CC BY
33
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып.№9
2000г.
УДК 669.02/.09
Артюх В.Г.1
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН ОТ ПОЛОМОК
Рассмотрены три основных направления защиты металлургических машин от поломок. Выделены оптимальные варианты защиты для эксплуатирующегося и вновь проектируемого оборудования. Поставлены задачи для дальнейших исследований.
Механическое оборудование металлургических заводов отличается самой высокой динамичностью и аварийностью среди всех тяжелых машин. Аварии вызываются технологическими перегрузками при нарушениях режима работы оборудования, ошибках операторов, нарушениях температурного режима и т. д. Поломки деталей оборудования считаются рядовым событием, т.к. нагрузки на узлы машин носят ударный и колебательный характер [1].Убытки металлургических комбинатов от поломок оборудования составляют десятки миллионов гривен в год. В структуре каждого металлургического предприятия, по существу, имеется свой машиностроительный завод, назначение которого - восстанавливать работоспособность металлургических машин после поломок или преждевременного износа их деталей [2].
Однако перегрузки не всегда приводят к поломкам. Это зависит от способности приводов преодолеть перегрузки и разрушить слабые звенья оборудования. Поскольку перегрузки практически не исключены, основная задача системы защиты машин от поломок - не допустить, чтобы перегрузки вызывали аварийные поломки, обусловленные работой привода [3].
В работе [4] дано условие безаварийной работы прокатного оборудования в случае полной остановки в момент захвата:
\¥+Т< Е + Ф+П, (1)
где - работа, совершаемая двигателем;
Т - кинетическая энергия движущихся частей привода;
Е - энергия деформирования (сопротивления) того, что вызвало остановку привода (например, прокатываемого металла);
Ф - энергия потерь на трение в опорах;
П - максимально допустимая потенциальная энергия упругой деформации звеньев главной линии.
Следует отметить, что формула (1) не учитывает многих особенностей нагружения (например, нагружение в главных линиях листовых станов сопровождается интенсивными колебаниями на участке захвата), наличия в приводе демпфирующих или предохранительных устройств со значительным рассеянием энергии и т.д.
Эта формула скорее дает приближенную качественную оценку динамичности привода и на этом уровне позволяет дать анализ возможных путей его совершенствования, причем в такой постановке условие (1) с различными вариантами упрощений можно распространить на все металлургические машины.
В самых опасных случаях перегрузок (холодный раскат, работа на упор, складка на прокатываемой полосе и т.д.)условие (1) можно упростить (ужесточить). С одной стороны, в условиях очень кратковременного перегруза можно пренебречь работой приводного двигателя (подтверждение этому есть на осциллограммах [3]), с другой стороны - пренебречь полезной работой и работой трения. Тогда для предварительного анализа остается условие:
т<;п. (2)
1 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преп.
Это условие естественной безаварийности главной линии привода любой металлургической машины. Машины, удовлетворяющие условию (2), относятся к весьма небольшой группе машин, не нуждающихся в специальной защите от поломок. Для этой группы машин необходима лишь максимальная токовая защита обмоток электродвигателя, которая осуществляется при помощи выключателя автоматического быстродействующего (ВАБ).
Еще одно обстоятельство связано с отключением двигателя, характерным для малоинерционных машин, например, реверсивных обжимных станов. На этапе нагружения (при росте момента сил упругости в главной линии) для этих машин нельзя пренебрегать величиной W, в противном случае двигатель при перегрузе в период захватов не отключался бы. После отключения двигателя условие (2) более пригодно для проверки аварийности привода, при этом параметры Т и П приобретают новый смысл:
TBbIK<IW, (3)
где Твык - кинетическая энергия движущихся масс привода на момент отключения двигателя (она, естественно, меньше, чем первоначальная энергия Т);
Пост. - потенциальная энергия, которую привод в состоянии еще (после отключения) получить без разрушения деталей.
Если
Т>П, (4)
т.е. кинетическая энергия движущихся частей превышает максимально допустимую потенциальную энергию упругой деформации звеньев кинематической цепи привода, то поломка неизбежна. Машины, для которых имеет место условие (4), относятся к очень обширной группе машин, нуждающихся как в максимальной токовой защите (которая, по сути, -защищает лишь сам электродвигатель), так и в специально разработанной системе защиты от поломок.
Из неравенств (2) и (4) вытекают основные направления борьбы с аварийными поломками.
1. Уменьшение кинетической энергии Т движущихся частей привода. Это направление связано с вопросом коренной модернизации приводов с целью резкого снижения их кинетической энергии как одной из причин аварийности. Поставленная цель осуществляется переходом на безредукторный привод, максимальным снижением быстроходности двигателей, переходом на двигатели в двухъякорном исполнении с целью уменьшения их момента инерции, отказом от маховиков (где это возможно) и г. д. Снижение числа оборотов двигателей от 550... 1100 об/мин., ¡ред=150 на первом советском слябинге 1100 комбината "Запорожсталь" до 25...30 об/мин., ipe, =2,46 на третьем советском слябинге 1250, несмотря на увеличение мощности привода в 5,5 раз, позволило уменьшить кинетическую энергию привода в 8,5 раз, а удельную энергию в 48 раз [5]. Еще более эффективным оказался перевод ножниц 1000 т. блюминга 1200 Карагандинского металлургического комбината на безредукторный привод, при котором кинетическая энергия привода уменьшилась в 34 раза.
Предложенное направление борьбы с аварийными поломками ввиду своей дороговизны в настоящий момент может быть предложено лишь для вновь проектируемого оборудования. Для существующего оборудования необходимы более экономичные направления.
2. Увеличение потенциальной энергии упругой деформации звеньев главной линии привода. Это направление подразумевает установку в главной линии специальных упругих элементов (например, валов или муфт), предназначенных для поглощения кинетической энергии Т движущихся масс привода. Условие (2) можно в таком случае записать в виде:
ТЛП,+П2, (5)
где ni - потенциальная энергия упругой деформации звеньев главной линии привода без упругого элемента;
П2 - потенциальная энергия деформации упругого элемента.
Таким образом, требуемая энергоемкость упругого элемента:
Г12>Т-П,. (6)
Основная проблема в данном случае заключается в том, что энергоемкость существующих упругих муфт существенно (на два порядка) меньше необходимой П2 [2]. Однако в лаборатории "Сопротивление материалов" Приазовского гостехуниверситета спроектированы новые
конструкции упругих муфт и валов повышенной энергоемкости, описанные в работах [6,7]. Упругие валы внедрены в приводе подавателя заготовок цеха рельсовых скреплений МК "Азовсталь" В настоящее время внедрение упругих валов осуществляется в рельсобалочном цехе этого же комбината.
Важным требованием, предъявляемым к упругим элементам, установленным в главной линии привода, является их высокая демпфирующая способность. Значительная часть поглощенной упругим элементом энергии не должна вновь возвращаться в главную линию, иначе это будет вызывать раскручивание главной линии в обратную рабочему направлению движения сторону. Высокой демпфирующей способностью обладают упругие элементы, выполненные из эластомеров (резин, полиуретанов). Такие упругие элементы спроектированы на кафедре ПГС и СМ ПГТУ и внедрены на различных металлургических комбинатах Украины [8,9].
Второе направление борьбы с аварийными поломками применимо для эксплуатирующихся металлургических машин, однако установка в главных линиях мощных упругих валов из эластомеров сопряжена со значительными конструктивными трудностями. Кроме того, такие валы стоят довольно дорого, упругие же муфты не всегда позволяют кардинально решить проблему.
Это направление следует считать очень перспективным для вновь проектируемого оборудования. На стадии проектирования всегда можно предусмотреть в приводе место под крупногабаритный упругий вал. Создание новых конструкций упругих валов и муфт, методов их расчета, широкое внедрение их в производство - важная и интересная задача. Однако в нынешних сложных условиях самым экономичным будет третье направление борьбы с аварийными поломками при помощи специальных предохранительных устройств (ПУ)(см. ниже).
3. Рассоединение кинематической цепи главной линии привода при перегрузке. ПУ,
служащие для этой цели, могут быть многоразовыми (автоматически восстанавливающими свою работоспособность после срабатывания) или одноразовыми. Применение каждого типа ПУ имеет свою специфику.
Суть метода заключается в нарушении связи между Т и П в условии (2). В одноразовых ПУ кинетическая энергия вращающихся масс привода разрушает специально предназначенную для этого ослабленную деталь. Кинетическая энергия Т, многократно превышающая П, теряет возможность воздействовать на детали главной линии. Различие между типами ПУ заключается в способе восстановления работоспособности главной линии привода машины.
Третье направление борьбы с аварийными поломками наиболее широко распространено в настоящее время. Достоинства и недостатки этого направления связаны прежде всего с конструктивным исполнением ПУ.
Основные требования, предъявляемые к ПУ, сформулированы в работе [10]. Самыми важными из них можно считать простоту конструкции, что является первоочередным для производственников, и точность срабатывания (постоянство усилия срабатывания или выключающего момента). Существующие конструкции ПУ, к сожалению, в подавляющем большинстве сложны и громоздки. Простые же конструкции предохранителей имеют большой разброс усилия срабатывания.
В лаборатории "Сопротивление материалов" ПГТУ за последние десять лет создано около пятнадцати конструкций ПУ, как автоматических (многоразовых), так и одноразовых с расходуемыми элементами (РЭ). В последнее время проектируются предохранители, состоящие максимум из трех деталей. Разработана конструкция ПУ, состоящего из двух деталей [11, 12]. В стадии испытаний находятся предохранители, представляющие собой одну деталь (кольцо с продольными прорезями).
Точность срабатывания ПУ с РЭ традиционно была низкой из-за накопления в РЭ усталостных повреждений. Однако на сегодняшний день и эту проблему можно считать решенной [2]. Наиболее перспективными здесь являются предохранители с предварительно напряженными РЭ, что отмечалось в работе [13].
Важным вопросом является выбор места установки ПУ [4]. Следует помнить, что ПУ отсекает в момент перегруза только часть главной линии, расположенную между ПУ и двигателем. Если кинетической энергии вращающихся масс оставшейся части привода достаточно для совершения поломки, то она произойдет.
В заключение хотелось бы отметить, что применение одного из трех главных направлений борьбы с аварийными поломками не исключает и двух других. Так, например, наличие в главной линии или рабочей клети ПУ дополняется установкой упругих муфт или валов, а все это в комплексе не противоречит коренной модернизации привода, переводу его на тихоходный и безредукторный.
Выводы
1. Для защиты от аварийных поломок эксплуатирующегося металлургического оборудования рекомендуется установить в главной линии привода машины упругие муфты или валы, а в рабочем органе машины - простые и надежные предохранительные устройства.
2. Для предотвращения аварийных поломок вновь проектируемого оборудования необходимо всячески снижать кинетическую энергию привода, делая его все более тихоходным.
Простые и надежные конструкции предохранительных устройств, упругих муфт и валов на сегодняшний день существуют уже для металлургических машин любых типов [13]. Задача механика и конструктора - выбрать для конкретной машины предохранительное устройство с оптимальной характеристикой.
Перечень ссылок
1. Мюллер В. Обзор повреждений в приводах прокатных станов // Черные металлы,- 1981. - № 25-26.-С. 9-14.
2. Артюх В.Г. Совершенствование предохранительных устройств металлургических машин на основе исключения усталостного разрушения расходуемых элементов // Автореф. канд. дис. - Донецк, 1998. - 20 с.
3. Артюх B.C. Снижение динамичности и аварийности прокатного оборудования // Сталь. -
1974. -№ 1,- С. 85-87.
4. Хоменко В.И. Место установки защиты приводов прокатных валков // Известия вузов: Черная металлургия. - 1966. - № 6. - С. 214-216.
5. Артюх B.C. Энергия привода - источник динамичности и аварийности металлургического оборудования // Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып. 2. - С. 50-57.
6. Артюх Г.В., Суше в В. В. К расчету упругих муфт с цилиндрическими упругими элементами // Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып. 2,- С. 167-172.
7. Амортизация динамических нагрузок в приводе подавателя заготовок /Артюх Г.В., Мазай В.З., Корчагин В.А. и др. И Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь, 1998. - Вып. З.-С. 149-153.
8. Артюх Г. В. Особенности применения эластомеров для снижения динамических нагрузок в металлургических машинах // Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь, 1997. -Вып. 2.-С. 155-158.
9. Опыт эксплуатации амортизаторов сжатия с упругими элементами из полиуретанов /Артюх Г.В., Мазай В.З., Кулик В.В. и др. // Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь,
1997.-Вып. 2.-С. 173-179. К).Артюх B.C., Артюх Г.В. Принцип выбора типа защиты прокатных станов от перегрузок и
поломок // Защита металлург, машин от поломок. - М., 1972. - Вып. 1. - С. 30-52. 11 .Артюх В.Г. К расчету предохранителя со срезными ребрами // Защита металлург, машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып. 2. - С. 113-117.
12.Артюх В.Г. Испытания непрерывносрезного предохранительного устройства // Защита металлург. машин от поломок. - Мариуполь, 1998. Вып. З.-С. 112-126.
13.Большаков В.К Цапко В.К. Проблемы защиты металлургических машин от поломок // Металлург. и горноруд. пром. - 1998. -№ 3. - С. 89-91.
Артюх Виктор Геннадиевич. Канд. техн. наук, ст. преп. кафедры ПГС и сопротивления материалов, окончил Мариупольский металлургический институт в 1992 году. Основное направление научных исследований—защита металлургических машин от поломок.
