Технологические основы обеспечения формы и условий контакта поверхностей качения опор технологических барабанов при обработке мобильным оборудованием

В настоящее время в различных отраслях промышленности широко применяют вращающиеся технологические барабаны (ТБ). ТБ — это промышленные установки с вращательным движением вокруг собственной оси и предназначенные для нагрева и транспортирования сыпучих материалов с целью их физико-химической обработки (рис. 1). К таким установкам можно отнести вращающиеся печи для спекания шихт в производстве глинозема, получения цементного клинкера, окислительного, восстановительного и хлорирующего обжига, прокалки гидроокиси алюминия, кокса, карбонатов и др., обезвоживания материалов, извлечения цинка или свинца и др.

ТБ обычно работают по непрерывному циклу и даже кратковременные остановы в их работе могут приводить к значительным колебаниям температуры корпуса, его деформациям и выкрашиванию футеровочпого слоя. Возможные остановы приводят также к потере производительности ТБ. Останов, например, вращающейся цементной печи 05×185 м па один час приводит к потере производительности примерно на 60 т. В связи с этим к надежности их работы предъявляют повышенные требования. Наработка на отказ деталей и узлов ТБ должна быть не менее срока начала проведения капитального ремонта.

Однако на практике довольно часто наблюдаются остановы в работе ТБ по причине образования трещин на корпусе, перегрева корпуса из-за разрушения футеровочного слоя, срыва башмаков, фиксирующих осевые смещения бандажей и т. п.

Проводимые ремонтные работы, особенно по восстановлению футеровки, требуют останова и охлаждения ТБ с потерей не менее 3.4 часов времени.

Рис. 1. Общий вид технологического барабана (вращающаяся печь для обжига цементного клинкера).

Основная причина появления дефектов, приводящих к отказам в работе, кроется в отклонении точности формы и поворота поверхностей качения как в пределах одной, так и всех опор ТБ. Даже на вновь смонтированном оборудовании наблюдаются значительные отклонения формы в радиальном и осевом сечениях бандажей. Погрешности установки и выверки опорных роликов приводят к нарушению пятна контакта на поверхностях качения и искривлению оси всего ТБ.

Цепной метод сборки крупногабаритного оборудования даже при высокой точности изготовления деталей не предприятии-изготовителе, приводит к значительным погрешностям на замыкающих звеньях непосредственно при монтаже, на месте их постоянной эксплуатации. Очевидно, что для обеспечения их точности в заданных пределах требуется использование метода пригонки — обработка базовых поверхностей, особенно у составных бандажей, после их сварки электрошлаковым способом. Предмонтажной обработке должны подвергаться также посадочные поверхности для установки бандажа на корпусе ТБ. Эти работы позволят достичь требуемой точности формы и поворота поверхностей качения бандажей и роликов, чтобы обеспечить оптимальные условия эксплуатации ТБ.

Отсутствие необходимого оборудования и методик не позволяют выполнить выверку осей опорных роликов относительно оси ТБ с заданной точностью, поэтому всегда имеет место погрешность поворота их осей. В результате пятно контакта существенно уменьшается и наблюдается интенсивное раскатывание и деформация поверхностей качения.

На многих предприятиях, при раскатке более, чем на допустимую величину, поверхности качения опорных роликов обрабатывают, демонтировав их с ТБ, или на работающем агрегате с использованием специальных переносных станков. При последующей эксплуатации уже через 1,5.2 месяца опять наблюдается раскатывание поверхностей на роликах с величинами, превышающими допустимые. Очевидно, что для обеспечения необходимой площади пятна контакта, при отклонении от параллельности осей бандажей и роликов требуется модификация их поверхностей качения.

Чтобы обеспечить необходимую точность формы при повороте поверхностей качения опор ТБ требуется их предмонтажная и последующая профилактическая или ремонтная обработка с использованием специальных переносных станков. Однако конструктивное исполнение опор ТБ весьма разнообразно, и это не позволяет использовать какую-то одну наиболее эффективную схему базирования станка относительно роликоопор. Таким образом, возникает необходимость рассмотрения различных возможных способов обработки поверхностей качения ТБ с учетом особенностей конструкции опор.

Применение известных способов обработки с использованием специальных переносных станков сдерживается недостаточным изучением механизма формообразования для различных доступных схем расположения инструмента и отсутствием необходимого оборудования для оснащения таких способов.

Представленная работа выполнена в соответствии с отраслевой комплексной научно-технической программой МПСМ СССР 02.01.06 «Создание научных основ эксплуатации и ремонта оборудования предприятий МПСМ с разработкой инженерных решений по его совершенствованию».

Целью работы является разработка высокоэффективных технологических процессов механической обработки поверхностей качения опор крупногабаритных технологических барабанов для достижения их оптимальной формы, обеспечивающей требуемые условия контакта при сборке и в процессе последующей эксплуатации, с использованием мобильного оборудования.

Научная новизна работы заключается в научно-методологическом обеспечении методологии выявления размерных связей, определяющих оптимальную форму и условия контакта поверхностей качения опор крупногабаритных ТБ при наличии поворота их осей и раскрытии механизма их достижения механической обработкой на работающих агрегатах с использованием мобильного оборудования, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Решение этой важной проблемы включает следующие научные положения, выносимые автором на защиту:

1) Методику определения формы образующих поверхностей качения бандажей и роликов опор ТБ, обеспечивающих при их относительном повороте оптимальную форму и расположение пятна контакта.

2) Способы базирования мобильного оборудования для обеспечения возможности обработки поверхностей качения существующих конструкций опор ТБ.

3) Математические модели формообразования образующих поверхностей качения бандажей и роликов опор ТБ для моделирования обработки по различным схемам базирования мобильного оборудования.

4) Математические модели формообразования направляющих поверхностей качения бандажей ТБ для моделирования обработки по различным схемам базирования мобильного оборудования.

5) Математические модели формообразования направляющих поверхностей качения бандажей ТБ для моделирования обработки с базированием мобильного оборудования в зонах неустойчивого исправления формы.

6) Технологическую концепцию проектирования мобильного оборудования и средств технологического оснащения, которая предусматривает способ базирования, связь кинематики формообразующих движений с конструктивными особенностями и рабочими движениями ТБ, а также обеспечивающих возможность достижения необходимой точности формы поверхностей.

7) Технологические методы обеспечения точности формы образующих и направляющих поверхностей качения бандажей и роликов опор ТБ, для достижения требуемой формы и расположения пятна контакта.

8) Научно обоснованные конструктивные и технологические решения, использованные при конструировании, изготовлении и внедрении мобильного оборудования и средств технологического оснащения, обеспечивающие возможность обработки поверхностей существующих конструкций опор ТБ.

Внедрение результатов работы: результаты работы были внедрены на многих ведущих предприятиях промышленности строительных материалов РФ: ОАО «Белцемент» (1989, 1990 г.), ОАО «Осколцемент» (1998, 2005 г.), АО «Воскресенскцемент» и цементном заводе «Гигант» г. Воскресенск (1989, 1990 г.), на Рыбницком цементно-шиферном комбинате (1990 г.), АО «Невский ламинат» (2005 г.) и других.

По результатам работы внедрены:

— методика обеспечения оптимальной формы поверхностей качения опор ТБ механической обработкой с использованием мобильного оборудования;

— методика обеспечения точности формы направляющих поверхностей качения при обработке бандажей для различных схем базирования оборудования как при устойчивом, так и при неустойчивом базировании бандажа на опорных роликах;

— средства технологического оснащения и конструкция специального переносного встраиваемого станка, обеспечивающие возможность базирования на существующих конструкциях опор ТБ;

— технология обработки поверхностей качения бандажей и роликов опор ТБ при различных схемах базирования оборудования, обеспечивающих необходимые условия контакта.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в БГТУ им. В. Г. Шухова и БИЭИ и рассматриваются при изучении дисциплин «Основы технологии машиностроения», «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы только в условиях двух предприятий составляет около 415 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских, отраслевых конференциях и семинарах и получили одобрение:

— Всесоюзной конференции «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении», г. Белгород, 1989 г.;

— Всесоюзном совещании «Внедрение в производство и строительство прогрессивных строительных материалов», г. Киев, 1989 г.;

— Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций», г. Белгород, 1993 г.;

— Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций», г. Белгород, 1995 г.;

— Международной конференции школы-семинара молодых ученых, аспирантов и докторантов, г. Белгород, 1999 г.;

— Научной конференции «Сооружения, конструкции и строительные материалы XXI века», г. Белгород, 1999 г.;

— Международной конференции, посвященной 20-летию Старооскольского филиала МИСиС, г. Ст. Оскол, 1999 г.;

— Международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энергои ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», г. Белгород, 2000 г.;

— Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященном 150-летию В. Г. Шухова, г. Белгород, 2003 г.;

— Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.;

— V межрегиональной с международным участием научно-технической конференции «Механики XXI веку», г. Братск, 2006 г.

— Координационных научно-технических совещаниях «Волгоцеммаша» и «Союзцемремонта» (1985. 1989 гг.) и др.

Публикации: по теме диссертационной работы опубликовано 45 научных работ и получено 7 авторских свидетельств на изобретения.

Структура диссертации включает введение, 7 глав, заключение, приложения, список литературы, включающий 131 источник.

7.7. Выводы.

1. Установлено, что поверхности качения опор ТБ должны подвергаться периодическому замеру, с целью определения формы образующих и направляющих и характеристик контакта, с интервалом 1,5.2 месяца. При этом осуществляют замер: формы образующих в нескольких расчетных сеченияхбиение направляющих поверхности качения бандажазамер пятна контакта и его осевое смещение.

2. Для реализации разработанной технологии изготовлена и внедрена в производство серия специальных переносных встраиваемых станков УВС -01 и сменных технологических наладок, позволяющих осуществлять базирование в различных зонах опор ТБ, в зависимости от их конструктивного исполнения. В результате практически все существующие конструкции опор ТБ могут быть подвергнуты обработке поверхностей качения, как при их сборке, так и в процессе последующей эксплуатации.

3. Разработана конструкция адаптивной технологической системы, позволяющая применить разработанную технологию для обработки поверхностей качения бандажей ТБ при неустойчивой схеме их базирования на опорах ролика. Технология внедрена в условиях двух предприятий.

4. Разработана технология раздельной обработки поверхности бандажей ТБ на специальных стендах, которая позволяет обеспечить необходимые параметры точности формы поверхностей после их сварки, а так же обеспечивать реконструирование бандажей типа «П» — в тип «В», обработкой их торцевых поверхностей.

5. Спроектированный и изготовленный в БГТУ им. В. Г. Шухова специальный переносной встраиваемый станок получил сертификат соответствия, внесен в каталог металлорежущих станков РФ, находит эффективное применение в различных отраслях промышленности. Конструкция защищена пятью авторскими свидетельствами на изобретения. Станки тиражируются и внедряются по заказам предприятий.

6. Разработанная технология обеспечения условий контакта поверхностей качения опор ТБ механической обработкой с использованием мобильного оборудования внедрена в условиях АО «Белцемент», АО «Осколцемент», АО «Воскресенскцемент», Рыбницкого цементно-шиферного комбината, АО «Невский ламинат» и других предприятиях.

7. Приведенные акты внедрения и подтвержденные экономическими расчетами, показывают реальную экономическую эффективность диссертационной работы. Результаты также широко используются в учебном процессе БГТУ им. В. Г. Шухова, БИЭИ и их филиалах и представительствах. Они отражены в рабочих программах, курсовых и дипломных проектах, а так же учебнике и трех учебных пособиях с разрешающими грифами МО РФ и УМО. Экономический эффект от внедрения технологии только в условиях двух предприятий составил 415 млн. рублей.

Заключение

и общие выводы.

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований получено решение актуальной научной проблемы — разработана технология механической обработки поверхностей качения опор ТБ для обеспечения их оптимальной формы и условий контакта при сборке и в процессе последующей эксплуатации, с использованием мобильного оборудования.

2. Разработана методика определения необходимой формы образующей поверхности качения опорного ролика при контакте с цилиндрическим бандажом при наличии поворота их осей. Установлено, что если форма образующей будет не линейчатой, то осевые их перемещения не будут возможны без изменения межосевых размеров. Для обеспечения осевых перемещений бандажа без изменения межосевого размера опорный ролик должен иметь линейчатую образующую, а бандаж — образующую, имеющую кривизну, соответствующую кривизне поверхности качения опорного ролика в этом сечении. Ее величина будет зависеть от величины поворота их осей.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить основные характеристики контакта бандажа и ролика: полуширинураспределение нагрузкимаксимальное давлениекинематическое сближение осей, для различных по форме их образующих и при наличии поворота осей.

4. Определены четыре возможные схемы расположения мобильного оборудования относительно опоры ТБ. выявлены размерные связи и па основании расчета размерных цепей установлена наиболее точные и удобные для базирования поверхности опор — верхние плоскости корпусов подшипников или непосредственно обрабатываемая поверхность.

5. Установлено, что на точность формы образующих поверхностей качения, оказывают влияние: деформации в технологической системе (опорный ролик — сменная технологическая наладка — станок — инструментобрабатываемое изделие) — погрешность изготовления и установки станкапогрешность, связанная с размерным износом инструмента. Разработаны математические модели, позволяющие исследовать процесс формирования образующих поверхностей качения при их обработке мобильным оборудованием.

6. Выявлены факторы, оказывающие влияние на элементарные составляющие погрешности образующих и удобные для варьирования на практике: глубина резания и подачапредварительное смещение стоек станка в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Разработана методика назначения этих параметров для поверхностей качения опор при наличии поворота их осей для различных схем базирования мобильного оборудования, и получены номограммы, позволяющие задавать оптимальные их значения для достижения необходимых условий контакта. Введены поправочные коэффициенты на размерную стойкость инструмента, учитывающие: соотношение геометрии инструмента с их оптимальными значениями, твердость поверхности и прерывистость резания.

7. Разработаны математические модели формирования погрешности направляющих поверхностей качения бандажей при их обработке по различным схемам базирования мобильного оборудования. Установлено, что существенное влияние на формирование погрешности обработки оказывает: глубина резанияугол расположения режущего инструмента относительно опорных роликов.

8. Установлено, что при обработке бандажа в зоне I широкий диапазон изменения глубины резания и расположения инструмента обеспечивает устойчивый характер исправления формы. В зонах II или III имеют место диапазоны задания глубины резания: менее 0,3ECR и более 0,7ECR — для единичной впадины на поверхности каченияменее 0,1ECR (для зоны II) и менее 0,3ECR (для зоны III), а так же более 0,6ECR — при единичном выступе. Получены также диаграммы, определяющие оптимальные геометрические и технологические параметры для других характерных видов дефектов исходной поверхности и схем обработки бандажей.

9. Разработана адаптивная технологическая система, позволяющая осуществить обработку поверхностей качения бандажа при нестабильных схемах базирования их на опорных роликах, а также в зонах II, III или IV, когда имеют место значительные по величине исходные дефекты поверхности качения. Получены оптимальные значения параметров системы: межосевой размер роликов — 1300 ммглубина резания — 0,95У&bdquo- - для адаптивной технологической системы с двумя роликами- 1037 мм — размер траверсы- 222 мм — размер между осями блоков роликов- 0,8Jn — для глубины резания — для адаптивной технологической системы с роликовыми блоками. Разработаны математические модели, получены диаграммы, по которым можно установить оптимальные геометрические и технологические параметры системы, при которых обеспечивается исправление определенной исходной формы поверхности, при минимальном съеме припуска.

10. Разработана конструкция специального переносного встраиваемого станка и средств технологического оснащения. Научное обоснование этих решений позволило получить их рациональные конструкции и реализовать разработанную технологию, позволяющую обеспечивать необходимую форму и условия контакта опор крупногабаритных ТБ при повороте их осей. Конструкция станка внесена в каталог металлорежущего оборудования РФ и имеет сертификат соответствия.

11. Разработанная технология обработки поверхностей качения опор ТБ мобильным оборудованием, созданным в БГТУ им. В. Г. Шухова внедрены в: ОАО «Белцемент», ОАО «Осколцемент», АО «Воскресенскцемент», цементном заводе «Гигант», Рыбницком цемептно-шиферном комбинате, АО «Невский ламинат» и других предприятиях различных отраслей промышленности, эксплуатирующих подобные агрегаты. Технология и оборудование тиражируется и внедряется по заказам предприятий. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 415 млн. рублей.