составляющие ее элементы находятся в определенных отношениях, в рамках которых происходят необходимые процессы преобразования материи, энергии, информации. Для качественного проектирования таких сложных систем необходимо использовать системный подход, в соответствии с которым сложная система представляется с двух сторон:  целостный объект, обладающий свойствами и выполняющий

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

определенные действия, что можно представить в виде модели «черного ящика»;  совокупность составляющих элементов, связанных между собой различными типами связей, что можно представить в виде модели структуры. Бурное развитие информационных технологий привело к появлению системных технологий проектирования – CASEтехнологий, использующих элементы системного подхода для моделирования программных продуктов. Подобный подход характерен для объектно-ориентированных технологий анализа/проектирования (Object-Oriented Analysis/Design – OOA/D), переживающих в настоящее время бурное развитие, что связано с появлением объектного унифицированного языка моделирования UML (Unified Modeling Language) и объектноориентированных CASE-средств [6]. Для проектирования ТП на базе функциональноориентированного подхода (ФОП) представляет интерес использование объектно-ориентированного проектирования (ООП). Объектно-ориентированное проектирование позволяет рассматривать синтез структуры технологического процесса на базе ФОП, как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов. Объект – информационная структура в виде совокупности атрибутов (свойств, параметров, характеристик) и совокупности методов (действий, процедур, операций). Каждый объект является представителем некоторого класса однотипных объектов, описывающего общие свойства входящих в него объектов. Описание класса включает: состав атрибутов, для каждого из которых указаны тип данных и область значений, и совокупность методов, общих для всех объектов класса. Конкретный объект, называемый экземпляром, определяется конкретными значениями атрибутов [7]. Объектно-ориентированный подход наиболее соответствует реальному процессу разработки технологических систем, при этом является итеративным и позволяет вносить изменения в уже разработанные и отлаженные компоненты системы, что, кстати, является особенностью ФОТ. Основными принципами ООП являются наследование, инкапсуляция, полиморфизм, модульность [8-11]. Наследование позволяет применять знания о более общей категории для более узкой, что тесно связано с иерархией классов, которая определяет, какие классы следует считать наиболее абстрактными и общими по отношению к другим классам. Т.е., если

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

некоторый более общий класс обладает фиксированным набором свойств и поведением, то производный от него класс должен содержать этот же набор свойств и поведение, а также дополнительные, которые будут характеризовать уникальность полученного таким образом класса. Инкапсуляция позволяет скрывать отдельные детали внутреннего устройства классов от внешних по отношению к нему объектов. Конкретная реализация присущих классу свойств и методов, которые определяют поведение этого класса, является собственным делом данного класса. Отдельные свойства и методы класса вообще могут быть невидимы за пределами этого класса, что является базовой идеей введения различных категорий видимости для компонентов класса. Таким образом, благодаря инкапсуляции ООП делает возможным комбинирование данных с действиями, осуществляемым с (над) этими данными. Это позволяет объединить данные и действия в один объект. Полиморфизм предполагает множество форм или реализаций конкретной функциональности, другими словами конкретные функциональные возможности могут иметь множество реализаций. Модульность дает возможность разделить систему на части – модули, которые должны содержать в себе классы. Модули – это части системы, которые можно синтезировать отдельно, однако, между ними должна существовать определенная связь. Еще два значимых элемента ООП – абстрагирование и иерархия. Абстрагирование – выделение таких существенных характеристик объекта, которые отличают его от всех других видов объектов. Абстрагирование позволяет отделить самые существенные особенности поведения от несущественных с точки зрения решаемой задачи. Иерархия – ранжированная (упорядоченная) система абстракций, например, наследование, порождающее иерархию абстракций, в которой более узкие категории заимствуют свойства одной или нескольких более общих категорий. Выводы. Рассмотренные принципы ООП позволяет использовать его для синтеза структуры технологического процесса на базе функциональноориентированного подхода, что позволит применить объектную ориентацию для решения ряда проблем, связанных с проектированием сложных технологических систем, в частности, связанных с классификацией методов отделочноупрочняющей обработки, деталей и технологической оснастки.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Список литературы 1. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении / Б.М. Базров. – М.: Машиностроение, 2001. – 368 с. 2. Силич А.А. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов : учебное пособие / А.А. Силич. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – 92 с. 3. Костенко А.В. Принцип единого ресурса при проектировании и производстве деталей судовых дизелей / А.В. Костенко, А.Н. Полетайкин // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – 2018. – №4 (63). – С. 43-48. 4. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий / Михайлов А.Н. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 5. Михайлов А.Н. Особенности обеспечения функциональноориентированных технологий изготовления деталей судовых дизелей / А.Н. Михайлов, А.В. Костенко // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. – №4. – С. 31-36. 6. Силич В.А. Проектирование сложной системы на основе объектноориентированного подхода / В.А. Силич, М.П. Силич // Известия Томского политехнического университета. – 2003. – Т. 306, №2,. – С. 99103. 7. Костенко А.В. Особенности структуры функциональноориентированной отделочно-упрочняющей обработки деталей судовых агрегатов / А.В. Костенко, А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – 2019. – №1 (64). – С. 43-51. 8. Константинова О.С. Синтез новых технических решений на основе объектно-ориентированного подхода к моделированию технических систем / О.С. Константинова // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2010. – №3(11). – С. 26-29. 9. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений / Г. Буч, Р.А. Максимчук, М.У. Энгл и др. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2008. – 720 с. 10. Ивкин А.В. Основные принципы объектно-ориентированного подхода к анализу и оценке безопасности информации единого центра данных океанографических и гидрографических исследований мирового океана / А.В. Ивкин, Т.А. Алиев, В.И. Коваленок // Вестник СПбГУ. – 2014. –Вып. 2. – С. 149-158. 11. Боггс У. UML и Rational Rose / У. Боггс, М. Боггс. – М.: Изд-во «ЛОРИ», 2000. – 580с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 622.232.72

СХЕМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН В.Г. Нечепаев ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Выполнены схематизация процесса перемещения сыпучих тел вспомогательными системами транспортирования технологических машин различных видов и разработаны соответствующие обобщенные физическая и математическая модели рассматриваемого процесса. Executed posterization of process of moving of friable bodies the ancillariess of portage of technological machines of different kinds and the corresponding generalized is worked out physical and mathematical to the model of the examined process. Ключевые слова: транспортирование, сыпучее тело, технологические машины, схематизация, моделирование. Keywords: portage, friable body, technological machines, posterization, design. Эффективность многих разновидностей технологических машин в существенной мере определяется производительностью их вспомогательных систем транспортирования сыпучих материалов. Так, в угольной промышленности, недостаточная погрузочная способность исполнительных органов комбайнов, фронтальных агрегатов и других очистных машин существенно ограничивает их потенциальную производительность. С особой остротой эта проблема проявляется в условиях тонких пологих угольных пластов, составляющих основу промышленных запасов углей Донбасса [1-4]. Для обеспечения нормального функционирования очистных машин производительность транспортирования и выгрузки добываемого угля их исполнительными органами должна превышать производительность отделения от забоя. В противном случае рабочий процесс сопровождается рядом негативных явлений:

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

ограничением потенциальной теоретической производительности выемки угля; - снижением сортности добываемого угля вследствие циркуляции его внутри исполнительных органов; - ухудшением экологии рабочего пространства и другими негативными явлениями. Причем повышение мощности привода очистных машин в этом случае не только не решает, но и в существенной мере усугубляет проблему вследствие возрастающей циркуляции угля внутри рабочего пространства исполнительных органов и соответствующего увеличения удельных энергозатрат процесса выемки. Аналогично, при функционировании современного автоматизированного станочного оборудования в металлообрабатывающей промышленности непременным условием эффективной работы является своевременная эвакуация металлической стружки из зоны резания. Отделенная в процессе обработки заготовки металлическая стружка, как правило, имеет более высокую твердость по сравнению с твердостью обрабатываемого материала вследствие наклепа, закаливания и других явлений, сопровождающих процесс резания. Поэтому несвоевременная ее эвакуация приводит к существенным негативным последствиям: - снижению ресурса и поломкам режущего инструмента; - снижению точности и качества обрабатываемых поверхностей; - повышению удельных энергозатрат процесса резания и другим негативным явлениям. При этом повышается трудоемкость обработки как в результате снижения режимов резания, так и в результате возрастания вспомогательного времени на удаление стружки. Известные же способы удаления металлической стружки из зоны резания, как правило, неэффективны, особенно при удаления стружки из пазов, лабиринтов, ступенчатых отверстий, замкнутых полостей и т.д. Подобные проблемы имеют место и могут возникать во многих отраслях промышленности. В связи с этим актуальным является совершенствование и оптимизация систем транспортирования сыпучих материалов, аналогичных описанным, в различных отраслях промышленности на основе схематизации и дальнейшего моделирования их рабочих процессов. В качестве основополагающих зависимостей для схематизации и моделирования перемещения потоков сыпучих материалов

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

применительно к поставленным задачам можно использовать общепринятые в механике насыпных грузов условия равновесия и прочности сыпучих тел в классической постановке [5]:  Fx    x  S  x    x  S  x  0;   F y    y  S  y    y  S  y  0;   Fz    z  S  z    z  S  z  0;  (1)  M x  0;  M  0;  y  M z  0, где Fx , Fy , Fz – проекции на произвольные оси координат x, y и z объемных сил, приложенных к частицам сыпучего тела; x,y, z – проекции нормальных напряжений, действующих на поверхности сыпучего тела; x, у, z – проекции касательных напряжений, действующих на той же поверхности; S x , S y , S z , S x , S y , S z – площади соответствующих поверхностей контактирования; Мx, Мy, Мz – проекции моментов перечисленных выше сил относительно любого полюса. Кроме условий, отражающих равновесие сыпучего тела, в необходимых случаях рассматриваются условия, обеспечивающие его прочность. Для создания обобщенной математической модели процесса перемещения сыпучих тел как методической основы для моделирования вспомогательных систем транспортирования технологических машин различных видов разработана обобщенная физическая модель транспортирования сыпучего тела (рис.). В основу модели положен наклоненный под произвольным острым углом  криволинейный желоб, внутри которого осуществляется движение сыпучего тела. В общем случае кривизна желоба R – величина переменная. Боковые стенки желоба подвижны, имеют в общем случае различные скорости (V1 и V2) и различные направления перемещения. На элементарный слой, выделенный в потоке транспортируемого сыпучего материала, воздействуют следующие силы: G – сила веса выделенного элементарного слоя сыпучего материала;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Fдоп

а)



Z V1

б Fc Fc

Fσн2

Fσн1 б

pнG

н Fдн

pн+Δ Fσтр p 1

Fσтр 2 тр

Fдн

Fσн1 н

в Fдн

Рисунок – Обобщенная физическая модель процесса транспортирования сыпучих материалов: а – общий вид; б – поперечное сечение; в – элементарный слой транспортируемого сыпучего тела, выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными к продольной оси желоба

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

pн – среднее нормальное давление на выделенный слой сыпучего материала и его приращение pн; Fбн1 , Fбн2 – силы давления на боковые поверхности выделенного слоя; н Fдн – сила давления на выделенный слой сыпучего материала со стороны днища; тр Fбтр – касательные силы на боковых поверхностях 1 , Fб 2 выделенного слоя сыпучего материала; тр Fдн – касательная сила на нижней поверхности выделенного слоя сыпучего материала. К движущемуся сыпучему телу, заключенному в криволинейном желобе, приложены также: - силы распределенного дополнительного воздействия на транспортируемое сыпучее тело Fдоп (на рис. показан суммарный вектор); - силы сопротивления перемещению транспортируемого сыпучего тела Fc. На основе приведенной обобщенной физической модели составлена обобщенная математическая модель процесса перемещения сыпучих тел вспомогательными системами транспортирования технологических машин различных видов. Обобщенная математическая модель составлена на основе системы уравнений (1) и определяет условия квазистационарного равновесия элементарного слоя, выделенного в сыпучем теле, при равномерном движении его по желобу  Fбxн  Fxтр  Fxн  G x  0;   Fбyн  F yтр  F yн  G y  0;   Fбzн  Fzтр  Fzн  G z  0; (2)  n б  n min  k v . В приведенной системе уравнений приняты следующие обозначения: Fбxн , Fбyн , Fбzн – проекции на произвольные оси координат x, y, z сил давления на боковые поверхности (включая днище) выделенного слоя сыпучего материала;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Fxтр , F yтр , Fzтр – проекции на произвольные оси координат x, y, z касательных сил, действующих на боковых поверхностях (включая днище); Fxн , F yн , Fzн – проекции на произвольные оси координат x, y, z нормальных сил давления на выделенный слой сыпучего материала; Gx , Gy, Gz – проекции на произвольные оси координат x, y, z силы веса; nб – коэффициент бокового давления; nmin – минимальное значение коэффициента бокового давления; kv – коэффициент, отражающий влияние относительной скорости движения сыпучего тела. На основе приведенной обобщенной модели может производиться моделирование систем выгрузки угля очистных комбайнов, а также моделирование систем транспортирования сыпучих материалов достаточно широкого круга других технологических машин, эксплуатируемых в различных условиях (например, систем транспортирования угля фронтальных агрегатов для тонких пологих пластов, систем транспортирования металлической стружки металлорежущих станков и др.) путем конкретизации конструктивных особенностей и схем работы. Выводы. Выполнены схематизация процесса перемещения сыпучих тел вспомогательными системами транспортирования технологических машин. На этой теоретической основе разработаны соответствующие обобщенные физическая и математическая модели рассматриваемого процесса. Список литературы 1. Нечепаев В.Г. Механо-гидродинамические шнековые системы выгрузки и транспортирования / В.Г. Нечепаев. – Донецк: ДонНТУ, 2005. – 215с. 2. Горные машины для подземной добычи угля: учебное пособие для вузов / П.А. Горбатов, Г.В. Петрушкин, Н.М. Лысенко и др. – Донецк: Норд Компьютер, 2006. – 669 с. 3. Бойко Н.Г. Очистные комбайны для тонких пластов / Н.Г. Бойко. – Донецк, ГВУЗ «ДонНТУ», 2010. – 476 с. 4. Методика определения удельных энергозатрат разрушения и погрузки очистных комбайнов для тонких пластов в реальных условиях эксплуатации / О.Е. Шабаев, В.Г. Нечепаев, П.П. Зинченко и др. // Вестник Донецкого национального технического университета. – 2017. – №4. – С. 28-33. 5. Зенков Р.Л. Механика насыпных грузов / Р.Л. Зенков. – М.: Машиностроение, 1964. – 251с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 681.3.01:531.01.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В.Г. Нечепаев ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Разработана универсальная методика, обеспечивающая в среде математического пакета MatchCAD автоматизацию создания математических моделей множественной нелинейной регрессии произвольной степени сложности. Universal methodology providing automation of creation of mathematical models of multiple nonlinear regression of arbitrary degree of complication in the environment of mathematical package of MatchCAD is worked out. Ключевые слова: методика, экспериментальные исследования, множественная нелинейная регрессия, адекватность, точность. Keywords: methodology, experimental researches, multiple nonlinear regression, adequacy, exactness. Одним из важнейших этапов создания объектов современной техники является активный эксперимент с использованием натурных или модельных образцов проектируемых изделий. Объекты современной техники характеризуются, как правило, сложной структурой и значительным конструктивным разнообразием, что определяет зависимость их рабочих процессов от большого числа конструктивных и режимных параметров. Причем, очень часто эта зависимость имеет сложный нелинейный характер. Распространенной формой представления результатов экспериментальных исследований в этом случае являются разработка статистических полиноминальных моделей множественной нелинейной регрессии, которые позволяют адекватно трансформировать полученные экспериментальные данные в нелинейные в общем случае зависимости соответствующей степени сложности.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Регрессионная модель множественной нелинейной регрессии в общем случае представляется в виде [1-3] N

y = b0   bi xi   i 1

i 1

bii xi2

i j

i  jj l

  bij xi x j   bijl xi x j xl   ,

где b0 , b1 , bn - значения оценок коэффициентов регрессии. Из представленного выражения следует, что с увеличением числа независимых переменных и возрастанием степени полинома определение коэффициентов полиномиальных моделей существенно усложняется. При безмашинной обработке экспериментальных данных практически возможно получение только линейных моделей с числом параметров не более 2. Однако, в абсолютном большинстве случаев такие модели не позволяют описать функционирование сложных технических систем с достаточной степенью достоверности. Это определяет потребность в разработке универсальной методики представления результатов экспериментальных исследований сложных технических объектов в виде полиномиальных математических моделей множественной нелинейной регрессии с практически неограниченными числом независимых параметров и степенью нелинейности, а также автоматизации процесса ее реализации. Исходя из этого, в среде математического пакета MatchCAD разработана методика создания полиномиальных моделей множественной нелинейной регрессии, отвечающая сформулированным требованиям. Алгоритм реализации методики представлен на рис.1. Ввод массива экспериментальных данных осуществляется при помощи стандартной MatchCAD-функции READPRN: Для установления потребного значения степени полинома вначале проверяется возможность линейной аппроксимации функции отклика (n=1). Затем степень полинома последовательно ( n : n  1 ) повышается до значения, определяющего искомый уровень адекватности и точности модели (рис.1). Определение коэффициентов уравнения регрессии производится при помощи специальной MatchCAD-программы с использованием стандартной функции REGRESS. Для установление погрешности модели точечная оценка погрешности модели осуществляется по зависимости p ( X j , Y j , Z j ,...)  V j , Vj

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 1 – Алгоритм создания моделей множественной нелинейной регрессии

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

где V j – экспериментальное значение исследуемого параметра в j-ой точке. Средняя погрешность модели определяется в соответствии с зависимостью 1 N p ( X j , Y j , Z j ,...)  V j .  N j 1 Vj Установление адекватности модели осуществляется путем проверки гипотезы об адекватности функции отклика, аппроксимируемой полиномом. С этой целью в простейших случаях (при сравнении двух дисперсий) используется F – критерий Фишера. Если сравниваемое количество дисперсий больше двух и одна дисперсия значительно превышает остальные, используется критерий Кохрена. 2 S max , G N 2  Si i 1 2 где S max – наибольшая дисперсия пространства; Si2 - дисперсия i-го опыта.

для всех точек факторного

В качестве примера, используя изложенную методику, получено семейство полиномиальных трехмерных и четырехмерных линейных и нелинейных моделей множественной регрессии для определения значения силы F гидродинамического воздействия напорных водяных струй на преграду как функции давления p, диаметра насадка d и расстояния до преграды L. На рис.2 приведены экспериментальные данные для создания трехмерных моделей, а на рис.3 – их графическая интерпретация.

Рисунок 2 – Экспериментальный график изменения силы гидродинамического воздействия водяной струи при начальном значении давления p = 3 МПа

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 3 – Графическая интерпретация трехмерных моделей множественной регрессии при порядке полиномов m = 1, 2, 4

Модели четвертого порядка обеспечивают максимальную погрешность, не превышающую 5%. Выводы. Разработана методика, обеспечивающая в среде математического пакета MatchCAD создание математических моделей множественной нелинейной регрессии сложных технических систем заданной степени адекватности и точности. Список литературы 1. Красовский Г.И. Планирование эксперимента / Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. – Минск: Изд-во БГУ, 1982. – 302 с. 2. Барабащук В.И. Планирование эксперимента в технике / В.И. Барабащук, Б.П. Креденцер, В.И. Мирошниченко. – К.: Техніка, 1984. – 200 с. 3. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976. – 280 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 534-16:620.179.16

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УДАРНОГО МЕХАНИЗМА ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ В.Ф. Раков, В.М. Погибко, Н.А. Спиридонов ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», г. Донецк, ДНР В статье отражены стадии конструирования ударного механизма с учетом влияния характеристик удара при виброакустическом контроле деталей по методу собственных частот. The article reflects the stages of design the percussion mechanism, taking into account the influence of the characteristics of the impact when vibroacoustic control of components by the method of natural frequencies. Ключевые слова: виброакустический контроль, конструкция, ударный механизм. Keywords: vibroacoustic control, construction, percussion mechanism. Современные методы виброакустического контроля металлических конструкций основываются на определении спектра собственных частот объекта и мониторинге его изменений. Если на контролируемую деталь подвесного устройства шахтного подъема воздействовать ударом извне, то в ней возникают свободные резонансные колебания. Частота этих колебаний определяется инерционно-упругими параметрами детали, которые в свою очередь зависят от физической однородности материала. Сравнивая спектрограммы частот с расчетными или статистическими значениями, определяется отклонение частот конкретного объекта от расчетной или статистической нормы. По величине этого отклонения можно определить степень потери его несущей способности на основе моделирования или сравнения [1]. В случае использования молотка для нанесения удара, обычно, чтобы повысить достоверность измерений удары наносятся не менее 10 раз, а результаты усредняются. Повышение чувствительности и достоверности ударноакустического контроля, снижение уровня возбуждаемого акустического шума при контроле достигается за счет соблюдения следующих требований при разработке конструкции ударного

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

механизма: сила удара и время соударения должны быть минимальными. Первым вариантом конструкции экспериментального ударного механизма была принята за аналог конструкция, в которой сила удара регулировалась пружиной и массой бойка [2]. Эта конструкция представлена на рис. 1. Предварительные испытания показали, что записи акустических сигналов и соответственно их спектрограмм сильно зашумлены. Выделить контролируемые собственные резонансные частоты проверяемой детали крайне затруднительно, что значительно снижает достоверность виброакустического контроля.

Рисунок 1 – Конструкция ударного механизма УД1.000

Чтобы устранить указанные недостатки при анализе процесса нанесения удара были учтены следующие моменты, а именно, до минимума снижена сила удара и время контакта бойка с поверхностью детали, которые приблизительно определяются по формулам [3]: 3

Fm  1,283  m

im

1   2   4,53    E 

V 2

  E 

1

5 1  

m

R

 15 R   5

V

1

где μ – коэффициент Пуассона; Ē – модуль Юнга материала контролируемой детали; R – радиус кривизны бойка; m – масса бойка; V – скорость бойка перед ударом. Время контакта бойка с поверхностью детали должно быть меньше времени восстановления области упругой ударной деформации на поверхности соударения. Иначе возникает двойное и

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

более сложное соударение бойка и конструкции, что приводит к резкому усложнению (зашумлению) волнового акустического пакета. Для дефектоскопов, реализующих ударно-акустический метод, в Российской Федерации были предложены конструкции ударных механизмов, в которых боек выполнен в виде тонкого стержня (иглы) со скругленным концом [4]. Исходя из анализа положений теории удара, для разработки системы мониторинга нагруженного состояния конструкций подъемных сосудов угольных шахт был сконструирован усовершенствованный ударный механизм УД2.000, предназначенный для проведения экспериментальных измерений и построения спектрограмм. Проект выполнен в CAD-системе компании АСКОН. Конструкция УД2.000 приведена на рис. 2. Насколько отличаются спектрограммы при использовании ударных механизмов УД1.000 и УД2.000 видно на рис. 3. Запись сигналов и построение спектрограмм выполнены на стальном образце по одинаковой методике с помощью программы Audacity 2.2.2 Manual. Выделить резонансные частоты для анализа в требуемой зоне, отмеченной окружностью, на спектрограмме (рис. 3 а) невозможно.

Рисунок 2 – Конструкция ударного устройства УД2.000

а б Рисунок 3 – Cпектрограммы при использовании ударных механизмов УД1.000 (а) и УД2.000 (б)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Кинетическая энергия удара от механизма УД2.000 меньше 0,1% потенциальной энергии упругого растяжения тяги подъемного устройства под нагрузкой в 1 т [5]. При требуемой точности измерения амплитудно-частотных характеристик это позволяет существенно снизить уровень шумов. Выводы. 1. Исходя из теории удара, ударный механизм системы мониторинга нагруженного состояния и дефектоскопии конструкций повышенной опасности угольных шахт должен иметь сферическую часть бойка. Удар должен быть не сильным, т.е. масса бойка должна быть минимальной, но обеспечивающей при этом достаточную энергию соударения. Время (скорость удара) должно быть минимальным. Торец механизма, соприкасающийся с поверхностью контролируемой детали, должен иметь демпфер (мягкая резина). 2. При разработке механизмов для проведения экспериментальных исследований требуется критически анализировать аналоги механизмов и в большей степени учитывать следствия теоретических моделей процессов для которых разрабатывается механизм. 3. При конструировании механизмов следует использовать подходящую CAD-систему, а для базовой конструкции целесообразно создавать ее объемную параметрическую модель. Список литературы 1. Спиридонов Н.А. Методы собственных частот виброакустического контроля в горной и строительной отраслях / Н.А. Спиридонов, В.Ф. Раков, В.М. Погибко // Инновационные перспективы Донбасса: материалы 4-й Межд. науч.-практ. конф., 22-25 мая 2018 г., Донецк. В 6 т. Т. 1. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – С. 46-50. 2. Кузьменко В.А. Использование метода ударной дефектоскопии / В.А. Кузьменко, Ю.М. Голованев, Ю.Г. Безымянный // Ультразвуковые колебания и их влияние на механические характеристики конструкционных материалов: сб. науч. тр. – К.: Наукова думка, 1986. – С. 186-190. 3. Пат. 87864 Украины, МПК G01N29/04, G01N29/00. Способ неразрушающего контроля материалов и изделий и устройство для его осуществления» / Еременко В.С., Куц Ю.В., Мокийчук В.М., Суслов Е.Ф.; Национальный авиационный университет (UA). – № а200702489; заявл. 06.03.2007; опубл. 25.08.2009. Бюл. № 16. 4. Пат. 2164023 РФ, МПК G01N29/00, G01N29/24. Первичный преобразователь ударно-акустического дефектоскопа / В.Э. Дрейзин, А.М. Грузнов, Ф.А. Грузнов; Курский государственный технический университет (RU). – № 98123975/28; заявл. 29.12.1998; опубл. 10.03.2001. Бюл. № 7. 5. Кильчевский Н.А. Теория соударения твердых тел / Н.А. Кильчевский. – К.: Наукова думка. – 1969. – 246 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 622.673.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ ДИСКОВЫМИ ТОРМОЗНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ С ПНЕВМОПРИВОДОМ Ю.А. Рутковский, А.Ю. Рутковский ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР Рассмотрена методика проектного расчета пневмопривода дисковых тормозных элементов шахтных подъемных машин. Определены кинематические и динамические параметры пневмопривода в режиме торможения. The method of design calculation of pneumatic drive of disk brake elements of mine hoisting machines is considered. Kinematic and dynamic parameters of the pneumatic drive in the braking mode are determined. Ключевые слова: пневмопривод, пневмоцилиндр, дисковый тормоз, подъемная машина, торможение. Key words: pneumatic drive, pneumatic cylinder, disc brake, lifting machine, braking. Применение дисковых тормозных систем на шахтных подъемных машинах вместо колодочно-рычажных систем позволяет существенно упростить конструкцию, уменьшить массу и инерционность тормозного устройства, повысить его быстродействие и уменьшить величину холостого хода. Замена дорогих и сложных в обслуживании дисковых тормозных элементов с высоконапорным гидроприводом на тормозные элементы с пневмоприводом позволяет исключить применение дополнительных автономных гидравлических станций управления и использовать для привода тормозных элементов энергию сжатого воздуха пневматической системы подъемной машины. Целью выполнения данной работы является выяснение возможности применения на шахтных подъемных машинах дисковых тормозных элементов с пневмоприводом на основе анализа геометрических, кинематических и динамических параметров пневмопривода дискового тормозного элемента в режиме торможения и растормаживания.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Принцип работы дискового тормозного элемента, представленного на рис. 1, заключается в том, что при отсутствии давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре под действием пакета тарельчатых пружин 5 осуществляется прижатие тормозных колодок 4 с фрикционными накладками 2 к тормозному диску 3, чем обеспечивается торможение канатоведущего органа подъемной машины. В случае подачи сжатого воздуха в пневмоцилиндр происходит отход поршня 8 со штоком 7 и тормозной колодки 4 от тормозного диска 3, чем обеспечивается растормаживание подъемной машины. В качестве исходных данных принималось давление сжатого воздуха пневматической системы подъемной машины 0,6 МПа, а также параметры, характеризующие максимальное рабочее тормозное усилие одного тормозного элемента, ход поршня, среднюю жесткость пружинного блока. Рисунок 1 – Схема дискового тормозного элемента с пневмоцилиндром: 1 – корпус; 2 – фрикционная накладка; 3 – тормозной диск подъемной машины; 4 – тормозная колодка; 5 – пакет тарельчатых пружин; 6 – шток пневмоцилиндра; 7 – корпус пневмоцилиндра; 8 – поршень пневмоцилиндра; 9 – входной патрубок

Максимальное усилие, необходимое перемещения поршня пневмоцилиндра на определялось по формуле: Pнагр  P0  cпр  S ,

для обеспечения величину хода S, (1)

где P0 – максимальное усилие, действующее со стороны пружинного блока на тормозную колодку в заторможенном состоянии тормозного элемента; cпр – средняя жесткость пружинного блока. Необходимая площадь поршня пневмоцилиндра F:

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

F

Pнагр p м 1  kтр 

(2)

где pм – давление сжатого воздуха в магистрали (pм = 0,6 МПа); kтр – коэффициент, учитывающий потери на трение [1]. Поршень пневмоцилиндра имеет кольцевую форму. Внутренний диаметр поршня принимался из конструктивных соображений (d = 0,08 м), величина внешнего диаметра D поршня определялась из выражения: D

4F  d2 . 

(3)

Диаметр штока Dшm пневмоцилиндра выбирался из условия обеспечения запаса прочности [n] = 3: Dшт 

4 N n .   в

(4)

Диаметры присоединительных отверстий dотв цилиндра принимались (0,06…0,1) D для обеспечения максимальной скорости движения поршня. В результате расчета пневмоцилиндра по приведенной методике при использовании исходных данных (P0 = 50 кН; cпр = 4,8·106 Н/м; S = 0,002 м) было определено максимальное усилие, действующее в пневмоприводе (Pнагр = 59,6 кН), а также геометрические параметры (F = 0,105 м2; D = 0,374 м; Dшm = 0,05 м; dотв = 0,022 м). Расчетная схема пневмопривода дискового тормозного элемента представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Расчетная схема пневмопривода дискового тормозного элемента

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Для определения кинематических и динамических параметров пневмопривода в режиме торможения были составлены системы дифференциальных уравнений движения пневмопривода тормозного элемента в режимах торможения и растормаживания: - в режиме торможения:  d 2x M 2  p1F1  p A  F2  F1   p A F2  cпр x  P0 ,  dt  k 1  2 k d отв R  Tм  p1  2 k dp1 k p1 dx  2 2  p1  p A  ,   (5) dt S  x  x0 dt  4 F1  S  x  x0    p A   dx   x  0, если x  0 или x  S ,  dt  x  S , если x  S .  - в режиме растормаживания:  d 2x  p1F1  p A  F2  F1   p A F2  cпр x  P0 ,  2 dt  2 k  d R  T dp1 k p1 dx  отв м  p м2  p12  ,  dt 4 F1  x  x0   x  x0 dt   dx   x  0, если x  0 или x  S ,  dt  x  S , если x  S . 

(6)

где p1 и pА – давление воздуха в штоковой полости и атмосферное давление; F1 и F2 – площади поршня со стороны штоковой полости и со стороны, взаимодействующей с атмосферой: x и x0 – текущая координата перемещения поршня со штоком и начальная координата положения поршня; k – показатель адиабаты для воздуха, k = 1,4; R – удельная газовая постоянная, R = 287 Дж/(кг·ºК) ; Tм – температура сжатого воздуха в магистрали, Tм = 290 ºК; ζ – коэффициент сопротивления подводящей линии [1]:

  пр

Lтр 2 d отв

(7)

где λпр – приведенный коэффициент трения, λпр = 0,03; Lтр – длина трубопровода от воздухораспределителя до полости

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

нагнетания пневмоцилиндра. Приняв Lтр= 20 м, получим:

  0, 03

20  8,1 . 2  0, 037

Расчет систем дифференциальных уравнений движения (5) и (6) был проведен в системе компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования MathCAD. Начальные значения основных параметров: p1 = pм, х = х′ = х″ = 0. Полученные в результате решения систем уравнений (5) и (6) графики изменения основных параметров в течение времени представлены на рис. 3 а и 3 б.

а б Рисунок 3 – Графики изменения кинематических параметров и давления в штоковой полости пневмоцилиндра привода тормозного элемента: а – режим торможения; б – режим растормаживания; 1 – давление в штоковой полости пнемпоцинидра; 2, 3, 4 – соответственно координата перемещения x, скорость х′ и ускорение х″ движения поршня

Из представленных графиков видно, что в режиме торможения (см. рис.3 а) поршень со штоком будут двигаться в течение времени t начиная от 0 до 0,004 с, а в режиме растормаживания (см. рис.3 б) перемещение поршня со штоком на величину хода S произойдет за время t начиная с 0,013 с по 0,036 с. Выводы. Учитывая, что для вновь создаваемых конструкций тормозных устройств шахтных подъемных машин Правилами безопасности ЛНР и ДНР регламентируется максимальная продолжительность холостого хода предохранительного тормоза не более 0,2 с, можно сделать вывод, что применение пневматического привода дискового тормоза будет обеспечивать безопасную эксплуатацию подъемных установок. Список литературы 1. Пневматические устройства и системы в машиностроении: Cправочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. – М.: Машиностроение, 1981. – 408 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.86

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ЛЕНТЫ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ШАХТНОГО ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА Т.П. Мищенко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Приведено уточнение математических моделей процесса нагрева конвейерной ленты при эксплуатации шахтного ленточного конвейера, анализ и исследование аварийных режимов его работы. The specification of mathematical models of the process of heating a conveyor belt during the operation of a mine belt conveyor, analysis and investigation of its emergency operation modes, analysis and study of its emergency operation conditions are given. Ключевые слова: процесс, нагрев, пробуксовка, аварийный режим, лента, приводной барабан, натяжной барабан, роликоопора, шахтный конвейер. Keywords: process, heating, slip, emergency mode, belt, drive drum, tension drum, roller coil, mine conveyor. Добыча угля подземным способом – сложный производственный процесс, эффективность которого во многом зависит от состояния подземного транспорта. Шахтные конвейерные ленты продолжают оставаться одним из главных источников возникновения и развития пожаров[1]. Основной причиной пожароопасных ситуаций является их воспламенение в результате трения ленты о барабан и элементы конструкции. Вопросами возникновения, причинами и последствиями пожароопасных ситуаций на шахтных ленточных конвейерах занимались и занимаются в настоящее время многие ученые, исследователи и производственники [1-5]. А также не обошли стороной данную тему и научные организации, такие как: МГГУ, ДОННТУ, МакНИИ, ВостНИИ, НИИГД, Донуглемаш, ВНИИПТМАШ и другие.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Целью данного исследования является изучение процесса нагрева конвейерной ленты при эксплуатации шахтного ленточного конвейера. Аварийные режимы работы ленточных конвейеров сопровождаются выделением большого количества тепла. В данной работе разрабатывается методика определения времени нагрева ленты и элементов конструкции конвейера до критических температур, которая учитывает динамический процесс теплообмена. Исследование процесса нагрева ленты в аварийных режимах шахтного ленточного конвейера основывается на составлении уравнения теплового баланса:

Qобр T  Qнб  T  Q1 Q2 Q3 ...Qn  , Дж. Режим 1. Полная пробуксовка приводного барабана. На рис. 1 показано, что тепло, образованное в результате трения барабана о ленту, будет расходоваться на нагрев этих элементов, и отводиться излучением, естественной конвекцией от участка ленты и вынужденной Рисунок 1 – Отвод тепла в режиме 1 конвекцией от торцевых поверхностей барабана, внутренней цилиндрической поверхности обода, цилиндрических поверхностей ступиц и вала. Уравнение теплового баланса для данного режима:

Qобр T  Qнб  T  Q1 Q2 Q3 , Дж, где Q – количество тепла, образованное при работе конвейера обр в режиме 1, Вт; Q – количество тепла, расходуемое на нагрев барабана и ленты, нб

Дж;

Q1 – количество тепла, отведенное излучением, Вт; Q2 – количество тепла, отведенное естественной конвекцией, Вт; Q3 – количество тепла, отведенное вынужденной конвекцией, Вт; T – время нагрева с момента возникновения режима 1. Математическая модель процесса нагрева ленты в режиме полной пробуксовки приводного барабана в аварийном режиме 1.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Исследования процесса нагрева ленты в режиме полной пробуксовки приводного барабана в аварийном режиме при изменении скорости барабана и суммарного усилия, действующего на него, показаны на рис. 2 и описаны математически ниже.

Q    С 0  Fб 1

  



273  t 4  273  t 4 0 1  , 100 100

  





Q  F t t , 2 1 Л1 1 0 Q  6.14 t  t  4.52   0.78  R 2.78  R 2.78 , 31 1 0 0 2 1 0 . 78 0.78    Fп  R2  2  Fпво  Rпво 0 . 78  , Q  6.14  t  t   32 1 0 0  0,78 0,78    2  Fст  Rст  2  Fв  Rв 





Q3  Q31  Q32 , Q  R  Vл  k , обр T

Qнб  cб Gб  c лGл  t1 t0 , Qобр T  Qнб  T  Q1  Q2  Q3 ,

нб обр (

. )

а б Рисунок 2 – Исследование процесса нагрева ленты в режиме полной пробуксовки приводного барабана в аварийном режиме: а – при изменении скорости барабана ω1 = 2,5 м/с, ω2 = 3,15 м/с; б – при изменении усилия R1 = 25 000 Н, R2 =75 000 Н

Режим 2. Пробуксовка натяжного барабана. В этом режиме (рис. 3) тепло, образованное трением ленты о барабан, будет

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

расходоваться на нагрев этих элементов и отводиться излучением, естественной конвекцией от неподвижного барабана, вынужденной – от конвейерной ленты и теплопроводностью от барабана к ленте. Уравнение теплового баланса для режима 2 имеет вид:

Рисунок 3 – Отвод тепла в режиме 2

  T  Qнб   T  Q1 Q2 , Дж, Qобр где Q – количество тепла, образованное при работе конвейера обр в режиме 2, Вт; Q  – количество тепла, расходуемое на нагрев барабана и ленты, нб

Дж;

Q1 – количество тепла, отведенное излучением, Вт; Q2 – количество тепла, отведенное естественной конвекцией, Вт. Математическая модель процесса нагрева ленты в режиме ее полной пробуксовки на натяжном барабане приведена ниже. Исследования процесса нагрева ленты в режиме полной пробуксовки ленты на натяжном барабане в аварийном режиме при изменении скорости ленты и суммарного усилия, действующего на барабан, показаны на рис. 4. =ε∙с ⋅

−





Q    F  t  t , 2 1 2 1 0 обр

⋅





Q  (c  G  0,10  с  G )  t  t , нб б б л л 1 0 Q  T  Q  T  Q  Q ,

обр

1

нб

= обр



ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

а б Рисунок 4 – Исследование процесса нагрева ленты в режиме полной пробуксовки ее на натяжном барабане в аварийном режиме: а – при изменении скорости ленты Vл1 = 2,5 м/с, Vл2 = 3,15 м/с; б – при изменении усилия R1 = 25 000 Н, R2 =75 000 Н

Режим 3. Заклинивание роликоопоры. В данном аварийном режиме (рис. 5) тепло, образованное трением ленты о ролик, будет расходоваться на нагрев этих элементов, отводиться излучением, естественной конвекцией от неподвижного ролика, теплопроводностью от Рисунок 5 – Отвод тепла в режиме 3 ролика к ленте и уносится движущейся лентой. Уравнение теплового баланса для данного режима: ,, обр

,, нр

+ (

), Дж,

,, где обр – количество тепла, образованное при работе конвейера в единицу времени, Вт; ,, нр – количество тепла, расходуемое на нагрев ролика и ленты, Дж; ,, – количество тепла, отведенное излучением, Вт; ,, – количество тепла, отведенное естественной конвекцией, Вт; ,, – количество тепла, уносимое движущейся лентой, Вт, ( ,, = = 0 Вт).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Математическая модель процесса нагрева роликоопоры в режиме ее заклинивания: "

Q    C0  Fр 1

  

273  t 4  273  t 4 0 1  , 100 100

   





Q"    F t  t , 2 1 р 1 0



Q"    F t  t 3 2 л 1 0



Q"  R  Vл  k , обр T

нр





 (с  G  с  G )  t  t , р р л л 1 0





Q"  T  Q"  T  Q"  Q"  Q"3 , обр нр 1 2 Q" T Q

обр



нр "

 Q Q Q 1 2

" 3



а б Рисунок 6 – Исследование процесса нагрева роликоопоры в аварийном режиме при ее заклинивании: а – при изменении скорости ленты Vл1 = 2,5 м/с, Vл2 = 3,15 м/с; б – при изменении усилия R1 = 600 Н, R2 = 3500 Н Выводы. На основании проведенных исследований были установлены зависимости времени нагрева в зоне контакта ленты с барабанами, роликом в аварийных режимах. Это позволяет определить временные параметры достижения определенных значений температур при заданных исходных данных и обоснованно находить рациональные параметры для нормальной работы оборудования и предотвращать аварийные ситуации, возникающие во время его эксплуатации.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Список литературы. 1. Левкин Н.Б. Предотвращение аварий и травматизма в угольных шахтах Украины / Н.Б. Левкин. – Донецк: Донбасс, 2002. – 392 с. 2. Ткачук С.П. Взрывопожаробезопасность горного оборудования / С.П. Ткачук, В.П. Колосюк, С.А. Ихно. – Киев: Основа, 2000. – 590 с. 3. Хананов Д.В. Анализ процесса нагрева конвейерной ленты при полной пробуксовке приводного барабана шахтного конвейера в аварийном режиме работы / Д.В. Хананов, А.Я. Грудачев // Научные труды Донецкого национального технического университета. Cерия Горноэлектромеханическая. – 2009. – Вып. 17 (157). – С. 256-265. 4. Хананов Д.В. Анализ процесса нагрева неподвижного отклоняющегося барабана при его взаимодействии с движущейся лентой конвейера в аварийном режиме работы / Д.В. Хананов, А.Я. Грудачев // Научные труды Донецкого национального технического университета. Cерия Горно-электромеханическая. – 2010. – Вып. 19 (175). – С. 173-178. 5. Мищенко Т.П. Анализ процесса нагрева трудногорючей ленты, как композитного материала, в аварийном режиме при полной ее пробуксовке на концевом барабане / Т.П. Мищенко // Россия молодая: сб. матер. IX Всерос. научн.-практ. конф. с межд. участием, 18-21 апреля 2017 г., Кемерово. – Кемерово: ФГБОУ ВО «Кузбасский гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачева». – 2017. – 5 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.431

ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ДВС Д.А. Масленников ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР В представленной статье были проанализированы недостатки традиционного подхода при проектировании и исследовании двигателей внутреннего сгорания. Так же были представлены базовые принципы и преимущества применения вычислительной гидродинамики (CFD от англ. computational fluid dynamics) или численное моделирование в гидродинамике. The paper deals the shortcomings of the traditional approach to the design and study of internal combustion engines were analyzed. The basic principles and advantages of using computational fluid dynamics (CFD) or numerical simulation in hydrodynamics were presented. Ключевые слова: компьютерное моделирование CFD, двигатель внутреннего сгорания, вычислительная гидродинамика. Key words: computer simulation of CFD, internal combustion engine, computational fluid dynamics. Исследования физических и химических процессов, происходящих в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, в большинстве основаны на расчетно-экспериментальных методах многократной проверки различных технических решений на экспериментальных стендах, применении полуэмпирического анализа экспериментальных данных, а так же методах проб и ошибок. Экспериментальные исследования связанны с техническими ограничениями (условия и методы проведения эксперимента), которые значительно влияют на точность полученных результатов. Это связанно со сложностью исследования нелинейных динамических систем и прогнозирования поведения системы в реальных условиях. Хотя традиционный экспериментальный метод интуитивно понятен, но на результаты полученные таким методом часто влияет размер модели, разница в условиях окружающей среды, точность измерений и другие факторы. Часто проблема получения достоверных

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

результатов исследования связана с большими затратами времени и финансов, это накладывает ограничение на точность получаемых результатов. Методы компьютерного моделирования физических процессов являются важным инструментом, предопределяющим новые возможности, и востребованы во многих областях науки и техники. Их использование позволяет в значительной степени сократить и оптимизировать процесс исследования. А компьютерная графика позволяет представить результаты научных исследований, выраженные в численной форме в виде визуальных образов. Графическое представление численных данных облегчает работу с информацией [1]. Примером использования на этапах проектирования компьютерного моделирования является автомобильная промышленность. Моделирование и визуализация результатов применяются при проектировании аэродинамического обвеса автомобиля, исследованиях движения жидкостей и газов в системах двигателя (турбулентный поток внутри камеры сгорания, течение газа в выхлопных коллекторах, система охлаждения, процессы впрыска и испарения топлива), вентиляции и кондиционирования воздуха салона, сцепление шин с дорожным покрытием в различных условиях. Программные пакеты CFD позволяют проводить подробный анализ химических и физических процессов. При таком подходе существенно снижаются затраты времени и уменьшается стоимость исследований – проведение экспериментальных исследований во время цикла разработки и модернизации. Возможно получить необходимую информацию о потоке жидкости (распределение поля скоростей, поля давления), о переносе тепла (распределение температуры) и массы, а также получить детальное изображение этих процессов. Это достигается путем численного решения уравнений, описывающих обмен импульсом, массы и энергетического баланса [2]. Компьютерное моделирование в гидродинамике основано на методе конечных объемов. Используемый алгоритм решения обеспечивает гибкость в использовании любых неструктурированных сеток, включая сетки, разделенные на расчетные объемы, состоящие из многогранников. Компьютерная модель позволяет решить уравнения для взаимодействия потоков несжимаемых и сжимаемых жидкостей и газов. При этом течение жидкости может быть ламинарным, турбулентным или сверхзвуковым. Применение современных моделей турбулентности таких как : уравнения Навье-

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Стокса, Спаларта-Альмараса, k-e, k-w позволяю выполнять точные расчеты для турбулентных течений жидкостей и газов [3]. Последовательность моделирования физических процессов с использованием вычислительной гидродинамики (компьютерных программ CFD) показана на рисунке. Определение геометрии и физических границ задачи

Создание твердотельной компьютерной модели с использованием CAD Разделение объема, занимаемым жидкостью, на отдельные ячейки, построение сетки для последующих вычислений Задание физической модели Определение граничных условий Моделирование - решение уравнений итерационным методом Визуализация и анализ полученных данных Рисунок – Процесс компьютерного моделирования с применением программ вычислительной гидродинамики (CFD)

Определяющее уравнение представляет собой математическое описание физических законов сохранения массы и энергии для потока жидкости. Метод конечных объемов в вычислительной гидродинамике (CFD) опирается на общие принципы сохранения свойств, описывающих поведение вещества при его взаимодействии с окружающей средой. Эти законы применимы как к твердым веществам, так и к жидкостям. Применение механики Лагранжа на начальных этапах моделирования подходит для описания свойств и динамики жидкости и твердых тел (Функция Лагранжа для классической механики вводится в виде разности между кинетической энергией и потенциальной энергией), что значительно упрощает моделирование физических процессов. Однако более удобный подход

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

для описания потока жидкости и связанных с ним транспортных процессов заключается в использовании уравнений Эйлера или подход с движущимся контрольным объемом. Практический смысл подхода с использованием контрольного объема необходим для того, чтобы учитывать конвекционный перенос тепла. Это достигается путем контроля массы и энергии в рассматриваемом объеме. Здесь надо отметить, что метод конечных объемов отличается от других численных методов (например, конечных разностей, конечных элементов) тем, что уравнения сохранения массы и энергии интегрируются априори (до дискретизации) в конечные контрольные ячейки (объемы, которые сгенерированы числовой сеткой). Выводы. Вычислительная гидродинамика CFD не является чисто теоретическим анализом, этот метод существенно приближен к экспериментальным исследованиям. Исходя из изложенного ранее, методы компьютерного моделирования вычислительной гидродинамики должны стать мощный инструмент для исследования процессов проходящих внутри камер сгорания современных дизельных и бензиновых двигателей. Благодаря развитию компьютерного оборудования и усовершенствованию вычислительных технологий, метод вычислительной гидродинамики или CFD стал чрезвычайно эффективным средством для изучения физических процессов в науке и технике. Этот метод исследований обладает огромным потенциалом применения в различных областях науки и техники. В настоящее время возрастающие вычислительные мощности позволяют проводить анализ сложных динамических систем. Тенденции развития и совершенствования компьютерной техники позволяют утверждать, что методы вычислительной гидродинамики CFD будут играть все более важную роль в исследованиях двигателей внутреннего сгорания. Список литературы 1. Масленников Д.А. Графическое представление результатов распыления топлива в задачах вычислительной гидродинамики / Д.А. Масленников // Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: тенденции и инновации: матер. VII Межд. научн.-практ. интернетконф., февраль-март 2017 г., Пермь. – Пермь: Изд-во Пермского нац. исслед. политехн. ун-та. – 2017. – Вып. 4. – С. 127-132. 2. Масленников Д.А. Применение методов компьютерного моделирования в научных исследованиях / Д.А. Масленников, В.М. Слободчуков // Технологические машины и оборудование: матер. ХVI Республ. науч.техн. конф., 28 ноября 2017 г., Донецк. – Донецк: ГОУВПО «ДОННТУ». – 2017. – С. 38-42. 3. Qingguo L. Application of CFD Technology in the Development and Research of Internal Combustion Engine / L. Qingguo, S. Xiaoyu, Y. Hongtao // International Conference on Computer and Information Technology Application (ICCITA), 01 January 2016, Paris: Atlantis Press. – 2016. – Р. 243-248.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 669.02/09

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН И АГРЕГАТОВ В ГОУ ВПО ЛНР «ДОНГТУ» А.М. Зинченко, В.В. Мороз, Э.П. Левченко, Ю.В. Изюмов, О.А. Левченко ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР Рассмотрены основные тенденции научного развития, исследования, разработки и создания техники для управления и механизации технологических процессов, широко применяемых в металлургической отрасли. The main trends of scientific development, research, development and creation of equipment for the management and mechanization of technological processes that are widely used in the metallurgical industry are considered. Ключевые слова: металлургия, технические и научные разработки, способы контроля, дробильно-измельчительная техника. Key words: metallurgy, technical and scientific developments, methods of control, crushing and grinding equipment. В настоящее время для существования техногенной цивилизации, основанной на машинном производстве, совершенствование и разработка новых машин и технических решений в области металлургии является одной из основных задач устойчивого развития металлургической отрасли, от которой напрямую зависят перспективы эволюционирования всех иных направлений хозяйственной деятельности человека. В ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», который был основан в 1957 г. не только для подготовки кадров, но и удовлетворения научных интересов применительно к находящемуся в городе Алчевске металлургического производства, большое внимание уделялось именно этим вопросам. Особую важность здесь подчеркивают те факты, что, например, за историю деятельности вуза на его базе было создано большое количество разнообразных научных структур, выполняющих хоздоговорною и госбюджетную тематику. В частности, к одним из

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

особо значимых таких структур можно отнести проблемную научноисследовательскую лабораторию проблем дробления и измельчения материалов, затем созданный на ее базе научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт проблем дробления и измельчения материалов, а также существующий и поныне научноисследовательский проектно-конструкторский институт новых систем и технологий «Параметр», который интегрировал в себе все ранее существовавшие подобные структуры. Как и ранее, так и на базе современного ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» огромное значение уделялось теоретическому изучению, разработке и созданию перспективной техники для металлургического производства. Среди основных наработок к этому можно отнести успешно реализованные проекты, которые перечислены ниже. На факультете металлургического и машиностроительного производства к актуальным разработкам в первую очередь традиционно относятся [1]. 1. Система контроля работы горна доменной, обеспечивающая повышение производительности печи до 9% при экономии кокса до 1,2% (обеспечивает оптимизацию режима выпуска жидких продуктов плавки, стабилизацию теплового состояния доменной печи и дренажных условий в горне, повышение равномерности работы доменной печи). 2. Установка для получения лигатур и рафинирования металлургических расплавов на основе электромагнитного управления гравитацией (позволяет извлекать почти в 2 раза больше магния из слиткового магния и жидкого ферросилиция, чем обычно). 3. Дуговое глубинное восстановление полезных компонентов из металлургических отходов и вторичных материалов для рафинирования и легирования металлических расплавов, путем насыщения расплава восстановленными элементами (снижает энергозатраты на получение 1 кг магния около 2-х раз при повышении КПД электрической дуги на 15–20 % и скорости нагрева до 10–14º в минуту. Успешно были реализованы и продолжают свое развитие физические основы, технология и системы дробления и измельчения материалов, что в частности проявилось в создании следующих наиболее значимых дробильно-измельчительных машин. Роторно-ударной дробилки РУД-10 [2] с тросовым виброизолятором подвески ротора для среднего и мелкого дробления материалов с размерами от 100 мм до готового продукта крупностью

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

до 10 мм (рис. 1), работающая по принципу свободного удара. Производительность до 10 т/ч, мощность привода 55 кВт.

Рисунок 1 – Роторно-ударная дробилка РУД-10

Установка самоизмельчения УС-1 для мелкого дробления материалов исходной фракции 80-100 мм до конечной крупности готового продукта 0–5 мм (рис. 2). Производительность 3 т/ч.

Рисунок 2 – Установка самоизмельчения УС-1

Данная установка успешно прошла испытания для измельчения кокса для леточной массы заделки леток доменных печей, где обеспечивала на выходе коксик необходимого фракционного состава. Многоступенчатая роторная мельница МР-62 для тонкого измельчения твердых материалов до крупности 50 мкм производительностью до 150 кг/ч обеспечивает устойчивую

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

характеристику крупности, практически не зависящую от физикимеханических свойств измельчаемого материала за счет дополнительного калибрования исходного продукта по крупности на входе. Данная мельница может использоваться как самостоятельно, так и входить в комплекс пробоприготовления (рис. 3) для лабораторного анализа качества железорудного сырья в агломерационном производстве.

Рисунок 3 – Комплекс приготовления проб железной руды на базе многоступенчатой роторной мельницы МР-62

Комплекс пробоприготовления позволяет в автоматическом режиме осуществлять приготовление проб для спектрального анализа за счет предварительного дробления железной руды, сокращения и окончательного измельчения до готового продукта, улавливаемого рукавным фильтром. Многощелевая дисковая дробильно-измельчительная машина ДИМ-6 [3, 4] нашла успешное применение для повторной переработки огнеупорного шамотного кирпича в условиях производства доменного цеха Филиала №12 ЗАО «Внешторгсервис» (бывший ПАО «Алчевский металлургический комбинат» (рис. 4).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 4 – Дисковая дробильно-измельчительная машина ДИМ-6

В настоящее время продолжаются работы по модернизации одновалковой зубчатой дробилки с целью повышения выровненности гранулометрического состава готового агломерата путем минимальных изменений ее конструкции [5]. Выводы. Таким образом, технические разработки ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» являются базой для повышения эффективности технологических процессов в металлургической отрасли, могут служить для ее переоснащения и развития последующих научно-технических разработок, в том числе и применительно и к другим отраслям промышленности. Список литературы 1. ГОУ ВПО Луганской народной республики «Донбасский государственный технический университет». Научные разработки [Электронный ресурс] // Режим доступа – https://www.dstu.education/ru/sc_development.php (по состоянию на 24.04.2019). 2. Королев П.П. Разработка и исследование роторно-ударной дробилки / П.П. Королев, В.А. Алтухов, Э.П. Левченко // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. – 2002. – № 13, Т. 3. – С. 36– 39. 3. Левченко Э.П. Комбинированные дробильно-измельчительные машины и возможности их применения для измельчения отходов шамотного кирпича / Э.П. Левченко, О.А. Левченко, Зинченко А.М., Михайлов А.А. // Сб. науч. тр. ДонГТУ. – 2011. – Вып. 33. – С. 171–179. 4. Левченко О.А. Процессы диспергирования отходов огнеупоров в условиях металлургического производства / О.А. Левченко, А.М. Зинченко, Э.П. Левченко // Пути совершенствования технологических процессов и оборудования промышленных производств: сб. тезисов докл. III Межд. научн.-техн. конф., 17 октября 2018 г., Алчевск. – Алчевск: ГОУ ВПО ЛНР ДонГТУ. – С. 12–13. 5. Левченко О.А. Развитие технического уровня одновалковых зубчатых дробилок горячего агломерата: монография / О.А. Левченко и др. – Алчевск: ДонГТУ, 2016. – 190 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 539.5

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В.В. Малашенко, Т.И. Малашенко ГУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина», г. Донецк, ДНР ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет», г. Донецк, ДНР ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР ГОУ ВПО «Донецкая академия управления и государственной службы при Главе Донецкой Народной Республики», г. Донецк, ДНР Проанализированы основные механизмы влияния магнитноимпульсной обработки на механические свойства металлов и сплавов. Приведены примеры использования этого метода на шахтах Донбасса. The basic mechanisms of the influence of magnetic-pulse processing on the mechanical properties of metals and alloys are analyzed. Examples of using this method in the mines of Donbass are given. Ключевые слова: упрочнение.

импульсное

магнитное

поле,

деформация,

Key words: pulsed magnetic field, deformation, hardening. Развитие современного производства требует создания металлических материалов, обладающих комплексом высоких эксплуатационных свойств. Такая задача может быть решена как совершенствованием существующих, так и созданием принципиально новых технологий обработки металлов и сплавов. В настоящее время возможности традиционных способов обработки металлических материалов во многом ограничены. Основой для создания новых технологий являются результаты последних исследований по взаимодействию электромагнитного поля, ультразвука, излучения лазера и так далее с металлами и сплавами [1-3]. В настоящее время повышенный интерес привлекают методы, позволяющие локализовать высокоэнергетическое воздействие на поверхность обрабатываемого

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

материала, что расширяет и дополняет возможности традиционных способов обработки металлических материалов. Одним из методов, обеспечивающих улучшение эксплуатационных свойств поверхности обрабатываемого материала, является магнитно-импульсное упрочнение. К достоинствам этого метода следует отнести его экологическую чистоту, простоту технологической оснастки и низкую себестоимость. Ввиду высокой технологичности данный метод интенсивно исследуется и внедряется в производство. Взаимодействие электромагнитного поля с металлами наиболее полно изучено применительно к технологиям обработки давлением (например, магнитноимпульсная штамповка). Вместе с тем, высокая технологичность и экологичность магнитных методов воздействия делает их перспективными в плане создания на их базе разнообразных технологий обработки металлов и сплавов. Экспериментальные данные свидетельствуют о влиянии магнитных полей на изменение структуры и свойств металлов и сплавов. При этом для сталей наблюдается как деформация зерен феррита на поверхности обрабатываемой заготовки, так и увеличение объема карбидных фаз, перераспределение примесей по объему зерна и в области между зернами [1, 3]. Основными факторами, определяющими воздействие магнитно-импульсной обработки (МИО) на металлические материалы, являются [1]: непосредственное магнитное воздействие (намагничивание, перемагничивание, магнитострикция); ток проводимости, индуцированный переменной во времени составляющей магнитного поля; силовое воздействие магнитного поля на индуцированный электрический ток; джоулево тепловыделение; электроннопластический эффект, обусловленный движением электронов и их взаимодействием с дислокациями, вызывающий снижение сопротивления деформированию и повышение пластичности металлов; упругие и пластические деформации. Исследования показали, что под действием импульсного магнитного поля возникает ударная волна, которая, распространяясь вглубь образца, вызывает упрочнение внутренних слоев. Вблизи границ зерен создаются условия для образования мелкодисперсной структуры. Они связаны с наличием остаточных механических напряжений, вызванных деформацией и тепловым расширением [3]. Необходимо отметить, что локальный перегрев вблизи границ зерен обусловливает также возникновение дополнительных механических напряжений, связанных с тепловым расширением отдельных участков материала при высоком градиенте температур.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Микроскопические токи обусловливают преимущественное выделение теплоты на участках, близких к границам зерен. Экспериментальные исследования свидетельствуют о неоднородности воздействия импульсного магнитного поля на материал образца. Механические напряжения возникают в области, прилегающей к индуктору, и экспоненциально уменьшаются в направлении вглубь материала. При этом в плоскости параллельной индуктору они обладают аксиальной симметрией, и максимальное напряжение возникает в центре образца. Максимальное выделение тепла происходит на краях заготовки, что также обусловливает неоднородность процесса обработки однородных немагнитных материалов. Проведя экспериментальные исследования и выполнив численные оценки, авторы [1] пришли к выводу о том, что магнитноимпульсная обработка изделий из материалов, обладающих высокой пластичностью, целесообразна для формообразования. В ГУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина» создана и испытана в промышленных условиях установка по магнитно-импульсному упрочнению резцов угольных комбайнов. Испытания были начаты в начале двухтысячных и проводились на протяжении ряда лет на нескольких шахтах Донбасса, таких, как АП «Шахта им. А.Ф. Засядько», ШУ «Шахта Южнодонбасская № 1», ОАО «Угольная компания «КрасноармейскаяЗападная № 1», ГП «Угольная компания «Краснолиманская». Повышение износостойкости резцов в среднем составляло 40%. В настоящее время установка для магнитно-импульсной обработки модернизирована с использованием современной элементной базы, что позволило повысить ее надежность и эффективность. Выводы. Таким образом, в работе были проанализированы основные механизмы влияния МИО на механические свойства металлов с иллюстрацией примерами использования этого метода на шахтах Донбасса. Список литературы 1. Магнитно-импульсная упрочняющая обработка металлических изделий / А.В. Алифанов и др. // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, инструмента и технологической оснастки: матер. IX Межд. научн.-практ. конф., 10–13 апреля 2007 г.: в 2 ч. Ч.2., Санкт-Петербург. – Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. ин-та. – С. 9–15. 2. Комшина А.В. Перспективность метода низкоэнергетической обработки материалов с использованием магнитного поля / А.В. Комшина, А.С. Помельникова // Наука и образование. – 2012. – № 09. – С. 463–487. 3. Магнитно-импульсная упрочняющая обработка изделий из конструкционных и инструментальных сталей / А.В. Алифанов и др. // Литье и металлургия. – 2012. – № 3. – С. 77–82.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.771.001.57

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАЛИБРОВОК ИНСТРУМЕНТА ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ШТАМПОВКИ И ПРОКАТКИ ФЛАНЦЕВ А.В. Яковченко, С.А. Снитко, В.В. Пилипенко, Н.И. Ивлева ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» г. Донецк, ДНР Разработаны метод и специализированная компьютерная программа проектирования калибровок для штамповки заготовок с гребнем и прокатки фланцев на одном или двух кольцепрокатных станах. Реализованы режимы расчета калибровок, при этом выполнено нормирование масс и вытяжек соответствующих частей штампованной заготовки и подката, а также подката и готового фланца. A method and a specialized computer program of designing of calibrations for stamping blanks with a ridge and rolling flanges on one or two ring rolling mills have been developed. Modes of calculation of calibrations have been implemented, and at the same time normalizing masses and drawings of the corresponding parts of the stamped blank and semifinished rolled stock, as well as the semi-finished rolled stock and finished flange, have been performed. Ключевые слова: штамповка и прокатка фланцев, метод расчета калибровок, специализированная компьютерная программа. Key words: stamping and rolling of flanges, method of calculation of calibrations, specialized computer program. Проектирование калибровок инструмента деформации для штамповки и прокатки фланцев является важным этапом разработки технологии их производства. Сортамент фланцев достаточно широк, причем они могут отличаться как по форме, так и размерам. Поэтому целесообразно создание компьютерной программы автоматизированного проектирования калибровок, определяющих режим деформации металла при штамповке и прокатке фланцев. Для решения поставленной задачи необходимо разработать метод автоматизированного проектирования калибровок, модели окон программы, порядок ввода исходной информации и вывода результатов расчета. Математическая модель, на основе которой

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

выполняется сопряжение прямых с дугами окружностей или дуг окружностей между собой и, соответственно, проектируется фасонный профиль фланца, создана в работе [1]. Разработанный метод предусматривает на первом этапе проектирование контура сечения механически обработанного фланца [2], а на его основе – контура сечения фланца с учетом номинальных припусков, требуемых частей полей допусков на его прокатку и температурного расширения металла (рис. 1). Указанный контур определяет калибр чистового кольцепрокатного стана. На рис. 2 представлено окно программы расчета параметров фланца, прокатанного в чистовом калибре, контура его поперечного сечения и массы исходной заготовки.

Рисунок 1 – Окно проектирования калибровки для чистового стана

Затем на основе калибровки чистового стана выполняется разработка калибровки для следующего (против хода прокатки) чернового кольцепрокатного стана в окне, представленном на рис. 3. В левом поле окна показана схема контура проектируемого подката с чернового стана (рис. 3 а). Для ввода исходной информации служит вертикальная таблица, расположенная справа от нее. Левое

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

нижнее поле предназначено для вывода расчетных параметров подката: массы, площади радиального сечения фланца, внутреннего диаметра кольца и высоты кольцевой части фланца.

Рисунок 2 – Окно программы расчета параметров готового фланца

В правом нижнем поле расположена таблица для вывода в автоматизированном режиме ряда параметров, характеризующих кольцевую и гребневую части подката (площадей, масс и величин, характеризующих их соотношения). На рис. 3 б представлено контрольное построение захода профиля, прокатанного на черновом стане, в чистовой калибр. Изменяя в вертикально расположенной таблице размеры гребня проектируемого подката, калибровщик обеспечивает заход профиля, исключающий образование заката с левой стороны гребня. В окне контрольного построения контура проектируемого подката (показан красным цветом) и контура, прокатанного из него на чистовом стане готового фланца (показан синим цветом), предусмотрены размеры a и b (по умолчанию указываются толщины гребневых частей соответствующих контуров) (рис. 3 а). Указанные выше контуры совмещаются, при этом по умолчанию скелетные точки контуров, разделяющие их кольцевые и гребневые части, автоматически располагаются на вертикально расположенной

100

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

прямой, показанной пунктирной линией. В случае необходимости величину b калибровщик тоже может изменить. При этом нормирование вытяжек и масс будет осуществляться относительно нейтральной линии, смещенной от скелетной точки, разделяющей гребневую и кольцевую части готового фланца.

б Рисунок 3 – Окно программы проектирования калибровки для чернового стана: а – исходная информация и результаты расчетов; б – контрольное построение захода профиля в чистовой калибр

101

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Изменяя в окне программы величины Н, a, b, можно задать требуемое суммарное осевое обжатие раската наклонными валками чистового кольцепрокатного стана и его распределение на левую и правую стороны профиля. Пунктирная линия, показанная на рис. 3 а, по существу является нейтральной линией, относительно которой металл в калибре чистового стана течет в его кольцевую и гребневую части. Определение требуемых параметров, в том числе нормирующих заход гребня, выполняется на базе известного технического решения [3], полученного для условий прокатки кольцевых профилей с наружным гребнем. Разработка калибровки является итерационным процессом. Указанные параметры (Н, a, b) калибровщик может скорректировать по результатам конечно-элементного моделирования рассматриваемого процесса или по результатам опытной прокатки. Важным критерием является соотношение вытяжек в гребневой и кольцевой частях профиля, которые рассчитываются в таблице, расположенной в правом нижнем поле окна программы (рис. 3 а). Для предотвращения утяжки гребня по его высоте вытяжка по кольцевой части фланца не должна превышать вытяжку по его гребневой части. В окне контрольного построения контуров предусмотрено их масштабирование и перемещение. Разработанный метод предусматривает два варианта расчетов. По первому варианту в окне программы (рис. 3 а) задается общая вытяжка при прокатке на чистовом стане. При этом внутренний диаметр кольца рассчитывается автоматически и указывается в левом нижнем поле окна. Соответственно, прокатка на черновом стане выполняется до достижения указанного диаметра. По второму варианту расчета задается требуемый внутренний диаметр кольца после чернового стана. Соответственно, в этом случае автоматически рассчитывается площадь радиального сечения раската с чернового стана и вытяжка при прокатке на чистовом стане, которые учитываются при разработке калибровки. На рис. 4 представлено окно программы расчета калибровки для заготовочного пресса. Контур заготовки с гребнем разрабатывается на базе полученного выше контура сечения фланца, прокатанного на черновом стане. Метод аналогичен рассмотренному выше за исключением того, что в этом случае возможен только один вариант расчета, при котором задается внутренний диаметр проектируемой заготовки. Он определяется диаметром прошивного пуансона и должен быть несколько больше диаметра валка-оправки чернового кольцепрокатного стана.

102

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Рисунок 4 – Проектирование калибровки для заготовочного пресса Выводы. Разработаны метод и специализированная компьютерная программа проектирования калибровок для штамповки заготовок с гребнем и прокатки фланцев на одном или двух кольцепрокатных станах. Показана возможность реализации режимов расчета калибровок, которые являются контурами сечений штампуемой на прессе фасонной заготовки, промежуточного раската, прокатываемого на черновом стане и готового фланца, прокатываемого на чистовом стане. При этом выполнено нормирование масс и вытяжек соответствующих частей штампованной заготовки и подката, а также подката и готового фланца, их контрольное построение с учетом захода металла в калибр. Автоматизация процесса проектирования позволяет повысить производительность труда калибровщиков, а также улучшить качество чертежей и штампованно-катаных фланцев. Список литературы 1. Яковченко А.В. Проектирование профилей и калибровок железнодорожных колес: монография / А.В. Яковченко, Н.И. Ивлева, Р.А. Голышков. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2008. – 491 с. 2. Метод автоматизированного проектирования профилей механически обработанных бандажей и фланцев / А.В. Яковченко и др. // Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении: Сб. науч. тр. – Луганск: изд-во ЛНУ им. В. Даля, 2017. – №4 (21) – С. 38-53. 3. А.с. № 1733172 СССР, МКИ В21Н1/08. Способ производства кольцевых изделий с наружным гребнем / А.В. Яковченко и др. – №4731311/27; заявл. 11.04.89; опубл. 15.05.92, Бюл. №18. – 4 с.

103

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 531.66

ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ ЦЕНТРАЛЬНЫМ СТЕСНЕННЫМ УДАРОМ О.И. Павлиненко, Д.А. Власенко, Э.П. Левченко ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР Рассмотрен процесс разрушения стальной дроби на маятниковом копре и определены минимальные энергозатраты, необходимые на раскалывание. Предложена новая физическая модель, позволяющая путем обеспечения однократного прямого удара повысить эффективность раскалывания стальной дроби. The process of destruction of steel shot on the pendulum copra is considered and the minimum energy required for splitting is determined. A new physical model is proposed, which allows to increase the efficiency of splitting steel shot by providing a single direct impact. Ключевые слова: стальная дробь, раскалывание, однократный удар, маятниковый копер, дробилка, энергозатраты. Keywords: steel shot, splitting, single-blow impact testing machine, impact crusher, energy consumption. Дробеструйная и дробеметная обработка многие годы применяется на промышленных предприятиях, деятельность которых связана с обработкой металла [1]. После удара каждой дробинки на поверхности металла появляются небольшие забоины. Кристаллическая решетка на месте удара уплотняется, что делает поверхность более прочной и менее подверженной коррозии. Также этот вид воздействия на металлические изделия применяют для создания шероховатых или матовых поверхностей заданных параметров на деталях. Очистка металлических изделий с помощью стальной колотой дроби пользуется наибольшим спросом. Ее использование позволяет значительно повысить качество заготовок, придать им требуемую форму, необходимую шероховатость, удалить ржавчину, окалину и подготовить обрабатываемую поверхность к нанесению резиновых и полимерных покрытий, эмалей и красок.

104

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Поэтому основной задачей теории измельчения является разработка такой конструкции, которая позволит минимизировать энергозатраты на раскалывание дроби и повысить качество исходного продукта [2]. С этой целью был проведен эксперимент, который основан на принципе определения энергии, необходимой на разрушение образцов стальной дроби. Испытания проводились на типовом маятниковом копре (рис. 1), отличающимся простотой конструкции и эксплуатации [3]. Сущность метода заключается в определении минимального угла падения маятника 4, при котором стальная дробь разрушается под воздействием стесненного удара. Отобранная по размеру дробь устанавливается между опорами 6, расположенными в нижней части копра. Маятник 4 поднимается до необходимого положения, затем освобождается защелка фиксатора 3 и маятник 4 свободно падает под собственным весом, осуществляя удар молотом 5 по образцу и разрушая его. При этом фиксируется величина угла отклонения, при котором произошло разрушение образца.

Рисунок 1 – Маятниковый копер

105

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

В эксперименте использовалась стальная дробь диаметром о = 2,1 … 2,5 мм и о = 2,6 … 3,0 мм. При этом в центр удара устанавливалось несколько ее частиц в количестве от 5 до 30 штук. Первый удар производится с высоты к = 20°, после, в процессе раскалывания угол регулировался до тех пор, пока все образцы дроби не разрушатся за один удар. На рис. 2 представлены экспериментальные данные по определению влияния количества раскалываемых дробинок на энергию удара.

Рисунок 2 – Графические зависимости энергии раскалывания

Как видно из графика, минимальные энергозатраты достигаются на разрушение образцов стальной дроби диаметром d = 2,6…3,0 мм. На основании проведенных исследований и полученных результатов, можно прийти к выводу, что применение ударных усилий между молотом и наковальней можно считать одним из наиболее оптимальных вариантов для обеспечения высокой вероятности центрального взаимодействия мелющих тел с частицами сферической дроби. Машины для измельчения материалов должны иметь простую конструкцию, обеспечивающую удобство и безопасность обслуживания [4]. Раскалывание дроби в предложенной конструкции происходит в основном за счет удара при незначительном истирании. Процесс работы заключается в следующем. Измельчаемый материал подается в дробилку через загрузочное отверстие 1, где подвергается раскалыванию ударами молотов 2. Разрушение дроби происходит вследствие механического удара под воздействием

106

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

падающего рабочего органа (молота). В результате экспериментальных исследований и расчетов было выявлено, что для обеспечения необходимой энергии для разрушения стальной дроби на части масса груза должна составлять 250 кг, а высота падения рабочего органа около 1 м при ориентировочной производительности процесса до 1 тонны в час. Для обоснования параметров ударного органа и его динамики составлено дифференциальное уравнение движения молота в рабочем пространстве ротора:





 r  t    2  rр  Rм  2r  t    2 g cos  0  t  1  sin  0  t    0 ;

(1)

где r (t ) – текущее положение ударного органа в полярной системе координат 0rγ; γ = ωt – угловое положение молота во вращающемся роторе; ω – угловая скорость ротора; r р – внешний радиус ротора; R м – радиус центра тяжести ударной части молота в крайнем положении;  0 – угол поворота ротора, при котором начинается движение молота вдоль отверстия в роторе (зависит от коэффициента трения материалов ножки молота и ротора). Уравнение (1) является расчетным. Это нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка решается численными методами с помощью пакета MathCad. Начальные и граничные условия для решения данного уравнения определяются размерами ротора, при котором обеспечивается указанная высота падения ударного органа. Для обеспечения центрального удара по частицам, находящимся в нижнем секторе окружности рабочего пространства дробилки, обоснована требуемая частота вращения ротора, составившая порядка 22 об/мин. В данных конструктивно-технологических условиях скорость удара составляет 6 м/с. Одновременно в работе дробилки для повышения производительности процесса может осуществляться несколько параллельных (одновременных) циклов разрушения. По сравнению с иными возможными способами раскалывания [5] данная технология обеспечивает безопасность проведения работ из-за относительно низких скоростей соударения, требует меньших

107

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

энергозатрат и обладает повышенной эффективностью вследствие легкости реализации прямого стесненного удара. Выводы. Предложенный процесс приготовления стальной колотой дроби центральным стесненным ударом позволит добиться повышения эффективности процесса разрушения и увеличения производительности дробильного оборудования, а также снизить энергозатраты и тем самым увеличить выход готового продукта. Список литературы 1. Павлиненко О.И. Некоторые особенности ударного раскалывания стальной дроби / О.И. Павлиненко, В.П. Долгих, Э.П. Левченко // Инновационные перспективы Донбасса: матер. 4-й Межд. науч.-практ. конф., 22–25 мая 2018 г., Донецк. В 6 т. Т.3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – С. 76-80. 2. Павлиненко О.И. Повышение эффективности приготовления стальной колотой дроби / О.И. Павлиненко, К.Д. Семенюк, Э.П. Левченко // Инновационные перспективы Донбасса: матер. 3-й Межд. науч.-практ. конф., 24–25 мая 2017 г., Донецк. В 8 т. Т.3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – С. 78-81. 3. Лабораторный практикум по материаловедению в машиностроении и металлообработке: учеб. пособие / В.Н. Заплатин др. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 240 с. 4. Павлиненко О.И. Анализ возможности использования существующих технических средств для получения стальной колотой дроби / О.И. Павлиненко, Э.П. Левченко, В.Г. Чебан // Вестник Донецкого национального технического университета. Специальный выпуск «Металлургические процессы и оборудование». – 2016. – № 4(4). – С. 38–44. 5. Павлиненко О.И. Оценка возможностей приготовления колотой дроби на основе инновационных подходов / О.И. Павлиненко, Э.П. Левченко // Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте: сб. матер. Межд. науч.-практ. конф., 29–30 ноября 2017 г., Кемерово. – Кемерово: изд-во Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева, 2017. – С. 359–362.

108

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 515.2

НОРМАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ Е.А. Катькалова ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Приводится аналитический аппарат формообразования поверхностей введением специальных нормальных цилиндрических координат, являющийся основой для автоматизированного конструирования. An analytical shaping apparatus is given for surfaces by introducing special normal cylindrical coordinates, which is the basis for computer-aided design. Ключевые слова: нормальная цилиндрическая система координат, координация поверхности, якобиан, специальные нормальные координаты, конгруэнция координатных линий. Keywords: normal cylindrical system,coordinates, surface coordination, jacobian, special, normal coordinates, coordinate lines congruence. Истинным катализатором научно-технического прогресса считают компьютер. За несколько более, чем полувековой срок своего существования компьютер, как средство моделирования, вошел во все сферы человеческой деятельности, обогнав по темпам развития (объем оперативной памяти, быстродействие, обеспеченность общим и специализированным программным продуктом) все области знаний и производства. Выполняя роль чудодейственной копилки, в которой самая интеллектуальная часть человечества сохраняет свои достижения, компьютер серьезно повлиял на все области знаний, поставив их перед дилеммой: остановиться в развитии или подключиться к научнотехнической революции путем предоставления своим достижениям компьютерную форму представления. Прикладная геометрия поверхностей не свободна от такого влияния. Применение компьютерных технологий предусматривает развитие методов математического моделирования. Эффект применения

109

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

компьютерных технологий в САПР прямо пропорционально зависит от вариантности возможных решений и от уровня автоматизации процесса проектирования, от компактности математической модели. В результате проведенного анализа схем формообразования поверхностей с учетом некоторых наборов требований можно сделать вывод, что в осуществленных интерпретациях использовались классические координатные системы отнесения, независимо от набора геометрических условий, которые входят в определитель поверхности. Как следствие, переход от элементов определителя к уравнению поверхности вызывает значительные трудности, а во многих случаях его реализация просто невозможна. Цель данной работы ‒ на основе введения специальных нормальных цилиндрических координат развить аппарат аналитического описания группы поверхностей с учетом следующих требований: - аппарат должен иметь иерархическую структуру, которая бы отвечала модульному принципу построения программного обеспечения; - координация может быть применена не единоразово, а для определенного класса поверхностей и определенного класса задач; - аппарат должен иметь сопряжения с современным программным обеспечением. Математический аппарат ориентирован на комплекс проблем автоматизированного проектирования, который в теоретическом плане связан с определением нормалей к поверхности: - теория и практика расчетов тонкостенных конструкций (оболочек) [1, 2]; - моделирование эквидистантных поверхностей [3, 4]; В [5] были приведены общие формулы ввода специальной нормальной координации пространства. В данной статье вводится специальная нормальная координация пространства, опорной поверхностью которой является цилиндр. Определителем нормальной цилиндрической системы координат является цилиндр (рис. 1). x  r cost ,

y  r sin t ,

110

z u

(1)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Геометрическая суть параметров: u  лонгальная координата  расстояние от плоскости z = 0 до текущей точки на поверхности цилиндра. Координата u может быть положительной или отрицательной; t  угловая координата, отсчет которой осуществляется в направлении против хода часовой стрелки от плоскости XOZ до полуплоскости расположения текущей точки; Рисунок 1 – Поверхность-определитель r  параметр формы цилиндра, цилиндрической нормальной системы который для нормальной координат цилиндрической системы координат играет роль внутреннего параметра. Уравнение конгруэнции нормалей к цилиндру (1) в виде x  x (t , u )  a , y  y (t , u )  b , z  z (t , u )  c [4, 5] имеют вид: (2) x  r cos t  a, y  r sin t  b , z  u  c Подставим компоненты вектора нормали y z z x x y a= t t = r cos t , b= t t = r sin t , c= t t =0 y z z x x y u u u u u u Нормируем вектор нормали n{a, b, c} согласно зависимости v [5]:  a 2  b2  c2 v (3)  r где v – это расстояние от текущей точки на опорной поверхности вдоль нормали.

111

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Подстановка (3) в (2) позволяет получить функции введения нормальных цилиндрических координат в развернутом виде: x  (r  v) cos t ,

y  (r  v) sin t ,

z u

(4)

Интервалы изменения координат: 0  t  2 ;    u   ;    v   .

Таким образом, функции (4), во-первых, выражают конгруэнцию нормалей к цилиндру (1) как опорной поверхности; во-вторых, вводят специальные нормальные цилиндрические координаты t, u, v; в-третьих, если придать v некоторое постоянное значение v1 , они будут выражать поверхность, эквидистантную цилиндру (1). Координатные поверхности нормальной цилиндрической системы координат: t  const – полуплоскость, которая проходит через ось цилиндра (1); u  const – плоскость, перпендикулярная к оси цилиндра (1); v  const – цилиндр, соосный с цилиндром (1). Конгруэнции координатных линий: t  линии  окружности с центрами на оси цилиндра (1) и с плоскостями, перпендикулярными к этой оси; u  линии  прямые, параллельные оси цилиндра (1); v  линии  нормали цилиндра (1). Для определения особых точек параметризации пространства нормальными цилиндрическими координатами вычислим якобиан (уравнение (2) [5]) функций (4): x t D( x, y, z ) x  D(t , u, v ) u x v

y t y u y v

z t z rv u z v

(5)

Видно, что якобиан равен нулю в точках v  r , то есть, особые точки параметризации расположены на оси OZ. Фокальными фигурами конгруэнции нормалей является ось OZ и несобственная прямая  линия пересечения плоскостей, которые ей перпендикулярны.

112

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Функции обратной зависимости нормальных цилиндрических координат от прямоугольных декартовых x, y, z получим в виде: y t  arctg , u  z , v  x 2  y 2  r x

(6)

Условия (уравнение (4) [5]) для функций (4) выполняются, поэтому нормальные цилиндрические координаты ортогональны. Коэффициенты Ламе в соответствии с уравнением (5) [8] имеют вид: 2

 x   y   z  H1=         = r  v ,  t   t   t  2

 x   y   z  H2=         =1,  u   u   u  2

(7)

 x   y   z  H3=         =1  v   v   v  Вывод. На первый взгляд введение специальных нормальных параметризаций относительно нормальной цилиндрической системы, рассмотренное в данной статье, может показаться тривиальным, поскольку она имеет общие координатные поверхности с классической цилиндрической системой. Но представление множителя классической системы в виде суммы (r + v) введенной системы имеет вполне оправданный смысл: r играет роль параметра формы опорной поверхности, относительно которой отсчитывают координату v. С другой стороны r – параметр формы поверхности, которую в специальных координатах задают внутренним уравнением, левой частью которого является параметр v. В последующих работах будет показано, что внутреннее уравнение поверхности играет основную роль в предлагаемом аппарате. Список литературы 1. Григоренко Я.М. Решение задач теории оболочек на ЭВМ / Я.М. Григоренко, А.П. Мукоед.  Киев: Вища школа, 1979.  279 с. 2. Ковалев С.Н. Формирование дискретных моделей, поверхностей пространственных архитектурных конструкций: дис. … докт. техн. наук: 05.01.01 / Ковалев Сергей Николаевич.  Киев, 1986. – 348 с. 3. Бадаев Ю.И. Алгоритмы подготовки управляющей информации к системам с числовым программным управлением / Ю.И. Бадаев // Прикладная геометрия и инженерная графика. – 1980.  Вып. 29.  С. 2932.

113

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

4. Скидан И.А. Геометрическое моделирование кинематических поверхностей в специальных координатах: автореферат дис. … докт. техн. наук: 05.01.01 / Скидан Иван Андреевич. – М., 1989. – 36 с. 5. Катькалова Е.А. Введение и исследование специальных нормальных координат. Вычислительные формулы в общем виде / Е.А. Катькалова // Современные тенденции развития и перспективы внедрения инновационных технологий в машиностроении, образовании и экономике: матер. и доклады V межд. науч. практ. конф., 20-21 апреля 2018 г., Азов. – Азов: изд-во Донского государственного технического университета, 2018. – Т. 4. – № 1 (3). – С. 78-81.

114

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.771.06

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЛАВНОГО ВАЛА ПОДЪЕМНО-КАЧАЮЩЕГОСЯ СТОЛА ПРОКАТНОГО СТАНА ТРИО 500 ДОНЕЦКОГО МЕТАЛЛОПРОКАТНОГО ЗАВОДА С.А. Бедарев, И.А. Болмотова ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Рассмотрена последовательность моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния главного вала подъемнокачающегося стола прокатного стана трио 500, направленных на повышение его надежности. The sequence of modeling and analysis of the stress-strain state of the main shaft of the lifting-swinging table of the rolling mill of the trio 500, aimed at improving its reliability, is considered. Ключевые слова: подъемно-качающийся стол, главный вал, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, напряжения. Key words: lifting and swinging table, main shaft, stress-strain state, finite element method, stress. В процессе эксплуатации подъемно-качающегося стола стана трио 500 была выявлена неисправность – излом хвостовика главного вала. Излом происходит в месте галтели хвостовика, на котором установлен кривошипный рычаг [1]. Для определения нагрузок, действующих на главный вал в процессе эксплуатации, необходимо провести исследование его напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов. Алгоритм для проведения моделирования включал следующие этапы. 1. Создание геометрической модели вала. 2. Задание механических свойств материала. 3. Создание конечно-элементной модели вала. 4. Задание граничных условий и ограничений модели. 5. Выполнение расчета. 6. Вывод и просмотр результатов расчета.

115

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Для модели главного вала были заданы: материал – углеродистая сталь 20 (ГОСТ 1050-74) с термообработкой (нормализация), для которой задавались механические свойства: предел текучести 220 МПа, предел выносливости при изгибе 190 МПа, модуль упругости Е = 2,06∙1011 Па, коэффициент Пуассона μ = 0,30. Для формирования конечно-элементной модели использовалась стандартная сетка на твердом теле, в результате разбиения получили количество узлов 76015 и количество элементов 51323. Плоская конечно-элементная модель вала представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Плоская конечно-элементная модель вала

К модели главного вала были приложены следующие нагрузки (рис. 2): к участкам вала, на которых установлены двуплечие рычаги, прикладывались изгибающие силы и крутящий момент, представленный в виде силы действующей на внутреннюю цилиндрическую часть шпоночного паза.

Рисунок 2 – Схема приложения нагрузок на модель вала

116

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

На приводной хвостовик вала прикладывались изгибающие силы в двух проекциях и крутящий момент, представленный в виде силы действующей на внутреннюю цилиндрическую часть шпоночного паза. Кроме того, на хвостовик вала прикладывалось распределенное давление от посадки с натягом. Как видно из результатов моделирования (рис.3 и рис.4), наибольшие напряжения в главном вале возникают в районе галтели перехода диаметра хвостовика под кривошипный рычаг к диаметру под подшипник. Наибольшее эквивалентное напряжение составляет 209 МПа, что превышает предел выносливости материала вала в 190 МПа и приближается к пределу текучести в 220 МПа. В таком случае гарантировано образование усталостной трещины в месте возникновения наибольших напряжений и последующее разрушение главного вала с изломом хвостовика, что наблюдается в процессе эксплуатации подъемно-качающегося стола. На других участках главного вала напряжения варьируются в диапазоне 20…85 МПа, что значительно ниже пределов выносливости и текучести.

Рисунок 3 – Картина распределения эквивалентных напряжений в главном вале

117

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Следует отметить, что в данном случае моделирование производилось из расчета максимального натяга в соединении кривошипного рычага с валом. В случае меньшего натяга эквивалентные напряжения будут ниже, и предпосылки для возникновения усталостной трещины возникать теоретически не будут, но из-за сложности расчетов мы не можем учесть влияние динамических нагрузок, связанных с повышенными зазорами в подшипниках скольжения главного вала. Также проанализировав полученные результаты моделирования можно сделать вывод, что именно напряжения от натяга при посадке кривошипного рычага на вал являются наиболее влияющими на максимальное эквивалентное напряжение в материале главного вала. Без учета напряжений, вызванных натягом, наибольшее эквивалентное напряжение в рассматриваемом сечении вала и рассчитанное по классической методике составляет 10,3 МПа, что в 20 раз меньше полученного при моделировании. Выводы. Таким образом, благодаря проведенным исследованиям напряженно-деформированного состояния главного вала подъемно-качающегося стола для обеспечения его эксплуатационной надежности необходимо разработать комплекс технических и организационных мероприятий по устранению выявленных конструктивных недостатков. Список литературы 1. Болмотова И.А. Исследование проблемы разрушения хвостовика главного вала подъемно-качающегося стола стана трио 500 Донецкого металлопрокатного завода / И.А. Болмотова // Инженер. – 2018. – № 1(25)–2(26). – С.80–81.

118

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.923

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ АЛМАЗНЫМ ШЛИФОВАНИЕМ ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ КРУГОВ В.В. Гусев, В.В. Полтавец, А.Д. Молчанов ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Рассмотрены процессы управления состоянием алмазных шлифовальных кругов за счет различных по природе воздействий на рабочую поверхность круга. По своей эффективности выделены правка электроэрозионным способом и правка свободным абразивом. It is considered the processes of handling the state of diamond grinding wheels owing to the different by nature actions on wheel working surface. On the efficiency it is pointed out the spark erosion dressing and truing by free abrasive. Ключевые слова: шлифование, алмазный круг, правка, рабочая поверхность круга. Keywords: grinding, diamond wheel, dressing, wheel working surface. Важнейшим фактором успешной экономической деятельности машиностроительного предприятия является снижение себестоимости выпускаемой продукции при обеспечении требуемых эксплуатационных характеристик изделий. Современный уровень развития науки и техники обуславливает широкое применение в конструкциях изделий многих отраслей машиностроения и приборостроения, объектов атомной энергетики, авиационной и космической техники, а, в последнее время, и в общем машиностроении, новых прогрессивных материалов, к которым предъявляются повышенные требования по механической прочности, износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и стойкости к воздействию химикатов. В последние годы наблюдается тенденция роста производства изделий из высокопрочных инструментальных и конструкционных сталей, титановых сплавов, твердых сплавов, неметаллических и композиционных материалов, которые все шире заменяют традиционные конструкционные

119

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

материалы во многих отраслях промышленности. Замена деталей из металла на керамические или композиционные в большинстве случаев обеспечивает повышение долговечности наиболее нагруженных деталей от 2 до 25 раз. Достижение необходимого уровня эксплуатационных характеристик деталей из керамики и труднообрабатываемых сталей и сплавов зависит от точности механической обработки и полученного качества поверхностного слоя, что в первую очередь определяется наличием и параметрами дефектного слоя на поверхности детали, который формируется при обработке. Поэтому технологические процессы механической обработки указанных деталей включают операции алмазного сверления, точения, шлифования и полирования, благодаря которым обеспечиваются необходимые значения параметров микрорельефа обработанной поверхности и дефектного слоя на ней. Кафедра «Мехатронные системы машиностроительного оборудования» ДонНТУ с момента своего образования занимается разработкой технологического обеспечения необходимых эксплуатационных свойств изделий из труднообрабатываемых сталей и сплавов (ванадиевых сталей, титановых и твердых сплавов и др.) и технической керамики (в том числе стекла и ситаллов). Кафедра ведет работы по обоснованию необходимых для обработки конкретных деталей параметров технологических процессов и осуществляет соответствующую модернизацию технологического оборудования (рис. 1).

Рисунок 1 – Плоскошлифовальный станок с устройством для электроэрозионных управляющих воздействий на шлифовальный круг в автономной зоне

120

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Одним из основных видов научно-технических работ на кафедре в указанном направлении является обоснование и разработка процессов управления состоянием алмазных шлифовальных кругов [1]. Необходимые параметры состояния круга обеспечиваются при его правке, которой подвергаются как вновь устанавливаемые на станок инструменты, так и затупившиеся в процессе работы. На правку расходуется от 45 % до 80 % полезного объема алмазоносного слоя шлифовального круга. Затраты времени на правку могут достигать до 40 % основного времени обработки и даже более. Методы правки шлифовальных кругов на металлической связке по характеру воздействия на рабочую поверхность круга (РПК) делятся на: механические, химические, физические и комбинированные (рис. 2). К химическим методам относится электролитическая правка с использованием обратной схемы электролитического шлифования: круг – анод, а катод – деталь в виде пластины, трубы, круга, и химическое травление РПК в растворе щелочей и кислот. Электролитическая правка и химическое травление эффективно очищают рабочую поверхность инструмента, но не восстанавливают ее необходимый профиль. После применения химического метода для восстановления формы круга необходимо механическое воздействие на РПК.

Рисунок 2 – Методы управляющих воздействий на РПК

Физические методы воздействия на РПК, в частности правка электроэрозионным способом, показали свою высокую

121

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

эффективность при поддержании режущей способности кругов на металлической связке. Для осуществления правки требуется правящий инструмент (электрод), достаточно простой по конструктивному исполнению. Суть способа состоит в термическом воздействии импульсного тока на токопроводные связки, при котором происходит испарение частиц связки с поверхности инструмента. Отметим, что при применении указанного способа может происходить термохимическое воздействие электрической эрозии на алмазные зерна и инициироваться электрический разряд непосредственно на зерне. Вследствие этого при использовании электроэрозионных процессов управляющим воздействиям подвергаются, кроме материала связки, также и зерна инструментального материала [2]. На кафедре «Мехатронные системы машиностроительного оборудования» ДонНТУ процесс электроэрозионной правки исследуется на протяжении более 50 лет и за это время накоплен обширный опыт применения для управления режущей способностью алмазных шлифовальных кругов периодических и непрерывных электроэрозионных воздействий при обработке ванадиевых быстрорежущих и штамповых сталей, деформируемых титановых сплавов, твердых сплавов группы ВК и комбинаций «сталь – твердый сплав». Обоснованы и сформулированы рекомендации по выбору вида воздействий и назначению их режимов при обработке указанных групп материалов; разработаны для использования в производственных условиях соответствующие технологические регламенты. Альтернативой электроэрозионному способу правки для алмазных кругов выступают многочисленные механические способы правки. Механическую правку кругов осуществляют различными методами: обтачиванием рабочей поверхности круга правящими инструментами из сверхтвердых материалов (алмазами в оправах, алмазными иглами, алмазными карандашами); шлифованием рабочей поверхности правящими кругами; обработкой поверхности круга гибкими щетками из полимерных материалов с алмазным напылением и специальными устройствами для активизации рабочей поверхности кругов; правкой свободным абразивом. Механические способы достаточно эффективны для алмазных шлифовальных кругов, у зерен которых и при правке, и в процессе обработки формируются контактные площадки на задних поверхностях. В результате высокоскоростного ударного взаимодействия алмазного зерна с активизирующим правящим элементом на площадках контакта происходят микроразрушения и значительно увеличивается

122

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

развитость микрорельефа [3]. Механическая правка исправляет также и геометрию шлифовального круга. Одним из наиболее простых по конструктивной реализации и по техническому эффекту является разновидность механических методов воздействий – правка свободным абразивом. Этот способ отличается, по сравнению с другими механическими способами правки, более мягким воздействием на алмазные зерна на поверхности круга и большей избирательностью воздействия на связку круга. Способ правки шлифовального инструмента свободным абразивом разработан на кафедре «Мехатронные системы машиностроительного оборудования» и исследовался учеными кафедры более 40 лет [4]. Достоинства способа: производительность правки свободным абразивом в 2-3 раза выше, чем при правке другими механическими методами; правка позволяет интенсифицировать процесс обработки с минимальной затратой абразивного материала [5]. В настоящее время разработаны конструкция устройства для правки свободным абразивом и технологический регламент управления режущей способности алмазных кругов при обработке конструкционной керамики. Выводы. Применение управления состоянием рабочей поверхности алмазных шлифовальных кругов позволяет снизить себестоимость выпускаемой продукции при обеспечении требуемых эксплуатационных характеристик изделий из высокопрочных сталей, конструкционной керамики, титановых сплавов и ряда других труднообрабатываемых материалов. Список литературы 1. Шлифование труднообрабатываемых материалов кругами из алмаза и эльбора: монография / П.Г. Матюха и др. – Черкассы: Вертикаль, издатель Кандыч С.Г., 2015. – 252 с. 2. Полтавец В.В. Повышение степени управляемости технологической системой шлифования кругами из сверхтвердых материалов за счет воздействий на характеристики инструмента / В.В. Полтавец // Научные труды ДонНТУ. Серия «Машиностроение и машиноведение». – 2009. – Вып. 6 (154). – С. 79–86. 3. Прогрессивные методы правки абразивных кругов / В.Н. Малышев и др. – К.: Техника, 1985. – 112 с. 4. А. с. 967784 СССР, МКИ3 В 24 B 53/00. Способ правки шлифовального инструмента свободным абразивом / В.В. Бурмистров (СССР). – № 3296283/25-08; заявл. 08.06.81; опубл. 23.10.82. Бюл. № 39. – 2 с. 5. Гусев В.В. Выбор рациональных условий правки алмазных кругов полусвязанным абразивом / В.В. Гусев, А.Л. Медведев // Научные труды ДонНТУ. Серия «Машиностроение и машиноведение». – 2009. – Вып. 6 (154). – С. 41–48.

123

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.746

ЭВОЛЮЦИЯ УСТРОЙСТВ ДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ М.Ю. Ткачев ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР П.А. Петров ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР С.В. Мечик ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Рассмотрены основные тенденции развития систем ввода шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок. Освещены преимущества импортозамещающих отечественных устройств данного вида в сравнении с мировыми. The basic tendencies of development of systems of input of slag-forming mixes in crystallizers of machines of continuous casting of preparations are considered. The advantages of import-substituting domestic devices of this type in comparison with the world ones are highlighted. Ключевые слова: машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), кристаллизатор, шлакообразующая смесь, механизированная подача, шнек. Key words: continuous casting machine (ССМ), crystallizer, slag-forming mixture, mechanized feed, screw. В настоящее время основными направлениями интенсивно совершенствующихся методов непрерывной разливки стали являются повышение серийности разливки и качества получаемой заготовки. Для обеспечения необходимого качества сейчас предпринимают ряд мер, одной из которых является применение шлакообразующих смесей (ШОС) и утеплительных смесей для улучшения условий формирования корочки слитка и стабилизации функционирования механизма качания кристаллизатора и извлечения из него заготовок.

124

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

До настоящего времени процесс подачи смесей осуществлялся вручную, а те немногочисленные системы, которые нашли применение в промышленных условиях, отличаются сложностью конструкции и нерациональностью энергосиловых параметров. Поэтому вопрос, связанный с совершенствованием конструкции и обоснованием рабочих параметров системы дозированной подачи ШОС, является важной научно-прикладной задачей [1]. Работа смеси в процессе разливки определяет условия образования и параметры шлакового гарнисажа на поверхности заготовки, который влияет на усилие вытягивания, а также на интенсивность и равномерность отвода тепла от корочки заготовки к стенкам кристаллизатора, что, в свою очередь, влияет на качество ее поверхности [2]. Богатый многолетний опыт использования ШОС на зарубежных металлургических предприятиях свидетельствует о том, что достигаемые показатели технико-экономической эффективности их применения во многом зависят от способа ввода ШОС на зеркало металла в кристаллизаторе. В большинстве случаев подачу смеси осуществляли вручную в дискретном режиме, визуально контролируя толщину слоя ШОС на свободной поверхности расплава. При таком способе ввода смеси трудно достичь необходимой равномерности ее распределения по всему поперечному сечению кристаллизатора, поскольку в данном случае определяющее значение имеет субъективный фактор. Кроме того, на слябовых машинах с шириной заготовки более 1 м ручной способ присадки порошковых материалов сопряжен с интенсификацией труда разливщиков. Повышение требований к качеству непрерывнолитой заготовки и стремление исключить влияние человеческого фактора на эффективность технологических операций, осуществляемых во время разливки, явились главными предпосылками активизации в последнее время работ по созданию систем механизированной подачи шлакообразующих и утеплительных смесей в кристаллизаторы МНЛЗ. Автоматическая присадка ШОС позволяет заметно повысить степень равномерности ее распределения на свободной поверхности металла в кристаллизаторе, что способствует снижению отбраковки металлопродукции по дефектам металлургического происхождения на 30-50 % (относительных) и сокращению расхода дорогостоящих смесей на 15 %.

125

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Наряду с этим следует отметить то обстоятельство, что при наличии нескольких десятков запатентованных конструкций систем автоматической дозированной подачи ШОС при непрерывной разливке стали на сортовых, блюмовых и слябовых МНЛЗ промышленное применение нашли лишь некоторые из них. Главной причиной тому следует признать несоответствие большинства известных систем комплексу предъявляемых к ним требований: - обеспечение устойчивой подачи смеси в порошкообразном или гранулированном виде на заданное расстояние из бункера-питателя в кристаллизатор; - равномерное распределение вводимой ШОС на свободной поверхности жидкого металла; - надежное функционирование механизмов системы в непрерывном режиме в течение нескольких рабочих смен при серийной разливке стали; - удобство и простота в обслуживании и эксплуатации. Поэтому разработка новых дозирующих систем должна вестись с учетом достоинств и недостатков отечественных и зарубежных аналогов с использованием передовых методов расчета энергосиловых и конструктивных параметров входящих в их состав механизмов и узлов. Результаты проведенного литературного и патентного поиска и их анализ позволили установить, что дозированная выдача шлакообразующей смеси в кристаллизатор может осуществляться вибрационным, пневматическим, механическим и пневмомеханическим способами. Любая система дозированной подачи ШОС по сути представляет одну из комбинаций двух механизмов, реализующих перечисленными способами дозирование и распределение смеси. Поэтому целесообразно рассмотреть преимущества и недостатки тех известных технических решений, которые нашли или могут найти промышленное применение, а также провести их последующий сопоставительный анализ (данные табл.). Таблица – Преимущества и недостатки отечественных и зарубежных конструкций систем ввода ШОС в кристаллизаторы МНЛЗ № Название, [источник] Характеристика п/п 1 2 3 1 Устройство для автоматической Отсутствие возможности равномерного дозированной подачи флюса в распределения вводимого флюса по кристаллизатор [3] всему зеркалу расплава (подача ШОС осуществляется в локальную зону)

126

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

1 2

7.1

7.2 8

Продолжение таблицы 2 Устройство для подачи ШОС в кристаллизатор [А.с. 1764790 СССР]

3 Ограниченная площадь поверхности металла, на которую устройство позволяет подать ШОС в кристаллизатор Дозирующая система Стационарная установка является конструкции ИЧМ им. Бардина помехой при перемещении тележки для ввода ШОС в кристаллизатор промежуточного ковша во время его МНЛЗ для отливки заготовок перевода в резервную позицию после большого сечения окончания разливки для выполнения операций обслуживания или замены Устройство для подачи ШОС в Система загромождает рабочую кристаллизатор площадку, создавая неудобства [Патент 2171157 РФ] разливщику, и является помехой при аварийном съезде тележки с промежуточным ковшом Flux powder supplying apparatus Система загромождает рабочую for continuous casting [Patent площадку возле промежуточного ковша 4312399 USA] со стороны расположения рычагов управления его стопорных разливочных устройств Устройство для непрерывной Устройство ограничено применимо издозированной подачи ШОС в за отсутствия свободного места между кристаллизатор слябовой МНЛЗ промежуточным ковшом и тележкой, [Патент 96887 Украина] необходимого для его встраивания в комплекс оборудования МНЛЗ Система пневматической подачи Невозможность подачи системой ШОС компании «VGH Viktoria порошкообразной ШОС из-за Garten Hüttenindustriebedarf AG» пылеобразования в рабочей зоне [4] и пневмомеханическая система подачи ШОС [5] Устройство для непрерывной Использование в конструкции дозированной подачи ШОС в конического жесткого (для выдачи кристаллизатор слябовой МНЛЗ ШОС из бункера) и гибкого шнеков [Патент 107731 Украина] (для транспортирования ШОС к кристаллизатору) позволило исключить зависание материала в бункере, его распыление, а также устанавливать резервуар с ШОС на значительном удалении от разливочной площадки Устройство для подачи ШОС в Повышена надежность устройства за кристаллизатор слябовой МНЛЗ счет выноса благодаря конструктивным [Патент 2630913 РФ] особенностям из зоны высоких температур приводов и кабелей системы

127

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Анализ данных таблицы при сравнении разработок в этой области сотрудников кафедры «Механическое оборудование заводов черной металлургии» им. проф. Седуша В.Я. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» (системы с № п/п: 6, 7.2, 8, 9) с иностранными аналогами позволяет сделать нижеследующие выводы. Был применен новый концептуальный подход к решению задачи создания совершенных образцов оборудования, предназначенного для регулируемой подачи ШОС в непрерывном режиме в кристаллизаторы МНЛЗ с расходами, соответствующими скорости вытягивания слитка. Компоновочные схемы усовершенствованных систем механизированного ввода ШОС при непрерывной разливке стали в первую очередь отличаются комплексной рациональностью, заключающейся в том, что входящие в ее структуру механизмы, предназначенные для выполнения операций дозированной выдачи из питающего бункера, транспортирования в устойчивом режиме к кристаллизатору и равномерного распределения по его внутреннему сечению шлакообразующей смеси, находятся в функциональной органической взаимосвязи, обеспечивающей эффективную реализацию технологической операции при минимально возможных материалоемкости конструкции и энергопотреблении приводов. При разработке таких компоновочных схем были обеспечены следующие условия: - возможность размещения питающего бункера в стационарном положении на разных уровнях относительно днища промежуточного ковша; - равномерная выдача как порошкообразных, так и гранулированных шлакообразующих смесей из бункера; - транспортирование смеси к кристаллизатору по трубопроводу, совершающему перемещение в пространстве; - возвратно-поступательное движение подающего носка вдоль широкой стенки кристаллизатора и быстрый его отвод от него для беспрепятственного выполнения операции по смене пришедшего в негодность погружного стакана или в случае аварийного съезда промежуточного ковша. Выводы. Таким образом, используемая в усовершенствованных вариантах систем механизированного ввода ШОС в кристаллизатор МНЛЗ комбинация шнекового дозатора вертикального типа и гибкого спирального транспортирующего шнека позволяет осуществлять устойчивую подачу смесей любого фракционного и химического составов по гибкому рукаву,

128

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

совершающему перемещения в пространстве. Это дает возможность стационарного размещения бункера-питателя и перемещения подающего носка малогабаритной тележкой вдоль широкой стенки кристаллизатора. Список литературы 1. Ткачев М.Ю. Тенденции и перспективы развития инновационного оборудования металлургического профиля / М.Ю. Ткачев, Е.В. Ошовская, А.С. Фролков // Донбасс будущего глазами молодых ученых: сб. матер. научн.-техн. конф., 21 ноября 2017 г., Донецк. – Донецк: ДонНТУ. – С. 89–93. 2. Механизм формирования шероховатой поверхности шлакового гарнисажа и ее влияние на величину термического сопротивления зазора между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора УНРС / Н.П. Лякишев и др. // Металлы. – 2005. – №3. – С. 3–15. 3. Дюдкин Д.А. Качество непрерывнолитой стальной заготовки / Д.А. Дюдкин. – Киев: Техника, 1988. – 253 с. 4. Горосткин С.В. Внедрение системы автоматизированной подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок / С.В. Горосткин, В. Гартен // Новые огнеупоры. – 2013. – № 4. – С. 39 – 42. 5. Исследование и расчет энергосиловых параметров автономной пневмомеханической системы дозированной подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор МНЛЗ / С.П. Еронько и др. // Металлургические процессы и оборудование. – 2011. – №2. – С. 10–18.

129

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.01(06)

УЧЕТ ВРЕМЕНИ СМЕНЫ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ИЗДЕЛИЙ В МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ РОТОРНЫХ ЛИНИЯХ Е.А. Буленков ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР В данной статье рассматривается возможность создания гибких производственных систем на базе многономенклатурных роторных линий. При выборе структуры потока изделий количество групповых инструментальных блоков следует выбирать исходя из возможности их замены. This article discusses the possibility of creating flexible production systems based on multinomenclature rotary lines. When choosing the structure of the products flow the number of group tool blocks should be selected on the basis of the possibility of their replacement. Ключевые слова: гибкая производственная система, многономенклатурная роторная линия, групповой инструментальный блок, структура потока. Key words: flexible manufacturing system, multinomenclature rotary line, group tool block.

block

diagram,

Существует большое количество изделий, которые отличаются только незначительными элементами и имеют близкую технологию производства – крепеж, мебельная фурнитура и т. д. Использование станков с ЧПУ для их изготовления неэффективно из-за наличия более дешевого и более производительного оборудования. В свою очередь, использование этого высокопроизводительного оборудования также становится неэффективным, поскольку большие объемы товаров сложно реализовать, а небольшие партии не окупают стоимость переналадки оборудования. Решением этой проблемы может стать создание гибких производств на основе многономенклатурных роторных линий [1, 2], позволяющих объединить группу серийных производств в многономенклатурное массовое. Следует отметить, что предлагаемые линии не позволяют производить различные виды продукции с разными

130

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

производственными программами без реконфигурации линии. Поэтому дальнейшее совершенствование многономенклатурных роторных машин и линий с целью повышения их гибкости является актуальной задачей [3-5]. Общее количество возможных вариантов структуры потока изделий определяется характером движения изделий с различными характеристиками по конструктивным элементам многономенклатурной роторной машины [5]. Для реализации гибкого автоматизированного производства на основе многономенклатурных роторных машин необходимо обеспечить возможность запуска продукции в производство без переналадки автоматической линии. Поток должен быть непрерывным в целом вдоль линии и дискретным для отдельных типоразмеров изделий. Другими характеристиками потока являются детерминизм и стабильность, стационарность и однородность. Для обеспечения необходимой гибкости поток изделий должен быть периодическим и контролируемым. На рис. 1 показана схема многономенклатурной роторной машины (MRM), на которой может быть реализован описанный поток изделий. На схеме показаны групповые блоки инструментов (GTB), позволяющие обрабатывать различные изделия. В процессе работы изделия поступают в многономенклатурную роторную машину в зоне загрузки 1 в потоке загрузки V. Во время транспортировки со скоростью ST изделия обрабатываются и выгружаются из машины после обработки в зоне разгрузки 2 вдоль выходного потока W. Для обработки изделия другого типоразмера происходит смена инструмента в зоне 3. Следует отметить, что в этом случае количество инструментов в GTB должно быть равно количеству типоразмеров обрабатываемых изделий. Это позволит обрабатывать в каждом ГТБ продукцию всех размеров. Кроме того, устройства смены инструмента должны обеспечивать возможность смены инструмента (поворот инструмента на 180 градусов при вращении в 2 стороны или на 360 градусов при вращении в одном направлении). Количество GTB и количество инструментов в GTB должны быть подобраны так, чтобы обеспечить возможность выполнения этого условия. Другими словами, должно быть выполнено следующее условие:

t3  tc , где t3 – время смены инструмента, т. е. время нахождения группового блока инструментов в зоне 3 (см. рис. 1); tc – время отклика сменщиков инструмента в блоке. Время смены блока в зоне 3 на этапе предварительных расчетов

131

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

можно принять равным 1/4 от времени кинематического цикла [3] многономенклатурной роторной машины. Таким образом:

1 1 Up t3  Tk    tc , 4 4 Pc

(1)

где Tk – время кинематического цикла (полного оборота) многономенклатурной роторной машины; Up – количество групповых блоков инструментов; Pc – цикловая производительность машины. Для удобства расчетов, мы предполагаем, что машина обрабатывает Zo различных размеров изделий и что машина Рисунок 1 – Участок многономенклатурной обеспечивает роторной линии производство каждого размера с производительностью QA, т.е. Pc = Zo · QА. Таким образом, выражение (1) принимает вид: 1 1 Up t3  Tk    tc , 4 4 Zo  QA

(2)

где Zo – количество размеров изделия, обработанных в каждом GTB (количество инструментов в GTB); QA – производительность машины при обработке изделия одного типоразмера. На рис. 2 представлен график зависимости времени нахождения групповых блоков инструментов в зоне смены инструмента от количества типоразмеров изделий, обрабатываемых в одном блоке, и числа групповых блоков инструментов в машине. График построен по зависимости 2 для QA = 100 шт/мин. Из графика на рис. 2 ясно, что для определенных значений Up и Zo условие (2) не будет выполнено, то есть на таких конструкциях

132

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

многономенклатурных роторных машин невозможно реализовать гибкое производство. Это связано с тем, что для обеспечения требуемой высокой производительности необходимо увеличить скорость вращения многономенклатурных роторных машин и сократить время нахождения групповых блоков инструментов в зоне смены инструмента. Выводы. Когда необходимо уменьшить объем выпускаемой продукции и увеличить ее разнообразие, группирование серийных производств в массовое производство позволит создать новые гибкие производственные системы, основанные на гибких много номенклатурных поворотных линиях. Дополненная классификация структур потока изделий в многономенклатурных поворотных линиях позволила определить структуру потока изделий в гибких многономенклатурных поворотных линиях и выявить Рисунок 2 – Время нахождения особенности их структуры, влияние групповых блоков инструментов в времени смены инструмента на зоне смены инструмента структуру много номенклатурных роторных машин. Проведенные исследования позволили установить, что для реализации гибкого производства на основе много номенклатурных ротационных машин количество размеров выпускаемой продукции и количество групповых инструментальных блоков следует выбирать с учетом возможности их изменения. Список литературы 1. Фролович Е.Н. Автоматические роторные линии – от создания к современному этапу промышленного развития / Н.Е. Фролович // Известия Тульского государственного университета. Серия Технические науки. – 2012. – Вып. 2. – С. 394–402. 2. Albert M. Multi-spindle Thinking For Machining Center Part [Электронный ресурс] // Режим доступа –. URL: http://www.mmsonline.com/articles/ multi-spindle-thinking-for-machining-center-parts (по состоянию на 30.04.2019). 3. Буленков Е.А. Проектирование многономенклатурных роторных линий: учебное пособие / Е.А. Буленков. – Донецк: ДонНТУ, 2016. – 125с. 4. Михайлов А.Н. Основы синтеза поточно-пространственных технологических систем непрерывного действия / А.Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 379 с. 5. Буленков Е.А. Разработка технологических процессов изготовления крепежных изделий на многономенклатурных роторных линиях: учебное пособие / Е.А. Буленков. – Донецк: ДонНТУ, 2016. – 126 с.

133

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 658 58

АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Ю.А. Шамрай, Е.В. Ошовская, В.А. Сидоров ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, г. Донецк ДНР Рассмотрены вопросы эксплуатации гидравлического привода в условиях металлургического предприятия, приведены примеры машин, на которых установлен гидравлический привод. Рассмотрена необходимость разработки алгоритма управления рисками для обеспечения безотказности оборудования. The operation of a hydraulic drive under the conditions of a metallurgical enterprise is considered, examples of machines on which a hydraulic drive is installed are given, as well as positive aspects of using a hydraulic drive. The importance of developing a risk management algorithm is considered. Ключевые слова: гидропривод, алгоритм, системы управления, риск. Keywords: hydraulic drive, algorithm, control systems, risk. Использование гидропривода в металлургических машинах имеет давнюю историю, начиная с отдельных механизмов первой четырехручьевой УНРС Сталинского металлургического завода. В последнее десятилетия отмечается тенденция применения комплексов механизмов оснащенных гидравлическим приводом, к которым следует отнести холодильник сортовой машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Выполняя вспомогательные операции по охлаждению, кантовке и перемещению порезанной на мерные длины сортовой заготовки от рольганга до стенда пакетирования, данный комплекс является частью технологического процесса, в некоторой степени определяя его непрерывность [1]. Элементы механизмов холодильника сортовой МНЛЗ, испытывают циклические силовые и температурные воздействия, характерные для условий эксплуатации металлургических машин. Поддержание и восстановление работоспособного состояния осуществляется при проведении технического обслуживания и ремонта в ограниченные временные интервалы [2, 3]. Несовпадение

134

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

выполненных ремонтов и процессов износа приводит к внезапным отказам, нарушению непрерывности технологического процесса и простоям комплекса оборудования электросталеплавильного цеха. Современная тенденция к увеличению интенсивности производства, снижению времени проводимых ремонтных работ требует поиска решений, обеспечивающих безотказную работу механического оборудования с минимальными затратами. Существуют следующие варианты решения задачи: - установка нового оборудования через 5…7 лет работы; - выполнение регламентного ремонта; - ремонты по фактическому состоянию. Указанные решения, имея значительные затраты, не гарантируют исключения возникновения отказов. Развитие средств технического диагностирования опережает исследования по использованию информации о техническом состоянии отдельных элементов и технической системы в целом ремонтными службами. Возможным решением в создавшейся ситуации является определение на основе данных предыдущего опыта эксплуатации, проведенных ремонтных работ и доступной информации о техническом состоянии механического оборудования рациональных объемов технического обслуживания и ремонта, исключающих внеплановые остановки. Это определяет основное концептуальное содержание и актуальность стратегии управления рисками («оправданного риска»), применяемой в экономике, медицине и др. отраслях. Основной целью исследования является разработка системы управления рисками в условиях металлургического предприятия для холодильника МНЛЗ. В последовательности достижения поставленной цели выделены следующие задачи. 1. Обзор современного состояния вопроса управления рисками в производственных условиях: - изучение механизмов с шагающими элементами и классификация методов адаптации к условиям эксплуатации; - анализ элементов конструкции холодильника с шагающими балками, оснащенного гидравлическим приводом МНЛЗ, условий работы, особенностей технического обслуживания и ремонта, характерных отказов и их последствий; - обзор современных методов технического диагностирования, наиболее применимых к гидроприводу механизмов металлургических машин;

135

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

- изучение вопросов управления техническим состоянием в общем аспекте управления рисками и предиктивной аналитики. 2. Разработка математических моделей с их адаптацией к решаемым вопросам управления рисками и предиктивной аналитики: - силовой модели нагружения; - кинематической модели движения элементов; - имитационных моделей развития повреждений. 3. Проведение экспериментальных исследований: - оценки коэффициентов влияния отдельных элементов на общее техническое состояние; - по возможности использования многоуровневой системы технического диагностирования, включая оценку общего КПД гидравлической системы и временные реализации давления в полостях гидроцилиндров; - развития повреждений, связанных с износом деталей и узлов механизма шагания и гидравлического привода. 4. Практическая реализация результатов исследования: - разработка алгоритма диагностирования; - применимость методов диагностирования в современных условиях эксплуатации металлургических машин; - разработка алгоритма управления рисками на основании полученных данных и данных о техническом состоянии. Предполагается разработка алгоритмов оценки фактического состояния насосов гидроприводов по вибрационным и тепловым параметрам на уровне измерения общего уровня вибрации, спектрального анализа и анализа временных реализаций вибрационного сигнала. Выводы. На основании информации о конструкции оборудования, текущей производственной программе, выполненных объемов ремонтных работ и фактическом состоянии оборудования отслеживаются тенденции в развитии конструкции металлургических машин и разрабатываются сценарии возможного развития событий и появления определенных видов отказов. Относительно этой информации заводские службы смогут разрабатывать необходимые мероприятия и сообщать о полученной эффективности. Текущая оценка качества проведенных ремонтов осуществляется на основе результатов диагностирования. Основой принятия решений является стабильность потока отказов, количество зафиксированных отклонений и инцидентов, использование моделей развития повреждений. В результате определяются рациональные объемы ремонтных работ.

136

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Список литературы 1. Сортовые машины непрерывного литья заготовок [Электронный ресурс] // Режим доступа – http://www.nkmz.com/fileadmin/data/prospekts/ prospect_nkmz_mnlz.pdf (по состоянию на 30.04.2019). 2. Сидоров В.А. Эксплуатация гидропривода металлургических машин: учеб. пособие / В.А. Сидоров, Е.В. Ошовская, С.А. Бедарев. – Донецк: ДонНТУ, 2015. – 252 с. 3. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3 т. Т. 3. Машины и агрегаты для производства и отделки проката. Учебник для вузов / А.И. Целиков и др. – М.: Металлургия, 1988. – 680 с.

137

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 622.232.72.063

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЦИРКУЛЯЦИИ УГЛЯ В ШНЕКАХ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ ДЛЯ ТОНКИХ ПОЛОГОНАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ О.Е. Шабаев, В.Г. Нечепаев, П.П. Зинченко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Выполнена оценка влияния циркуляции угля в шнеках очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов на их функционирование на основе разработанной соответствующей математической модели. На примере комбайна К-103М показано существенное негативное влияние циркуляции угля в рабочем пространстве шнека на процесс выгрузки, усугубляющееся при интенсификации режимных параметров машины. Ключевые слова: очистной комбайн, шнек, процесс выгрузки угля, циркуляция угля. The evaluation of the effect of the circulation of coal in the augers of shearers for thin gently sloping inclined seams on their operation was made on the basis of the corresponding mathematical model developed. Using the K-103M combine as an example, a significant negative effect of the circulation of coal in the auger working space on the unloading process is shown, aggravated by the intensification of the machine's operating parameters. Key words shearer, auger, coal unloading process, coal circulation. Основные запасы каменного угля Донецкого региона (до 83,2 %) сосредоточены в тонких и весьма тонких пологонаклонных пластах мощностью 0,55 – 1,2 м [1]. Главной проблемой их интенсивной разработки является процесс выгрузки угля очистными комбайнами со шнековыми исполнительными органами, затрудненный малым значением их диаметра и соответственно ограниченным значением площади окна выгрузки. При интенсивных режимах работы комбайна в процессе выгрузки часть разрушенного угля может перебрасываться через ступицу шнека на его нерабочую сторону. Переброшенный уголь частично перемещается в зазоры между вынесенным в забой

138

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

корпусом комбайна и горным массивом, а остальная часть угля повторно поступает в рабочее пространство шнека, определяя процесс циркуляции. Повторно поступивший (циркулирующий) уголь снижает рабочее пространство шнека и дополнительно измельчается. Это определяет снижение производительности и увеличение энергоемкости процесса погрузки, что приводит к ограничению скорости подачи комбайна до 3…5 м/мин и менее [2]. Существующие математические модели, описывающие процессы выгрузки, как правило, не в полной мере учитывают эффект циркуляции угля, что может привести к погрешности при оценке эффективности работы комбайна, и поиска путей решения проблемы выгрузки как ограничивающего фактора. Целью настоящей работы является оценка влияния циркуляции угля в шнеках очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов на их функционирование. Для достижения поставленной цели разработана математическая модель, позволяющая имитировать процессы разрушения и погрузки разрушенной горной массы на рештачный став забойного конвейера с учетом наличия процесса циркуляции угля в рабочем пространстве шнека (рис. 1). Duo , d st

Duo , d st

Bz , Bd ,

H n , Dk ,  k

 Геометрические параметры комбайна и угольного массива

Vcir

Bz , Bd ,

 Vn ,

 , Duo ,

Duo Текущее положение шнека



 ,h h

V per V per Vzaz Vzaz

Режимные параметры работы очистного комбайна

H pl , hk lk , B z

Vcir

Рисунок 1 – Структурная схема имитационной математической модели процессов разрушения и погрузки разрушенной горной массы

139

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

На рис. 1 принятые следующие обозначения: Duo , d st – диаметр шнека по резцам и ступице соответственно; Bz , Bd – ширина шнека по резцам и отрезного диска соответственно; Dk – диаметр рукояти качалки поворотного редуктора в зоне окна выгрузки; lk , hk – длина и ширина корпуса редуктора с нерабочей стороны шнека соответственно; H pl , H n – мощность вынимаемого пласта и высота погрузки соответственно;  – коэффициент разрыхления угля; Vn – скорость подачи очистного комбайна;  – угловая скорость вращения шнека;  – угол поворота шнека в принятой системе координат; h – толщина стружки; Vv – выгруженный объем горной массы; V per , Vzaz , Vcir – объемы соответственно переброшенного, прошедшего в зазоры и циркулирующего угля; V y – объем угля, разрушенный и

поступивший в рабочее пространство шнека; Vr – рабочий объем шнека (с учетом переброшенного и затянутого в рабочее пространство угля). На основе указанной математической модели для очистного комбайна К-103М, работающего в условиях угольного пласта мощностью 0,65 м, проведен модельный эксперимент процесса разрушения и погрузки разрушенной горной массы. В качестве примера на рис. 2 приведено графическое представление процесса выгрузки угля одной лопастью шнека очистного комбайна К-103М диаметром 0,63 м, разрушающего угольный пласт мощностью 0,65 м при значениях скорости подачи 3,6 и 6,0 м/мин. Из графика (рис. 2) следует, что рабочий объем шнека, по мере увеличения в нем циркулирующего угля, пропорционально уменьшается на эту же величину, что соответствуют данным, приведенным в [3]. При анализе полученных данных удобно оперировать значениями объемов в единицу времени выгруженного Qv , переброшенного Q per и циркулирующего Qcir угля, которые определяются по зависимостям: Qv  Vv  N zah  nob , Q per  Qt  Qv Qcir  Q per  Qzaz

(м3/мин)

где: nob – частота вращения исполнительного органа, об/мин; N zah – число заходов шнека;

140

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Qzaz – количество угля, переместившегося в зазоры, м3/мин; Qt  Vn  Duo  B z   – объем разрушенного опережающим шнеком угля в единицу времени, м3/мин. Данные модельного эксперимента приведены в таблице.

Рисунок 2 – Графическое представление процесса выгрузки угля лопастью шнека комбайна К-103М как функция угла поворота шнека Таблица – Данные модельных и экспериментальных исследований рабочих процессов комбайна К-103М

№ п/п

1. 2. 3. 4. 5.

Vn м/мин

3,2 3,4 3,5 3,6 6,0

Модельный эксперимент Q per

м3/мин 1,072 1,120 1,344 1,424 3,520

Q zaz м3/мин 0,966 1,024 1,056 1,088 1,760

Qcir м3/мин 0,106 0,096 0,288 0,336 1,760

Натурный эксперимент Q per. м3/мин 1,106 1,129 1,247 1,553 3,365

,%

3,07 0,79 -7,78 8,31 -4,61

Анализ данных модельных исследований позволил установить, что с увеличением скорости подачи комбайна увеличивается объем переброшенного угля. Так при Vn  3,2 м/мин, объем переброшенного угля по отношению к разрушенному составляет 38 %, а при Vn  6,0 м/мин – порядка 62%. Объем циркулирующего угля при этом изменяется от 3,6% до 32,23% соответственно. Это говорит о

141

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

необходимости учета этих данных при анализе процесса погрузки угля шнеком, особенно в интенсивных режимах работы комбайна. Для оценки сходимости результатов модельного и натурного экспериментов использованы результаты экспериментальных исследований [4], проводившиеся на полноразмерном стенде Донецкого политехнического института (ДПИ) [5], который позволял имитировать погрузку угля очистным комбайном К-103М. Результаты экспериментальных исследований, приведены в таблице. Сравнение данных модельных и натурных экспериментальных исследований показали, что расхождение полученных значений не превышают ± 10 %. Выводы 1. На основе разработанной математической модели выполнена оценка влияния циркуляции угля в шнеках очистных комбайнов для тонких пологонаклонных пластов на их функционирование. 2. Установлено существенное влияние циркуляции угля в рабочем пространстве шнека на процесс погрузки, особенно при интенсивных режимах работы комбайна. Так, при Vn  3,2 м/мин объем переброшенного угля по отношению к разрушенному составляет 38 %, а при Vn  6,0 м/мин – 62 %. При этом объем циркулирующего угля составил 3,6 % и 32 % соответственно. Список литературы 1. Горные машины для подземной добычи угля: учебное пособие / П.А. Горбатов и др. – Донецк: Норд Компьютер, 2006. – 669 с. 2. Нечепаев В.Г. Механо-гидравлические шнековые системы выгрузки и транспортирования / В.Г. Нечепаев. – Донецк: ДонНТУ, 2005. – 215с. 3. Нечепаев В.Г. Исследование и определение параметров шнеков с переменным шагом очистных комбайнов для тонких пластов с целью повышения их погрузочной способности: автореферат дис. … канд. техн. наук: 05.05.06 / Нечепаев Валерий Георгиевич. – Донецк, 1982. – 17 с. 4. Разработать исходные данные для проектирования шнековых исполнительных органов комбайна К103 и параметров, определяющих его устойчивость на конвейере: отчет о НИР: ГР 770034194 / Донецкий политехн. ин-т; рук. Я.И. Альшиц. – Донецк, 1977. – 92 с. 5. Альшиц Я.И. Стенд для исследования процессов погрузки угля шнековыми исполнительными органами очистных комбайнов / Я.И. Альшиц, В.И. Тарасевич, В.Г. Нечепаев // Угольное машиностроение. – 1977. – № 1. – С. 10–12.

142

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

669.02/.09:004.422.422:612.8

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТОРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ Д.А. Вишневский, Б.А. Сахаров, Н.А. Бондарь ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет» г. Алчевск, ЛНР Представлена разработанная прикладная компьютерная программа для мониторинга психофизиологического состояния оператора металлургической отрасли программными средствами. Программное средство получает по беспроводному каналу связи информацию от индивидуального устройства работника для дальнейшей обработки. Если данные указывают на отклонение от нормальных значений – оператор получает сигнал-оповещение и принимает решение своевременно отреагировать на ситуацию, что снизит производственный риск. Ключевые слова: производственный риск, металлургическое оборудование, психофизиологические реакции, компьютерная программа, кожно-гальваническая реакция, акселерометр. A developed application computer program is presented for monitoring the psycho-physiological state of the metallurgical industry operator using software. The software receives information over the WLAN channel from the employee’s individual device for further processing. If the data indicates a deviation from normal values, the operator receives a warning signal and makes a decision to respond timely to the situation that results in reducing production risk. Keywords: production risk, metallurgical equipment, psycho-physiological reactions, computer program, galvanic skin response, accelerometer. Важнейшим элементом технологического процесса является надежность, под которой по ГОСТ 27.002-89 [1] подразумевают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, ремонтов, хранения.

143

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

По причинам возникновения отказов выделяют: - отказы из-за конструктивных дефектов; - отказы из-за технологических дефектов; - отказы из-за эксплуатационных дефектов; - отказы из-за постепенного старения (износа); - отказы в результате влияния человеческого фактора (в том числе нарушения трудовой дисциплины). Любой из этих видов отказов приводит к снижению ресурса работы, увеличению материальных затрат на изготовление и эксплуатацию изделия [2, 3]. Если некоторых отказов на данный момент избежать нельзя, то снизить риск их появления в результате влияния «человеческого фактора», который представляет совокупность интеллектуальных, физиологических, эмоциональных, волевых, мотивационных и других качеств личности, обеспечивающих безошибочное, своевременное и адекватное восприятие сложившейся ситуации, выполнение предписанных функций в определенных режимах работы человека с другими людьми и техникой в процессе выполнения трудовых обязанностей, вполне возможно. На металлургических предприятиях используемые вещества и материалы, насыщенность сложным оборудованием и действующий уровень организации технологических процессов создают предпосылки для возникновения инцидентов и аварий. Они приводят к значительным экономическим потерям и социальной напряженнности работающих. Данные, полученные на основании изучения документации по аварийным ситуациям за 7-10 лет на одном из металлургических предприятий, показали, что доля инцидентов и аварий, в зависимости от причин, колеблется в различных пределах (данные табл.). Таблица – Причины происшествий и аварий на металлургических объектах, % Вид производства Причины СталеплавильКоксохими- ЭнергогенеДоменное Прокатное ное ческое рирующее Техни20-30 45-60 55-65 35-45 50-55 ческие Организа80-70 55-40 45-35 65-55 50-45 ционные

Одна из причин, способствующая ошибочным действиям персонала предприятия – это неудовлетворительное физическое и психологическое состояние работника. Для определения особенностей

144

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

психофизиологических реакций можно применить регистрацию кожно-гальванической реакции (КГР) в качестве высокочувствительного, простого и технически легко определяемого показателя уровня активности вегетативной нервной системы (ВНС), а также для оценки когнитивного напряжения сотрудника [2, 4]. Основываясь на вышесказанном возникла необходимость в создании система мониторинга психофизиологического состояния оператора металлургической отрасли программными средствами (рис. 1, 2).

а б Рисунок 1 – Интерфейс программного обеспечения: а – информация о сотруднике и привязка его к индивидуальному устройству; б – перечень должностей и профессий

Рисунок 2 – Протокол с записями, превышающих пороги значений датчиков

145

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Устройство предназначено для снятия индивидуальных показаний психофизиологических реакций (пульс, КГР) организма сотрудника во время рабочего процесса и определения месторасположение рабочего на территории производства в режиме реального времени. Устройство способно также зафиксировать резкое изменение положения рабочего в пространстве, что косвенно может указывать на нештатную ситуацию у работника. Устройство снимает показатели психофизиологических реакций у рабочего, данные о расположении данного сотрудника на карте производства, его данные о положении в пространстве и передвижениях в течение всей рабочей смены, и передает на сервер для дальнейшей обработки, сохранения и использования в конкретных ситуациях рабочего процесса. Система выполняет ряд функций. В частности, работает как база данных о сотрудниках, к которым привязаны занимаемые должности, профессии и участки цехов. Программное средство получает по беспроводному каналу связи информацию от датчиков: показатели кожно-гальванической реакции, пульса, температура окружающей среды и тела, данные акселерометра и GPS позиционирование работника на карте предприятия для дальнейшей обработки. Программное обеспечение выполняет ряд функций: накопление показаний датчиков для каждого зарегистрированного работника при отклонении показаний от нормы, информация записывается в протокол в хронологическом порядке с указанием даты, времени, характера отклонения (-ий). Выводы. Внедрение в металлургическую и машиностроительную отрасль промышленности технологий из сферы носимой электроники, Internet of Things и симбиоза двух этих направлений, применимых в условиях рабочего процесса на производстве, – перспективное направление на пути оптимизации и повышения производительности рабочего процесса, а, следовательно, производительности всего производства, повышении безопасности труда сотрудников предприятия. Список литературы 1. Межгосударственный стандарт надежность в технике. Основные понятия термины и определения: ГОСТ 27-002-89: введ. 01.07.1990. 2. Vishnevskiy D.A. Improving the reliability of metallurgical equipment through the introduction of Realtime Locating Systems technologies and Internet of / D.A. Vishnevskiy, B.A. Sakharov // Journal of Advanced Research in Technical Science. – North Charleston, USA: SRC MS, CreateSpace. –2018. – Issue 12. – P. 74–77. 3. Вишневский Д.А. Расчет надежности металлургического оборудования и производственного риска / Д.А. Вишневский // Сборник научных трудов ДонГТУ. – 2017. – Вып. 7 (50). – С. 139–146. 4. Kasyanov N. Development of simulation methods for labour protection status indicators / N. Kasyanov, O. Gunchenko, D. Vyshnevskyy // TEKA Com. Mot. i Energ. Roln. – 2010. – Vol. ХА. – P. 234–242.

146

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.926.3

НЕКОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧЕТЫРЕХВАЛКОВЫХ ДРОБИЛОК А.А. Харитоненко ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», г. Липецк, РФ Проведен анализ некоторых недостатков и рассмотрены направления по улучшению технико-эксплуатационных показателей четырехвалковых дробилок. Предложены мероприятия по повышению срока службы бандажа и эксплуатационной надежности приводной муфты и вала валка. Some shortcomings were analyzed and directions for improving the technical and operational performance of four-roll crushers were considered. The proposed measures to increase the service life of the bandage and the operational reliability of the drive coupling and the roll shaft. Ключевые слова: четырехвалковая дробилка, валок, упругая муфта, бандаж, распределительное устройство. Keywords: four-roll crusher, roll, elastic coupling, bandage, switchgear. В производстве агломерата компоненты шихты перед внедрением их в технологический процесс подлежат дроблению и измельчению. На фабрику окускования поступают каменнорудные материалы различной крупности. Часть из них: мелкая аглоруда, пылеватая марганцевая руда, концентрат, окалина, колошниковая пыль – не нуждаются в дроблении или измельчении, в то время как известняк, поступающий в крупных кусках, а также коксовая мелочь и угольная семечка нуждаются в дроблении. При подготовке известняка и топлива применяются отдельные подготовительные установки, такие, как молотилки, конусные дробилки мелкого и среднего дробления, щековые, молотковые и одновалковые дробилки. Для дробления и измельчения кокса, коксовой мелочи и угольной семечки на аглофабриках большинства металлургических предприятий применяются четырехвалковые дробилки [1, 2].

147

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

В процессе дробления при попадании в рабочее пространство дробилки недробимого предмета подвижный валок отходит от неподвижного, и недробимый предмет проходит вместе с материалом, не вызвав повреждение вала валка дробилки. Однако при возврате валков в первоначальное положение происходит их соударение, возникают существенные динамические нагрузки, что может привести к поломке вала. Путями решения данной проблемы могут являться увеличение площади поперечного сечения или изготовление валов из более прочных материалов, например, из стали 38ХА или 40Х – легированных конструкционных сталей, обладающих более высокой прочностью и вязкостью. В процессе эксплуатации дробилки наблюдается неравномерный износ поверхности бандажей валков, что приводит к повышению содержания крупной фракции материала в готовом продукте при дроблении. Изношенную поверхность восстанавливают непосредственно на дробилке, обтачивая валки. Толщина нового бандажа – 100 мм. При износе его рабочей поверхности производится проточка 2 мм на радиус. При остаточной толщине 40 мм валок меняют. Долговечность бандажей напрямую зависит от равномерности загрузки материала по поверхности бандажей валков. Повысить равномерность распределения возможно, внедрив в загрузочную часть дробилки над верхней парой валков отбойники (рис. а) или подвижный лоток (рис. б). В первом случае материал разделяется на два потока, а во втором – распределяется по всей ширине валка за счет передвижения лотка вдоль его оси.

Рисунок – Схемы распределения материала по поверхности валка четырехвалковой дробилки

148

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Приводные валы дробилки соединяются с электродвигателями при помощи зубчатых муфт. В процессе прохождения материала между валами нагрузка на муфты увеличивается, вследствие чего происходит выкрашивание и поломка зубьев муфт. Это вызывает большое количество аварийных и профилактических простоев. Возможным решением данной технической проблемы является установка упругой муфты: на концы полумуфт устанавливаются круги из транспортерной ленты, скрепляемые между собой пружинными шайбами и шплинтами на болтовых соединениях для предотвращения их самооткручивания. Преимущество использования упругих эластичных муфт заключаются в том, что они допускают значительные относительные смещения валов – продольное, поперечное и угловое – за счет деформации упругого элемента. Упругие муфты за счет высокой эластичности компенсируют монтажные неточности и динамические нагрузки, возникающие при раздрабливании материала между валками и при попадании недробимых тел в рабочее пространство дробилки. Расходным материалом для таких муфт служит отработавшая на конвейерах резинотканевая транспортерная лента, имеющаяся в условиях агломерационного производства в достаточном количестве. Выводы. Намечены отдельные направления по повышению техникоэксплуатационных показателей работы четырехвалковой дробилки. Предложены способы увеличения прочностных характеристик вала, оборудования для равномерного распределения потока материала по длине валков и упругой муфты привода валка. Список литературы 1. Клушанцев Б.В. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации / Б.В. Клушанцев, А.И. Косарев, Ю.А. Муйземнек. – М.: Машиностроение, 1990. – 320 с. 2. Авдохин В.М. Основы обогащения полезных ископаемых / В.М. Авдохин. – М.: Издательство МГГУ, 2006. – 310 с.

149

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 621.926

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДРОБИЛЬНО-ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В АГЛОМЕРАЦИОННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Д.А. Власенко ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР Проведен комплексный анализ конструктивно-технологических показателей работы дробильно-измельчительного оборудования, предназначенного для фракционной подготовки шихтовых компонентов и спека агломерата. Определено влияние его основных показателей на технико-эксплуатационные параметры процессов дробления и измельчения, а также качественно-количественные характеристики агломерационного производства в целом. A comprehensive analysis of the structural and technological performance of crushing and grinding equipment designed for the fractional preparation of charge components and agglomerate cake was carried out. The influence of its main indicators on the technical and operational parameters of the crushing and grinding processes, as well as the qualitative and quantitative characteristics of the sinter production as a whole, has been determined. Ключевые слова: агломерационное производство, дробильноизмельчительное оборудование, агломерат, твердое топливо, агломерационные флюсы, технико-экономические показатели. Key words: agglomeration production, crushing and grinding equipment, agglomerate, solid fuel, sintering fluxes, technical and economic indicators. Процессы дробления и измельчения в агломерационном производстве применяются для обеспечения различных стадий основных технологических операций и оказывают значительное влияние на технико-экономические характеристики агломерации шихтовых материалов для доменной плавки. Эффективность использования оборудования, применяемого для фракционной подготовки материалов, характеризуется множеством технологических показателей: производительностью дробильной

150

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

машины, энергоемкостью процессов, степенью измельчения исходного материала и замельченностью продукта после дробления, износом рабочих элементов при взаимодействии с дробимым материалом и т.д. [1]. Большинство из них сказываются на эксплуатационных характеристиках самого оборудования, а такие, как степень измельчения, содержание фракции, превышающей допустимые размеры, и замельченность дробленого продукта, влияют на сам технологический процесс спекания агломерата [2–4]. Несмотря на многообразие технических решений, заложенных в конструкцию и принцип действия дробильных машин, используемых для подготовки рудных и каменных материалов, в условиях предприятий черной металлургии наибольшее распространение получили молотковые, валковые и щековые дробилки, в каждой из которых при дроблении и измельчении реализованы определенные разрушающие (деформирующие) способы воздействия на материал. Каждый из способов разрушения обладает преимуществами и недостатками в сравнении с другими и применяется при дроблении материалов с конкретными физико-механическими свойствами для получения требуемых размерных характеристик дробленого продукта. Комплексный анализ процессов дробления и измельчения материалов и оборудования, используемого при этом, проведен на примере агломерационного цеха Филиала № 12 ЗАО «ВНЕШТОРГСЕРВИС». Так, молотковые дробилки, используемые для дробления агломерационных флюсов (известняка, доломита, мела), обеспечивают разрушение материала за счет свободного удара молотков по куску и истирания (раздавливания) между ударными элементами и колосниковой решеткой. В четырехвалковых дробилках процесс измельчения твердого топлива (кокс, уголь) обеспечивается при помощи захвата и раздавливания вращающимися валками. В одновалковой дробилке применяется сочетание раздавливания и излома агломерационного пирога лучами звездочек ротора о приемный стол и колосники. Используемые дробилки для фракционной подготовки шихтовых материалов и дробления агломерата в достаточной степени отвечают необходимым технологическим требованиям аглодоменного процесса, однако имеют ряд недостатков, негативно сказывающихся на их технико-экономических показателях, а также снижают отдельные качественные и количественные параметры процесса спекания агломерационной шихты. Основными целями и задачами, за счет решения которых возможно повысить эффективность дробильно-измельчительных

151

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

машин и обеспечить рациональный фракционный состав шихтовых материалов при их подготовке под требования агломерационного процесса, являются: - анализ целесообразности и обоснование способа разрушения каждого из материалов с целью снижения энергоемкости процесса и обеспечения рациональной фракции дробленых частиц; - определение влияния массово-размерных характеристик и физико-механических свойств дробимого материала на основные показатели процесса измельчения; - исследование зависимостей основных показателей дробильной машины от изменения режимных характеристик загрузки (подачи в рабочее пространство различного количества материала). Затем, на основе данного анализа, следует совершенствование и обоснование конструкционно-технологических параметров рабочих органов и отдельных узлов дробилки. С целью повышения эффективности работы оборудования необходимо проанализировать основные факторы, влияющие на показатели каждого типа дробилок, от которых зависит рациональный фракционный состав готового продукта. При дроблении флюсов используемые молотковые дробилки обладают следующими технологическими недостатками: значительным износом рабочих органов, переизмельченностью готового продукта и повышенной энергоемкостью всего процесса. Это обусловлено недостаточно высокой эффективностью использования свободного удара молотка при разрушении сырья вследствие отклонения молотка и потери кинетической энергии при соударении с куском и тем, что основная часть процесса дробления обеспечивается за счет истирания материала о колосниковую решетку. Основными недостатками четырехвалковых дробилок при измельчении твердого топлива являются: износ бочки валка и значительное содержание мелочи в дробленом продукте при его проскальзывании в процессе дробления относительно дробимой поверхности. Данный эффект возникает при попадании в рабочее пространство кусков размерами, при которых не обеспечивается условие их захвата валками, и при этом происходит их проскальзывание относительно поверхности бочки. В данных условиях разрушение куска осуществляется за счет истирания, а не раздавливания, что приводит к перенасыщению продукта мелкодисперсными частицами, а также вызывает абразивное изнашивание поверхности валка.

152

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

После спекания агломерационный пирог дробят в одновалковой дробилке. При этом образуется большое количество мелочи, которая отсеивается и в виде возврата возвращается в шихту. Образование мелочи возникает вследствие раздавливания значительной части агломерата звездочками о приемный стол, а не излома пирога между колосниками. При этом наблюдается значительный износ торцевой поверхности луча звездочки ротора. Также общими недостатками для всех типов машин, сдерживающими эффективность их работы, являются ограничение по размеру загружаемого материала и пропускная способность дробилки. В данном контексте, для определения пропускной способности предлагается термин, отображающий метрическую характеристику, показывающую предельное количество подаваемого в рабочее пространство дробильно-измельчительной машины за единицу времени материала, которое возможно переработать в рабочем пространстве до характеристик, отвечающих предъявляемым фракционным требованиям, после дробления и выгрузки его из рабочего пространства. При превышении данных показателей наблюдается укрупнение фракции готового продукта, повышенный износ рабочих органов, а в некоторых случаях такая ситуация вызывает аварийную остановку оборудования вследствие переполнения рабочего пространства недодробленным материалом. Из анализа опыта использования различных фракций шихтовых компонентов при спекании агломерационной шихты известно, что значительное влияние на эффективность процесса оказывает крупность топлива и флюсов. Так, на основании анализа данных работы агломашин установлено, что сжигание в шихте топлива, не содержащего пылевидной фракции, обеспечивает более высокую температуру слоя, позволяет увеличить выход годного продукта, повышает удельную производительность, а отсутствие отдельных кусков крупнее 5 мм обеспечивает снижение расхода топлива. При уменьшении содержания в шихте флюсов фракцией, выходящей за пределы диапазона 1–4 мм, требуется меньше времени на полную его диссоциацию, вследствие чего агломерат обладает лучшей прочностью и характеризуется более низким содержанием мелочи по сравнению с полученным при использовании флюсов других размерных характеристик. Необходимость содержания в агломерате меньшего количества мелочи обусловлена требованиями технологии ведения доменного

153

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

процесса. От количества отсева агломерата после дробления непосредственно зависит производительность агломашин. Из анализа технико-эксплуатационных показателей работы дробильно-измельчительных машин следует, что в процессе фракционной подготовки каждый способ разрушения (воздействия на материал рабочим органом дробилки) оказывает существенное влияние на эффективность процессов, и от него зависит фракционный состав дробленого продукта. На основании вышеизложенного получены следующие выводы: при дроблении флюсов и твердого топлива необходимо исключить истирание и повысить влияние ударного воздействия и раздавливания; при дроблении аглоспека необходимо снизить влияние раздавливания и увеличить эффективность процесса за счет излома. Эти направления повышения эффективности дробильных машин возможно реализовать при доскональном изучении всех процессов, протекающих в каждой из дробилок, и усовершенствовании конструкции рабочего органа или способа его воздействия на измельчаемый материал на основании полученных результатов комплексного анализа особенностей эксплуатации дробильноизмельчительного оборудования в агломерационном производстве. Выводы. Таким образом, эффективность агломерационного производства зависит от реализации отдельных мероприятий по повышению эффективности дробильно-измельчительных машин, позволяющих снизить, а то и вовсе исключить, влияние отдельных негативных процессов, возникающих при реализации процессов фракционной подготовки в агломерационном процессе. Список литературы 1. Клушанцев Б.В. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации / Б.В. Клушанцев, А.И. Косарев, Ю.А. Муйземнек. – М.: Машиностроение, 1990. – 320 с. 2. Коротич В.И. Агломерация рудных материалов. Научное издание / В.И. Коротич, Ю.А. Фролов, Т.Н. Бездежский. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ–УПИ», 2003. – 400 с. 3. Власенко Д.А. Анализ влияния режима загрузки молотковой дробилки при дроблении флюсов на производительность и степень дробления шихтовых компонентов в агломерационном производстве / Д.А. Власенко, Э.П. Левченко // Сборник научных трудов ДонГТУ. – 2017. – № 49. – С. 114–119. 4. Власенко Д.А. Анализ системы приготовления флюсов рациональной крупности в агломерационном производстве / Д.А. Власенко, Э.П. Левченко // Инновационные перспективы Донбасса: матер. 3-й Межд. науч.-практ. конф., 24–25 мая 2017 г., Донецк. В 8 т. Т.3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – С. 64–67.

154

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 658.58

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ТЕРМИНА «РИСК» ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Ю.А. Шамрай ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Раскрыто понятие термина «риск» применительно к металлургическому производству, его происхождение и применение в различных сферах жизни с раскрытием содержаний существующих классификаций его трактовки. The article describes the term risk and what is meant by them, where is it from. An overview of the concept of risk in various areas of life, examples of classification were also given. Ключевые слова: риск, классификация, управление рисками . Keywords: risk, classification, risk management. Предлагаемый переход на концепцию «приемлемого риска», изложенный в работах [1-3], опирается на стандарты по оценке рисков и надежности технологического оборудования [4], которые появились в начале XXI века. Современные условия снижения расходов на техническое обслуживание и ремонт механического оборудования металлургических предприятий требуют создания условий для реализации «оправданного риска». Это требует однозначного прочтения термина «риск», имеющего различную интерпретацию. В работе предполагается на основе обзора существующих определений понятия «риск» провести уточнение термина «управление рисками» применительно к практике металлургического предприятия. Термин «риск» зачастую подразумевает что-то тревожное и неожиданное, с неизвестными последствиями в ближайшем и дальнейшем будущем. История появления и введения самого термина достаточно не ясна. Однако, согласно трактовкам В.А Ойгензихта, а также в дальнейшем по трактовке В.И. Серебровского, предполагалось что термин «риск» берет свои корни из Португалии и

155

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

переводится как «отвесная скала». В более поздних интерпретациях [5] было предположено, что риск берет свои корни из французского языка и переводится как «утес» или же «подножие горы». Таким образом, термин «рисковать» можно приравнять к определению «лавировать меж скал». Именно такое значение опасности прочно укоренилось за термином «риск» в его дальнейшем понимании. Определение понятия «риска» будет варьироваться в зависимости от того, в какой сфере мы его будем применять (данные табл.). Таблица 1 – Определение «риск» в разных областях Область деятельности Определение человека Для медицины риск имеет особое значение. Риск можно интерпретировать, как некое отрицательное Медицина благо. Медицинская практика стремится к получению блага для своего пациента и не допустить его неблагополучия. Технический риск – это риск, обусловленный техническими факторами. Понятие технический риск подразумевает комплексный показатель надежности Технический риск элементов техносферы и выражает вероятность происшествия аварии или непредвиденной ситуации при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологического процесса. Предпринимательская Риск – возможные утраты доходов или неполучения деятельность их в ожидаемой степени. Риск, возникающий при реализации каких-либо Коммерческий рынок товаров и предоставления услуг. Риск – потеря движимого и недвижимого имущества Имущественный рынок вследствие кражи, пожара, потери или иных обстоятельств. Риск – это вероятность финансовых потерь в Валютный рынок результате падения или роста курса валют. Риск - возникшая ситуация, не имеющая дальнейшего Риск ситуации определенности исхода. Изменения в законодательных документах и документации, регулирующей нормативные акты, Риск в политике может оказать негативное воздействие на прибыль или условия работы. Риск – вероятность условия реализации события, при Финансовый рынок происшествии которого происходят потери.

156

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Термины «риска» подстраиваются под свою сферу применения: человеческий фактор, нестабильность валюты, открытия в медицине, возможности страховки имущества, риски реализации и тому подобное, но у всех есть одно общее – это неопределенность исхода при риске, нет возможности точно сказать, что благодаря риску все наладится к лучшему, но если научится классифицировать риски, а также знать его свойства, то это в дальнейшем поможет им управлять, то есть появится возможность минимизировать негативные последствия его воздействия. Вывод. Современная тенденция к увеличению интенсивности производства, снижению времени проводимых ремонтных работ требует поиска решений, обеспечивающих безотказную работу механического оборудования с минимальными затратами. Для этого следует учитывать возможные появления рисков, а также уметь управлять ими. Риск обладает следующими особенностями: 1.Для риска характерна неопределенность, когда возможно не единственное развитие событий. 2. Убыток. Риск существует, если дальнейший исход событий может привести к убытку, аварии или потере. 3. Значимость. Риск будет иметь возможность на существование, когда дальнейшее событие затронет интересы субъекта и будет иметь определенные последствия для него. Риск без принадлежности не существует. Список литературы 1. Клюев В.В. Подходы к построению систем оценки остаточного ресурса технических объектов / В.В. Клюев, А.С. Фурсов, М.В. Филинов // Контроль. Диагностика. – 2007. – №3. – С. 18–23. 2. Исследование риск-ориентированного подхода в системе управления охраной труда (СУОТ) машиностроительного предприятия / Н.А. Касьянов и др. // Вестник Кременчугского гос. политехн. ун-та. – 2009. – Вып. 4/2009 (57). Ч. 2. – С. 75-77. 3. Белодеденко С.В. Методы количественного риск-анализа и безопасность механических систем / С.В. Белодеденко, Г.Н. Биличенко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2015. – №7. – С. 2–9. 4. Управление надежностью. Анализ риска технологических систем: ГОСТ Р 51901 – 2002: введ. 01.09.2003. 5. Танаев В.Н. Понятие «риск» в гражданском кодексе РФ / В.Н. Танаев // Актуальные проблемы гражданского права. – 2000. – №3. – С. 17–21.

157

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 669.162.21

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ БЕСКОНУСНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА В.С. Пращерук, Е.В. Ошовская ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР Представлены результаты физического моделирования радиального распределения шихтовых материалов при использовании бесконусного загрузочного устройства и учете формы профиля исходной засыпи. The results of physical modeling of the radial distribution of charge materials are presented when using a bell-less loading device and taking into account the shape of the initial charge profile. Ключевые слова: доменная печь, бесконусное загрузочное устройство, шихта, радиальное распределение, физическая модель. Key words: blast furnace, bell-less loading device, charge, radial distribution, physical model. В современных доменных печах для загрузки шихтовых материалов используют бесконусные загрузочные устройства (БЗУ). Среди БЗУ выделяют конструкции с лотковым распределителем шихты, которые могут осуществлять кольцевую, точечную и секторную загрузку шихтовых материалов в печь, что выступает важным параметром управления доменной плавкой. Вопросам поиска рациональных программ загрузки шихтовых материалов, математического описания движения шихты по лотку и ее распределения на колошнике посвящено большое количество работ [1-4]. В данной статье представлены результаты исследования влияния формы профиля исходной засыпи шихты на радиальное распределение последующих порций. Известно, что при ссыпании материала на свободную горизонтальную плоскость, неограниченную вертикальными стенками, образуется конус, на вершине которого скапливается мелкий материал, а к подножию скатываются более крупные куски. В реальных условиях в доменной печи форма профиля засыпи шихты, на которую осуществляется подача следующей порции загрузки,

158

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

отличается от горизонтальной плоскости, что изменяет закономерности распределения шихтовых материалов. Исследование выполнялось на физической модели БЗУ лоткового типа [5], предназначенной для изучения радиального распределения шихты. Геометрический масштаб модели равен 1:10 по отношению к размерам колошника доменной печи объемом 1033 м3 (рис.1). В состав модели входил набор планок разной длины, с помощью которых имитировалось различное положение образующей профиля исходной засыпи, характеризующееся углом β (рис.2).

Рисунок 1 – Физическая модель: 1 – опорная стойка; 2 – прозрачное стекло; 3 – задняя стенка; 4 – верхняя перекладина; 5 – нижняя перекладина; 6 – задвижки; 7 – лоток; 8 – загрузочная воронка; 9 – планка

а б Рисунок 2 – Схемы расположения планки, имитирующей образующую профиля исходной засыпи: а) наклон от стенки к оси; б) наклон от оси к стенке

В качестве имитаторов агломерата и кокса, являющихся основными составляющими шихты для доменной плавки, были выбраны гравий и керамзит соответственно, физико-механические свойства которых были определены экспериментально и приведены в таблице. В ходе физического моделирования для каждого из материалов были выполнены серии экспериментов, в которых угол наклона образующей профиля исходной засыпи β изменялся дискретно и принимал значения 0, 10, 20, 30 и 45 град., что обеспечивалось путем установки между боковыми стойками физической модели планки соответствующего размера. При этом лоток модели располагался под разными углами α: 10, 20, 30, 40 и 50

159

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

град. В загрузочную воронку модели набиралась одна порция соответствующего материала массой mΣ и выполнялась его выдача с помощью модели лотка. Получаемые картины распределения материалов фотографировались (рис.3), после чего выполнялась их обработка. Таблица – Физико-механические свойства имитаторов шихтовых материалов для доменной плавки Материал Насыпная Угол естественного Коэффициент плотность, кг/м3 откоса в покое, град. трения по стали Керамзит 511 36 0,9 Гравий 1533 42 1,0

а б в г Рисунок 3 – Фотографии распределения гравия (а, г) и керамзита (б, в) на наклонной плоскости при различных углах ее наклона β и расположении в модели с лотком, зафиксированном под углом α: о а) α = 10 , β = 20о (наклон к стенке); б) α = 40о, β = 30о (наклон к оси); в) α = 30о, β = 10о (наклон к стенке); г) α = 20о, β =45о (наклон к оси)

Используя линии сетки, нанесенной на прозрачное стекло физической модели, в каждом окружном сечении, положение которого характеризовалось абсциссой xi, производили измерение высоты насыпи материала yi. По этим данным с учетом расстояния между задней стенкой и стеклом в физической модели рассчитывали объем порции материала между двумя соседними сечениями. С учетом насыпной плотности ρ материалов определяли относительную массу материала γ в элементарном радиальном сечении, графики изменения которой приведены на рис. 4. Анализ графиков показал, что распределение материалов-имитаторов имеет подобный характер. При ссыпании материала с лотка, расположенного под углом 10…20о, на горизонтальную плоскость 10..12% шихты попадает в окружное сечение 0,4..0,6 радиуса модели печи. При увеличении угла наклона лотка максимальная доля шихтового материала располагается у стенки. При подаче материалов на плоскость, имеющую наклон 20..30о и располагающуюся как со стороны оси, так и со стороны стенки модели, при любом расположении лотка формируется практически равномерное радиальное распределение. Увеличение

160

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

угла наклона профиля исходной засыпи приводит к сосредоточению максимальной доли материала в окружном сечении 0,8..1 радиуса.

в е Рисунок 4 – Графики изменения относительной массы керамзита (а–в) и гравия (г–е) в элементарном радиальном сечении гравия на наклонной плоскости, расположенной под углом: а, г) β = 0о; б) β = 30о (наклон к стенке); в) β = 30о (наклон к оси); д) β = 20о (наклон к стенке); е) β = 20о (наклон к оси)

Последующая статистическая обработка полученных данных позволила установить, что радиальное распределение материалов можно описать законом Вейбулла, дифференциальная функция

161

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

распределения которого имеет вид: b

z b 1    b z f z     e  a  ,

aa

где z – относительная координата, определяющая положение окружного сечения материала относительно стенки модели; a, b – параметры закона. Значения параметров в зависимости от сочетания угла наклона лотка и угла, характеризующего расположение исходной плоскости засыпи, составили: для керамзита а = 0,2...0,8; b = 1,15…3,23; для гравия а = 0,18...0,71; b = 1,08…2,79. Выводы. Установленные закономерности распределения шихтовых материалов позволят дополнить существующие математические модели и прикладные программы для расчета программ загрузки доменной печи, оборудованной БЗУ лоткового типа. Список литературы 1. Модель радиального распределения шихтовых материалов на колошнике доменной печи, оборудованной БЗУ / В.И. Большаков и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. научн. тр. – Днепропетровск: ИЧМ НАН Украины. – 2011. – Вып. 23. – С. 52–62. 2. Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах / В.И. Большаков и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. научн. тр. – Днепропетровск: ИЧМ НАН Украины. – 2004. – Вып. 8. – С. 86–102. 3. Комплексная математическая модель распределения многокомпонентной шихты в доменной печи / Н.Г. Иванча и др. // Металлург. – 2018. – Вып.1-2. – С.95-100. 4. Оценка неравномерности распределения шихтовых материалов в доменной печи / С.К. Сибагатуллин и др. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2018. – Том 61. – № 10. – С. 766–773. 5. Разработка физической модели для изучения распределения шихты в доменной печи при использовании бесконусного загрузочного устройства / В.С. Пращерук и др. // Технологические машины и оборудование: матер. XVІ Республиканской науч.-техн. студенческой конф., 28-30 ноября 2017 г., Донецк. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – С. 63– 66.

162

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

УДК 624.138.29

УПЛОТНЕНИЕ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ГЛУБИННЫМИ ВЗРЫВАМИ Б.Ф. Галай, В.В. Сербин, О.Б. Галай ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Ставрополь, Российская Федерация Обобщен опыт массового применения глубинных взрывов для уплотнения просадочных грунтов на объектах Северного Кавказа. The experience of the wide use of the depth confined explosions for compaction of collapsible soils at the facilities of the North Caucasus is generalized. Ключевые слова: просадочные грунты, аварии зданий и сооружений, глубинные взрывы. Key words: сollapsible soils, сrumbling buildings and structures, depth confined explosions. Цель нашего сообщения состоит в том, чтобы привлечь внимание к эффективному методу подготовки оснований на просадочных грунтах. Метод родился и получил распространение на Украине в связи с бурным строительством в советское время. За сравнительно короткий срок, начиная с 1973 года, на Северном Кавказе было взорвано около 1000 т глубинных зарядов ВВ, уплотнены сотни миллионов м3 просадочного грунта и на уплотненных взрывами грунтах построены десятки зданий и сооружений. На Северном Кавказе 75-80 % площади занимают просадочные лёссовые грунты. На них ведется массовое строительство зданий и сооружений, возведены корпуса Атоммаша в г. Волгодонске, уникальные сооружения Прикумского завода пластмасс (ныне ООО «Ставролен» Лукойла) в г. Буденновске, крупнейшая в мире гидромелиоративная система Большого Ставропольского канала (БСК). С просадочными грунтами в регионе связаны массовые деформации зданий и сооружений, на исправление которых затрачены и дополнительно требуются огромные средства [1-4].

163

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Наиболее просадочные грунты нашей страны и, возможно, планеты распространены в восточных районах Ставропольского края, а г. Буденновск смело можно назвать «столицей» просадочных грунтов России. Лёссы Буденновска по просадочности значительно превосходят знаменитые лёссы Китая и Средней Азии. Просадочная толща ставропольских лёссов достигает 50-60 м, а расчетная просадка после из замачивания, подтвержденная практикой строительства, может достигнуть 2,5 м. Полное устранение просадочности таких уникальных толщ стало возможным только с применением глубинных взрывов. Этот метод уплотнения лёссовых грунтов впервые был опробован проф. И.М. Литвиновым на Украине (г. Запорожье), но массовое распространение получил на объектах Северного Кавказа. В трудах I-го Всесоюзного совещания по строительству на просадочных грунтах (Харьков, 1939) молодой киевский инженер И.М. Литвинов пишет, что в 30-ые годы «На Никопольстрое неоднократно выдвигались предложения о предварительном замачивании площадок, намеченных под строительство отдельных цехов, причем для ускорения процесса развития просадок рекомендовалось применить дополнительные динамические реагенты в виде взрывов, проводимых в шурфах или скважинах». Первое практическое опробование способа в производственных условиях состоялось в 1964 году, т.е. через 25 лет после его предложения. В г. Запорожье на просадочных грунтах мощностью 20 м был построен 120-квартирный крупнопанельный дом без какихлибо конструктивных мероприятий, обычно применяющихся в данных условиях, при этом было сэкономлено свыше 30 т металла и около 105 тыс. рублей. Уплотнение 45 тыс. м3 просадочного грунта произвели за 15 дней глубинными зарядами весом 5–7 кг каждый, расположенными по сетке 4,5 × 4,5 м. Стоимость уплотнения 1 м3 грунта составила 50-80 коп. Для сравнения грунтовые сваи (4,26 руб/м3), термический или химический способ (6-20 руб/м3) оказались дороже в 10-15 раз. Уплотнение глубинными взрывами оказалось и наименее трудоемким. Благодаря авторитету д.т.н. И.М. Литвинова, Министерство газовой промышленности СССР в 1973 году применило глубинные взрывы для подготовки основания при строительстве крупного газоперерабатывающего завода в р-не г. Грозного. Просадочные суглинки здесь имели сравнительно небольшую мощность (8,013,6 м), площадь уплотнения составила 10 га. Заряды весом 6,5 кг в количестве 6000 шт. разместили по сетке 4 × 4 м на глубине 6-8 м.

164

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Всего уплотнили 1 млн. м3 грунта, затратив 0,6 млн. рублей. Подготовка основания грунтовыми сваями потребовала бы 3,0 млн. руб. По сравнению с забивными железобетонными сваями сократили сроки работ с 885 суток до 250 суток. На уплотненных взрывами основаниях возвели здания и сооружения, в том числе имеющими высоту до 76 м с большими ветровыми нагрузками. VIII Всесоюзное совещание по закреплению и уплотнению грунтов в строительстве (г. Киев, 1974 г.) проходило под знаком внедрения взрывного метода киевского профессора И.М. Литвинова на этой стройке юга России. На совещании в Киеве Б.Ф. Галай впервые дал анализ аварийных объектов в Ставропольском крае, показал неэффективность применяемых противопросадочных мероприятий и сделал вывод: «Особенно перспективным для района Прикумска (ныне Буденновск) и мощных просадочных толщ Ставрополья может быть способ глубинного уплотнения просадочных грунтов предварительным замачиванием с энергией глубинных взрывов, предложенный проф. И.М. Литвиновым и впервые примененный автором в г. Запорожье. Ставропольские лёссы района Прикумска по своему составу, строению и структурным особенностям близки к Запорожским». После этого произошло быстрое внедрение взрывного метода в регионе. Ставропольский краевой экспертный совет принял решение: «Считать целесообразным дальнейшее экспериментальное изучение метода замачивания просадочных грунтов со взрывом в условиях Ставропольского края». Совет Министров СССР в 1975 г. принял решение о строительстве в г. Буденновске крупнейшего в мире Прикумского завода пластмасс по производству полиэтилена. Секретарь Ставропольского крайкома КПСС К.Н. Никитин обратился в киевский НИИСК Госстроя СССР с просьбой оказать научно-методическую помощь ставропольским ученым и проектировщикам и разработать окончательный вариант проекта. В течение лета 1976 года были выполнены подготовительные работы к первым в Буденновске глубинным взрывам на площадке стройбазы завода Пластмасс, и 28.12.1976 года они состоялись. Но без И.М. Литвинова, который скончался 24.10.1976 г. На опытно-производственной площадке стройбазы размером 30×120 м было взорвано 188 глубинных зарядов весом по 10 кг, которые привели к быстрой просадке дна котлована до 2,7 м. Такого уплотнения 100 тыс. м3 просадочного грунта никто не ожидал. По материалам изысканий просадка от собственного веса 28-метровой толщи лёссового грунта должна была составить 1,0 м. Уникальность

165

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

выполненного эксперимента состояла в том, что впервые в строительной практике была уплотнена 30-метровая толща лёсса и получена сверхнормативная просадка, превышающая расчетную в 2,5 раза. Этот опыт позволил в дальнейшем уверенно запроектировать глубинные взрывы для уплотнения 50-метровой лёссовой толщи в районе очистных сооружений г. Буденновска. Генеральный проектировщик стройбазы Ставропольский Промстройпроект определил, что «гидровзрывной метод по сравнению с другим равноценным методом (грунтовыми сваями) дал экономический эффект 1,5 млн. рублей». Одновременно опытные работы вскрыли существенные недостатки метода киевского НИИСКа. В мощной лёссовой толще Буденновска взрывные трубы длиной 15 м выдернуть не удалось, строители потеряли 3000 погонных метров стальных труб. Из-за полного замачивания толщи и быстрой просадки грунта произошло выдавливание воды вверх, на дне котлована образовался слой воды до 0,5 м, что надолго задержало трамбование верхнего, так называемого «буферного» слоя. Киевский вариант глубинных взрывов после этого на Ставрополье не применялся. Началось массовое внедрение глубинных взрывов по методу Б.Ф. Галая (авторское свидетельство № 702957 с приоритетом от 6.03.1978 г.). На основе обобщения многолетнего опыта применения глубинных взрывов на юге России (Ставропольский край, КабардиноБалкария, Волгоградская и Ростовская области) авторами составлено единственное в России «Пособие по уплотнению просадочных грунтов глубинными взрывами в условиях Северного Кавказа (изыскания, проектирование, производство работ)» [5], согласованное с Госгортехнадзором России и ОАО «Кавказвзрывпром». Выводы. На сегодняшний день глубинные взрывы являются самым эффективным, а для мощных лёссовых толщ (30-50 м) и единственно возможным способом инженерной подготовки оснований на просадочных грунтах. Для их осуществления требуются сравнительно небольшие безопасные расстояния, в основном около 50 м, которые на застроенной территории можно уменьшить за счет применения соответствующих мероприятий (снижения массы зарядов, схемы взрывания, устройства отсечных траншей и др.). Список литературы 1. Стешенко Д.М. Влияние состава и структуры лёссовых грунтов на уплотнение их глубинными взрывами (на примере Северного Кавказа) / Д.М. Стешенко // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2011. – № 23 (42). – С. 66–71.

166

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ

Галай Б.Ф. Учет инженерно-геологических особенностей просадочных грунтов Северного Кавказа при уплотнении их глубинными взрывами / Б.Ф. Галай, Д.М. Стешенко // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. – 2012. – № 3 (32). – С. 114–117. Уплотнение просадочных грунтов глубинными взрывами на юге России / А.Н. Богомолов и др. // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2015. – № 42 (61). – С. 4–14. Галай О.Б. Уплотнение просадочных лёссовых грунтов методом глубинных взрывов / О.Б. Галай, М.В. Стародубцева // Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли Северо-Кавказского федерального округа: матер. ІІ Ежегодной науч.-практ. конф. Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука-региону», 27– 28 апреля 2014 г., Ставрополь. – Ставрополь: Издательский дом «Тэсэра», 2014. – С. 3–7. Пособие по уплотнению просадочных лессовых грунтов глубинными взрывами в условиях Северного Кавказа (изыскания, проектирование, производство работ) / Б.Ф. Галай и др. – Ставрополь: СевКавГТУ, 2012. – 128 с.

167