CC BY
11
УДК 676.163.022;62-932
Д-р техн. наук Г. И. Нечаев1, д-р техн. наук Г. И. Камель2, А. Г. Яковлева2
1 Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, г. Луганск, 2 Национальный технический университет, г. Запорожье
КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОЙ ВАРКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
В данной статье приведена концепция повышения технико-экономической эффективности транспортно-загрузочной системы за счет оптимизации функциональных, эксплуатационных, конструктивных и технологических параметров.
Введение
Транспортно - загрузочная система (ТЗС) относится к нетрадиционному виду транспорта. Она работает в экстремальных условиях: 1) непрерывна, в течении года, загрузка варочного котла древесной щепой с помощью щёлочи с температурой 160-180 °С; 2) подача щепы в верхнюю часть варочного котла на высоту 6080 м; 3) гидросмесь в котле находится под давлением 1,2 МПа %;
Из-за внеплановых остановок механического оборудования ТЗС имеют место простои варочного котла и снижение количества целлюлозы, а, следовательно, и бумаги. Основой ТЗС являются конические роторные питатели низкого и высокого давления. На их долю приходится 85 % всех неплановых остановок механического оборудования.
Цель работы
Разработка концепции повышения технико-экономической эффективности ТЗС загрузки варочного котла древесной щепой, за счёт оптимизации функциональных, эксплуатационных, технологических параметров и конструктивных усовершенствований конических трибоузлов ТЗС.
Материалы и результаты исследований
Разработка концепции и методологии повышения технико-экономической эффективности ТЗС непрерывной варки целлюлозы приведена на рис. 1, и состоит из семи блоков, связанных между собой последовательными и параллельными связями.
1. Разработка структурно-алгоритмической схемы и математической модели ТЗС. На базе процессов механики, электромеханики и электротехники разработаны и определены динамические модели всех звеньев (ленточный конвейер, бункер, питатели низкого и высокого давлений, пропарочная камера, питательная труба, загрузочное устройство варочного котла) ТЗС. Математические модели всех звеньев приводили
к единой математической модели и структурно-алгоритмической схеме путём исключения промежуточных переменных с использованием математического аппарата операционного исчисления в форме преобразований Лапласа [1]
Щ (р) = Щ (р) ■ W2 (р) ■ Щ (р) ■ W4 (р) ■ Щ (р) х х__х
1 + Щ,( р) ■Щ6( р) ■Щ7( р) х Щц( р)
1 + Wn(p) -W9(p) •Ww(p)
•W12( p),
(1)
где Р = ША - оператор Лапласа; Т - постоянная переменная; К - коэффициенты передачи.
На основании математической модели (1) и структурно-алгоритмической схемы [1] установлено: 1) две вспомогательные отрицательные связи циркуляции щёлочи низкого и высокого давлений, с помощью которых выполняется загрузка щепы в карманы вращающегося ротора при низком и высоком давлениях; 2) главной отрицательной связи - влияния частоты вращения ротора дозатора щепы на динамику процессора загрузки варочного котла щепой.
2. Определение и оптимизация функциональных параметров ТЗС. Все технологические операции выполняются трубопроводным гидротранспортом, с помощью роторных питателей высокого давления (ПВД). Роторы ПВД выполняют следующие функции: 1) полную автоматизацию всех процессов загрузки трубопроводной транспортной системы; 2) циркуляцию щёлочи низкого (0,15 МПа) и высокого (1,2 МПа) давлений; 3) загрузку щепой карманов, вращающегося ротора ПВД в вертикальной плоскости; 4) выгрузку щепы из карманов ротора ПВД в горизонтальной плоскости; 5) загрузку щепой циркулирующей щёлочью высокого давления верхнии части варочного котла; 6) формирование гидросмеси из двух потоков щепы и
© Г. И. Нечаев, Г. И. Камель, А. Г. Яковлева, 2006
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006
85
Рис. 1. Структурная схема концепции повышения технико-экономической эффективности гидравлической ТЗС
щёлочи в питательной трубе; 7) выравнивание концентрации щепы в питательной трубе; 8) обеспечивает постоянную скорость и расход щёлочи, щепы и гидросмеси в линиях циркуляции щёлочи низкого и высокого давления; 9) постоянную суммарную площадь окон загрузки (25 %) и выгрузки (15 %) ПВД достигающую 40 % общей конической площади сопряжения; 10) запорного устройства, обеспечивающее автономную работу двух секций ротора и корпуса ПВД и отделяющие область варочного котла (1,2 МПа) от области загрузки - низкого давления (0,15 МПа). На выполнение функции запорного устройства приходится 50 % всех конических поверхностей, из которых 10 % используется для формирования гидроударов - процесс резкого возрастания давления в кармане ротора; 10) протечки щёлочи через подвижные зазоры между вращающимся ротором и корпусом; 11) режущего механизма - срезание щепы попавших в зазор между кромками ротора и задней стенкой сит корпуса.
3. Декомпозиция функциональных параметров на конических поверхностях роторных питателей ТЗС. В настоящее время согласно работе Костецкого [2] в современных автоматизированных технологических процессах ТЗС фирмы Камюр, Пандия и Бауэр широко используются конические трибосистемы. В процессе эксплуатации они обеспечивают: 1) равномерный износ сопрягаемых конических деталей, из которых одна вращается - ротор, а вторая деталь неподвижна -корпус; 2) постоянную компенсацию зазора, между ротором и корпусом, образующегося в результате износа. Однако в литературных источниках отсутствует ин-
формация [2] - какие функции выполняет в процессе эксплуатации конические трибосистемы в частности на роторных питателях высокого давления.
Целью работы является выяснение как используются рабочие конические поверхности ротора и корпуса и какие функциональные параметры выполняются на их поверхностях.
С этой целью впервые была разработана декомпозиция функциональных параметров на конических поверхностях трибосистемы. Условно все конические поверхности были разделены на три характерных участка:
I-й участок площадью 40 % на нем осуществляется загрузка (выгрузка) щепы карманов, вращающегося ротора с последующей транспортировкой щепы в варочный котёл. Получены математические модели: 1) производительности и скорости перемещения гидросмеси через питатель; 2) расчёт пропускной способности гидросмеси через питатель; 3) формирование гидросмеси; 4) выравнивание концентрации щепы в гидросмеси в начале и в конце загрузки корма ротора.
II-й участок площадью 50 % - выполняются вспомогательные функции запорного устройства. Получены математические модели прохождения протечек щелочи через зазоры в питателе; формирование гидроударов и вибраций в питателе, под действием которых происходит формирование индикаторных рисунков износа на конических поверхностях.
III-й участок площадью 10 % - это основание и средние перемычки ротора и корпуса на этих участках в течении всего времени эксплуатации сохраняет-
ся постоянная конусность, которая позволяет постоянно компенсировать критический зазор при граничном трении, или осуществлять принудительную микротолчковую компенсацию зазора при жидкостном трении.
4. Анализ механизмов износа и закономерностей формирования индикаторных рисунков на конических поверхностях трибоузлахроторных питателях ТЗС. Изнашивание - основной фактор, ограничивающий срок службы роторных питателей ЗТС. Каким видам изнашивания подвергаются рабочие конические поверхности роторных питателей в технической литературе отсутствует. На основании оптимизации функциональных параметров и их декомпозиции сделан анализ механизмов износа. В порядке убывания все виды изнашивания можно расположить в ряд: 1) гидроабразивный; 2) абразивный при срезании щепы; 3) удар -но-гидроабразивный; 4) абразивный; 5) коррозионный; 6) абразивный износ при заедании.
Из рис. 2 видно, что коррозионный износ (кривая 1) распределяется равномерно. На передней поверхности ротора имеет место как абразивный износ, (кривая 2), так и износ в результате срезания щепы (кривая 3). На задней кромке ротора имеет место ударно -абразивный износ (кривая 4). На всей поверхности имеет место гидроабразивный износ при малых углах атаки (кривая). Если суммировать все виды износа по длине окружности ротора, то мы получим кривую 6.
5. Совершенствование конструкции деталей и узлов конических трибоузлов ТЗС. Получен, проанализирован и обобщен новый экспериментальный материал, который позволяет с использованием теоретических положений разработать ряд конструктивных решений, направленных на повышение надежности и производительности питателей путем:
- сокращение числа переточек рубашки (а. с. № 1612019, 1008317, 947245, 1194932);
Рис. 2. Распределение износа по рабочей поверхности ротора: 1 - коррозионный износ; 2 - абразивный износ передней поверхности ротора; 3 - износ передней поверхности ротора при срезании щепы; 4 - ударно-абразивный износ задней поверхности ротора; 5 - гидроабразивный износ при малых углах атаки; 6 - суммарный износ рабочей поверхности ротора
- улучшение свойств режущего механизма (а. с. № 1375705);
- использование в питателе Камюр жесткой решетки и гибких элементов (а. с. №1375705);
- устройства для снижение гидрударов в питателе Камюр (а. с. № 1194932);
- введение формирующего устройства с целью ускорения процесса выгрузки из карманов ротора мелкой щепки и опилок;
- увеличение объемов карманов ротора за счет введения ребер жесткости и облицовочного коррозионного слоя, расположение перегородок под углом к радиальной плоскости (а. с. № 1294893).
Дана технико-экономическая оценка и показано практическое внедрение разработок:
- внедрена измененная конусность 1/15 вместо 1/20 на Котласском и Архангельском ЦБК, которое позволило увеличить срок службы питателей в 1,25-1,5 раза;
- внедрена увеличенная со 100 до 125 мм присадка ротора на Архангельском ЦБК, которая дала увеличение срока службы на 25 %;
- внедрена ступенчатая конструкция рубашки корпуса на Архангельском ЦБК, которая снизила массу рубашки на 35 %;
- испытана партия износостойких и дешевых втулок на Архангельском ЦБК. Вместо дорогой втулки с монель-металла (50 % миди и 48 % никеля). Внедрение этих материалов с 1990 по 2000 г. дало экономический эффект более 2 миллионов долларов;
- на всех предприятиях области внедрена автоматическая наплавка ротора. Сроки наплавки сократились с 15 суток до одних;
- на всех предприятиях области введена термообработка роторов с последующим их ультразвуковым контролем. Внедрение этих мероприятий позволило целиком устранить разрушение роторов в процессе эксплуатации;
- основные разработки концепции защищены изобретениями (17 авторских свидетельств и четыре патента Украины) и реализованы на многих предприятиях отрасли (Херсонском, Архангельском, Котласском, Пермском, Сегежском ЦБК, Братском, Сыктывкарском ЛПК).
6. Оптимизация эксплуатационных параметров ТЗС. Экспериментальным путем установлено и теоретически подтверждено наличие циклически повторяющих режимов эксплуатации роторных питателей: стабильный продолжительностью 1,0-7,0 суток и нестабильный (патологический) продолжительностью 0,5-2 мин. Нестабильный режим эксплуатации происходит при ККЗ. Вместо ККЗ разработана новая схема ПМКТКЗ, что позволяет: снизить интенсивность износа деталей, которые соединяются в 12-25 раз; увеличить срок службы в 2-4 раза, уменьшить погрузки на привод ротора в 2-3 раза, заменить граничное трение жидкостным трением, снизить требования к выбору антифрикционной пары материалов ротора, корпуса.
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006
87
Разработаны теоретические основы построения циклограмм роторных питателей:
- предложены математические зависимости для определения продолжительности технологических операций за цикл работы питателя;
- выполнен сравнительный анализ циклограмм питателей разной производительности, которые позволяют оценить их эффективность из позиций производительности и сложности управления технологическим циклом;
- предложена классификация питателей по группам в зависимости от соотношения времени загрузки и разгрузки.
Исследована и определена оптимальная частота вращения ротора питателя, обеспечивающая максимальную производительность ТЗС.
7. Оптимизация технологических параметров питателей ТЗС. Экспериментальным путем установлены оптимальные режимы восстановления деталей и узлов роторных питателей при изготовлении и ремонте:
1) Схема ремонта с многослойной расходуемой рубашкой (корпус с запрессованной расходуемой рубашкой; "родно" наплавляемый ротор с использованием заглушек для автоматической наплавки; замена расходуемой рубашки; снятие многослойной наплавки);
2) Схема ремонта без наплавки (корпус с запрессованной расходуемой рубашкой; выбор из большого числа по размеру роторов для рубашки корпуса);
3) Схема ремонта с комбинированной наплавкой (корпус с запрессованной расходуемой рубашкой; "родной" ротор с использованием комбинированной рубашки из листового материала; последовательный
износ рубашки и наращивание на ротор рубашки; замена израсходованной рубашки и снятия комбинированных рубашек с ротора.
Выводы
1.В работе решена важная для народного хозяйства Украины проблема повышения эффективности использования конических трибоузлов в автоматизированных транспортно-загрузочных системах.
2. Разработана концепция и решена проблема повышения эффективности транспортно-загрузочной системы за счет оптимизации функциональных, эксплуатационных, конструктивных и технологических параметров.
3. Разработаны методы повышения эффективности функционирования транспортно-загрузочной системы за счет использования высоконадежных, продуктивных и безаварийных конических трибосистем.
4. Обработка экспериментальных данных, полученных на действующих установках Камюр, Пондия и Бауэр раскрыла новые перспективные направления в совершенствовании функциональных, эксплуатационных, конструктивных и технологических характеристик конических трибоузлов.
Список литературы
1. Нечаев Г.И., Камель Г.И. Повышение надежности и продуктивности загрузочных устройств непрерывной варки целлюлозы и полуцеллюлозы. - Монография. - Луганск: ВНУ им. В. Даля, 2005. - 392 с.
2. Трение, изнашивание и смазка /Справочник. Под общей редакцией Крегельского Н.В., Алисина В.В. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.
Одержано 11.07.2006
У данiй cmammi наведено концепцЮ пiдвищення mexHiKO-eKOHOMiHHO'i ефективностi транспортно-завантажувально'1 системи шляхом onmuMi3a^'i функцiональних, конструктивних, експлуатацiйних i технологiчних параметрiв.
The conception of technical-economical effectiveness of transport load system due to optimization offunctional, exploitation, constructive and technological parameters was shown.
