CC BY
27
УДК 531.43.46
Сергеев С.В., Решетников Б.А., Сергеев Ю.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОТЫ РОТОРНЫХ ИНЕРЦИОННЫХ ВИБРОПРИВОДОВ *
Во многих отраслях современной промышленной индустрии в настоящее время для интенсификации технологических процессов используются вибрационные машины. Многопрофильное использование вибрационных машин при выполнении большого многообразия технологических задач обусловливает разнообразие их конструкций, широкие диапазоны размеров и мощностей, а также применение различных методов и средств возбуждения вибраций.
Важным конструктивным элементом вибра-ционных машин являются вибровозбудигели, задающие форму траектории, закон изменения скорости и ускорения рабочего органа, которые зависят как от геометрических размеров звеньев машины и от характера возмущения вибраций, так и от динамических параметров процессов, происходящих в опорных узлах машин. Поэтому важной задачей является исследование процесса износа и динамических нагрузок в опорных уз -лах в ибро воз б уд иге лей с целью улучшения технологических возможностей вибрационных ма-шин и увеличения срока их службы.
Из существующих типов вибровозбудигелей наибольшее применение, вследствии простоты конструкции и относительно широкого диапазона параметров генерируемых колебаний, получили дебалансные вибровозбудигели [1]. К их недостаткам можно отнести отсутствие возможности регулирования параметров колебаний (форма, частота, амплитуда), а также то обстоятельство, что с увеличением частоты колебаний и скоростей вращения резко снижается долговечность опорных узлов. Для получения регулируемых колебаний рекомендуется использовать универсальные роторные вибровозбудигели [1, 2], главным недос-татком которых являются значительные нагрузки в опорных узлах.
Сравнительная оценка распределения нагрузок в дебалансных и роторных системах при одинаковой величине создаваемой вынуждаю-
щей силы показана на рис. 1, 2. Очеввдно, что в роторных системах распределение нагрузок в опорах гораздо благоприятнее, чем в дебалансных. С целью устранения указанных недостатков была поставлена задача разработки роторных инерционных систем, позволяющих существенно снизить нагрузки в опорных узлах и расширить диапазон регулирования параметров колебаний.
Для решения поставленной задачи была разработана конструкция усовершенствованного роторного инерционного вибровоз будите ля повышенной мощности [3], в котором способ воз-
данная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-технической работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки РФ по теме «Технология переработки промышленных и бытовых отходов» при финансовой поддержке РФФИ (проект №07-01-96-052) на 2007-2008 годы.
2
б
Рис. 1. Распределение нагрузок в дебалансных вибровозбудителях: а - с одним дебалансом; б - с двумя дебалансами
2 •1 ■ т 'Лор
Р2 ОС + ]
4 • 12 • т2 2 о т вр
Рис. 2. Распределение нагрузок в роторных вибровозбудителях
буждения колебаний заключается в том, что вращаемое тело 1 (ротор) и конгртело 2 (рис. 3) сопрягаются с тарированной силой прижима РОС так, чтобы область контакта имела замкнутую форму с поворотной симметрией.
Каждое из сопрягаемых тел приводят во вращение оз вр вокруг оси поворотной симметрии об -ласти контакта, при этом частотой колебательных движений управляют по соотношению
где I - 1Х +12 ;
т = шх + т2;
] = к + л;
а =а ,±а п,
вр вр\ вр 2 ’
а их амплитудой по соотношению
в
р =
2 -т
где р = рг =р2.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6) (7)
а\б\ У
Рис. 3. Схема роторного инерционного вибровозбудителя
Синхронизация колебаний центров тяжести ротора и контртела достигается за счет неголо-номной связи ротора и конгртела в точке их кон -такта, которая создает эффект их слияния в одну целую кинематически неуравновешенную массу. При этом создается суммарная вынуждающая сила, амплитудное значение которой равно
^ = /<[ + ^2 = т -р-о2, (8)
приводящая к более благоприятному распределению нагрузок в опорных узлах роторного инерционного вибровозбудигеля повышенной мощности, показаного на рис. 4.
Экспериментальные исследования предложенного вибровозбудигеля показали его преимущества по сравнению с существующими. А именно на рис. 5 приве-дены результаты экспериментальных исследований рассматриваемой конст-
рукции, в частности сравниваются экспериментальные зависимости частот «;, т2 и амплитуд рг, р2 колебаний роторов с их теоре-тическими зависимостями Ют, Рт при изменении ре -жимов настройки: осевого усилия Рос и скорости вращения пВр2 конгртела.
Рис. 4. Распределение нагрузок в роторном инерционном вибровозбудителе повышенной мощности
Предлагаемая конструкция вибровозбудигеля существенно лучше существующих, поскольку максимальная нагрузка на опоры меньше, чем у дебалансных вибровозбудигелей за счет влияния суммарной силы упругости 7^0 роторов, а возможности регулирования параметров колебаний шире, чем у роторных вибровозбудигелей, так как в предлагаемой конструкции возможно раздельное регулирование частоты и амплитуды колебаний в широких пределах (см. рис. 5).
С точки зрения надежности работы роторных вибровозбудигелей наиболее неблагоприятным участком в системе возбуждения колебаний является область взаимодействия вращаемого тела (ротора) и конгртела вследствие ожвдаемого из -
носа последнего, что может повлечь за собой нежелаемое изменение установленных значений амплитуды и частоты круговых колебаний и всего режима работы вибровозбудигеля в целом. В связи с этим важно уметь определять время безотказной работы вибровозбудигеля в установленном режиме с одного установа до последующей замены контртела.
Для оценки долговечности работы роторных возбудителей по критерию износа поверхностей ротора и контртела, вследствие их контактного силового взаимодействия, необходимо вначале выявить, какие изменения внесет износ этих поверхностей в математические модели круговых колебаний рассматриваемых вибровозбудигелей
Если на поверхностях ротора и контртела в зоне их сопряжения произойдет износ общей высотой Ии (рис. 6), то в выражениях (1), (6) произойдет изменение осевого усилия, а следовательно, частоты оз и амплитуды р колебаний вибровозбудигеля. Если контактная поверхность ротора 1 будет иметь износостойкость значительно большую, нежели поверхность конгртела 2 (одновременный износ и ротора и конгртела нежелателен вследствие большей трудоемкости изготовления), то износ будет происходить толь -ко по поверхности контртела.
Из выражений (1) и (6) для частоты и амплитуды круговых колебаний вибровозбудигеля видно, что с уменьшением осевого усилия (происходящим вследствие износа поверхности контртела) частота колебаний ротора уменьшается, а их амплитуда увеличивается. Исходя из этого, можно предположить форму сечения круговой лунки, образующейся в контртеле, вследствие его износа.
На рис. 7 представлено сечение лунки в момент, когда длина участка АВ меньше ширины а
Рис. 5. Зависимости параметров колебаний от режимов настройки: а - скорости вращения контртела; б - осевого усилия
Рис. 7. Форма сечения круговой лунки
рабочей поверхности ротора (см. рис. 6), равной
D - D
a = ■
2
(9)
Участки износа BCD и AB образуются различ-ными поверхностями ротора и различными вида -ми скольжения. Рассмотрим их в отдельности.
Износ на участке BCD будет происходить вследствиитрения качения при движении ротора по окружности радиуса Rk
і? D Rk =-Z-P .
(10)
Путь скольжения (длина дуги) за один период круговых колебаний ротора равен
Lc =
(
2 •
1 - cos
V 2 ■ Rk J)
(11)
где k - коэффициент трения качения.
Скорость скольжения Vc определяется из условия, что путь скольжения Lc преодолевается за время, равное
t =
2 • k
D -ф
вр
тогда
Vc =■
D-ф
(
2 •
1 - cos
V 2 ■ Rk J)
(12)
(13)
Данное скольжение, характеризуемое величинами Lc и Ус, вызывает износ контртела на участке ВС (см. рис. 7), длина которого равна радиусу закругления у ротора
ВС = г3.
(14)
Из всего изложенного можно сделать вывод о том, что рассматриваемый процесс скольжения ротора по конгртелу адекватен тому, что за один период колебаний ротора площадь поверхности конгртела, ограниченная окружностями с радиусами, равными Як и (Як~Гз), проходит путь скольжения, равныйLc, со скоростью Ус.
Геометрическим скольжением на участке АВ можно пренебречь при оценке долговечности работы вибровозбудигеля по критерию изнашивания контртела, так как износ на этом участке ограничивается износом на участке ВС и лишь вызовет необходимость введения соответствующего запаса при расчете мощности привода виб-ровозбудигеля для восстановления потерь энергии, вызванных трением скольжения.
Изучив модели изнашивания контртела в процессе планетарного движения по нему ротора, вернемся к задаче исследования, связанной с безотказностью работы вибровозбудигеля. Установим критерий, по которому можно будет опре-делить максимально возможный износ поверхности конгртела, при котором изменений в режиме работы вибровозбудигеля не будет.
Было установлено, что изнашивание контртела вызывает уменьшение осевого усилия Рос, которое вызывает увеличение амплитуды и уменьшение частоты круговых колебаний ротора, критерием может служить возможное изменение амплитуды р и частоты а колебаний ротора.
Предположим, что увеличение амплитуды на п(%) и уменьшение частоты круговых колебаний ротора на т(%) будет критическим для выбранного режима работы вибровозбудигеля, а следовательно , эти изменения будут адекватны критическому уменьшению осевого усилия на 5Р (%) и 50} (%) соответственно.
Выражения (1) и (6) для частоты и амплитуды колебаний роторного вибровозбудигеля с учетом критических значений будут следующими:
( (
3 =
ф2-I 1 -
1 --
л2 • ^
_L
100 J m j
■фер • т•1
ф -I 1 -
m
100
■Р„
•100; (15)
$Р =
( С
1 -
• в2
4-р2-I 1 +
2 • р-т • І-I 1 +
п
100
£ • Р.
ос
т
•100.
Меньшее из значений 80] и 5Р и будет критическим процентным числом 5 для осевого усилия Рос. Значение [И] (см. рис. 7) будет для заданных значений п(%) и т(%) предельно допускаемой высотой износа контртела.
При известном значении износостойкости В материала конгртела, равном отношению работы сил трения к массе продуктов износа, определим допустимую массу продуктов износа, ограниченную высотой износа [И], работу сил трения для износа этой массы и время, через которое износ достигает высоты [И] - время безотказной работы вибровозбудигеля [4].
Массу продуктов износа определим из равенства
тИЗ =Гк -VИЗ ,
(17)
где ук - плотность материала контртела; уИз -объем износа.
Если В - известная износостойкость материала конгртела в данных условиях трения, то работа сил трения, необходимая для удаления предельной массы продуктов износа тИЗ, равна
А = В ■ т
ИЗ ■
(18)
(16)
Учитывая, что за один период колебаний ротора площадь поверхности трения ^ проходит путь скольжения, равный Ьс согласно (11), т. е. за время, равное
і =
2-п
(19)
получим искомое выражение для времени безот-казной работы вибровозбудигеля
^ _ 2 • В -к- тИЗ ■ к -5 Р<ЭС ' ' /ск ' ® ' Ьс
(20)
где/ск — коэффициент трения скольжения.
В течение этого времени вибровозбудигель будет способен поддерживать заданные режимы (амплитуду р и частоту вынужденных колебаний со) с параметрами (допусками 5Р, 5а), установленными техническими требованиями, без пере -рывов для технического обслуживания и ремонтов, т.е. в течение времени безотказной работы
Рис. 8. Экспериментальная установка
вибровозбудигеля, учитывающим только изнашивание трущейся поверхности контртела.
Точность математических моделей разработанного вибровозбудигеля была доказана в ходе экспериментальных исследований на установке, показанной на рис. 8, при этом теоретически время безотказной работы составляет 4320 ч, что примерно на 30% превышает время безотказной работы у аналогичных машин.
Рассмотренный универсальный роторный виб-ровозбудигель повышенной мощности, по сравне-нию с дебалансными и простыми роторными системами, обладает следующими преимуществами: возможностью раздельного регулирования частоты колебаний в диапазоне 0... 3000 Гц и ам-
плигуды колебаний в диапазоне 0...30 мм; сниженными на 20% нагрузками на опорные узлы; повышенной долговечностью; возможностью управления двумя и более колебательными системами с раз личными характеристиками; простотой конструкции и настройки.
В связи с этим широкая универсальность вибровозбудигелей с широкими технологиче-скими возможностями позволяет использовать их в качестве источников колебаний в вибрационных машинах различного назначения и мощности с повышением производительности работ и качества выпускаемой продукции
Библиографический список
1. Сергеев, С.В. Повышение эффективности вибрационных процессов при механической обработке различных материалов: монография / С.В. Сергеев. Челябинск: Изд-воЮУрГУ, 2004. 262 с.
2. А.с. 1664412 Российская Федерация, МПК7 В 06 В 1/16. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. № 4414912/24-28; заявл. 24.04.1988; опубл. 23.07.1991, Бюл. № 27. 5 с.
3. Пат. 2213618 Российская Федерация, М ПК7 В 02 С 19/00. Способ и устройство измельчения материалов / С.В. Сергеев,
Р.Г. Закиров, Е.Н. Гордеев, Б.А. Решетников. № 2002102797/03; заявл. 31.01.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. № 28. 6 с.
4. Иванов, М .Н. Детали машин: учебник для студентов высших техн. учебных заведений / М .Н. Иванов. 5-е изд., перераб.
М.: Высш. шк., 1991. 383 с.
УДК 669.462
Салганик В.М., Денисов С.В.
РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА РУЛОННОГО ПРОКАТА КЛАССОВ ПРОЧНОСТИ Х60-Х70 ТОЛЩИНОЙ БОЛЕЕ 12 ММ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ
Для расширения рынков сбыта стали для трубной промышленности как в России, так и за рубежом в ОАО «ММК» приступили к разработ-ке технологии производства полос класса прочности Х60, Х65 и Х70 толщиной более 12 мм.
Требования по химическому составу к прокату классов прочности X60, Х65 и Х70 представлены в табл. 1 [1].
Требуемые механические свойства проката класса прочности Х60, Х65 и Х70 представлены в табл. 2 [1].
Большой объем производства проката для трубной промышленности вызывает необходимость при разработке состава сталей для этого назначения ориентироваться на дешевые и неде-фицигные легирующие элементы. Технология же изготовления металла должна быть относительно простой и экономичной (табл. 3) [2].
Таким образом, для обеспечения конкуренго-
способности конструкционного проката его необ-ходимо производить методом контролируемой прокатки в сочетании с ускоренным охлаждением.
Технология контролируемой прокатки включает следующие основные этапы: выбор соответствующего химического состава стали; нагрев слябов с контролируемой температурой, обеспе-чивающей оптимальную степень растворения кар-бонигридов и относительно мелкое и однородное зерно аустенигной фазы перед прокаткой; измельчение зерен аустенигной фазы за счет многократной предварительной деформации и рекристаллизации; междеформационная пауза с охлаждением (желательно ускоренным) до температуры, при которой существенно заторможены процессы рекристаллизации аустенига; финальная деформация аустенига с суммарным обжатием 50-80% при температурах ниже температуры его рекристалли-
