CC BY
207
© Б.В. Виноградов, Ю.А. Слад-ковский, 2003
УДК 621.926.621.833.1
Б.В. Виноградов, Ю.А. Сладковский
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОТКРЫТЫХ ЗУБЧАТЫ1Х ПЕРЕДАЧ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ
ри создании крупных барабанных мельниц одним из наиболее ответственных этапов является выбор типа привода. При этом необходимо учитывать как капитальные затраты, так и эксплуатационные расходы, присущие каждому типу привода. С точки зрения капитальных затрат наиболее выгодным является привод, оснащенный зубчатыми передачами. Причем капитальные затраты на привод тем ниже, чем больше передаточное число зубчатых передач и, соответственно, более быстроходные электродвигатели. Стремление создать редукторные привода с как можно большими передаточными числами, с одной стороны, и обеспечение высокой их надежности с другой стороны, ставят перед конструкторами ряд серьезных задач, связанных с электродвигателем, редуктором и открытой зубчатой передачей. Также возникает проблема распределения передаточного числа между редуктором и открытой зубчатой передачей. Наиболее заманчивым является безредукторный привод, содержащий двигатель и открытую зубчатую передачу.
К открытой зубчатой передаче предъявляются следующие основные требования: высокая надежность и долговечность работы; ограниченные размеры по условиям изготовления и транспортирования к месту установки; как можно большее передаточное число. Перечисленные факторы являются взаимосвязанными и противоречивыми. Так, стремление увеличить передаточное число приводит к необходимости увеличения числа зубьев венца и уменьшению числа зубьев шестерни, что, во-первых, требует увеличения диа-
метра зубчатого венца, а во-вторых, ведет к увеличению числа циклов нагружения зубьев шестерни. Для ограничения диаметра венца в этом случае необходимо уменьшить модуль зубьев. Очевидно, уменьшение модуля зуба приведет к снижению его из-гибной прочности.
Для повышения долговечности открытой зубчатой передачи по износу, а также контактной прочности зубьев необходимо повысить твердость их рабочих поверхностей. С другой стороны, повышение твердости рабочих поверхностей зубьев снижает скорость их приработки и приводит к длительной работе при значительной неравномерности распределения нагрузки по длине контактных линий, что снижает усталостную прочность зубьев. Тем не менее, мировые лидеры по производству барабанных мельниц оборудуют их открытыми зубчатыми передачами, имеющими твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни и венца соответственно НВ1 = 550 - 600, НВ2 = 230 - 305, что значительно превышает аналогичный показатель для мельниц, изготовленных в России и на Украине, где НВ1 = 260 - 300, НВ2 = 180 - 200. Таким образом, для создания конкурентно-способных барабанных мельниц и обеспечения их надежной работы необходимо изыскать резервы для снижения изгибных напряжений в опасном сечении зуба открытой передачи.
Анализ показывает, что основным направлением изыскания таких резервов являются:
• повышение точности изготовления и монтажа зубчатых передач;
• применение уточненных методов исследования напряженно-деформированного состояния зубчатых передач и выбор их рациональных параметров;
• обеспечение рациональных режимов их эксплуатации.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ДОПУСКИ НА МОНТАЖ ОТКРЫТЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ МЕЛЬНИЦ РОКСАЙЛ 30 Х 10 И ОТЕЧЕСТВЕННЫХ КРУПНЫХ МЕЛЬНИЦ
№ п/п Наименование параметров Роксайл ММС МШЦ
30 х 10 90 х 30 5500 х 6500
(^Ьє Steel) (СТЗ) (НКМЗ)
1. Размеры барабана (диаметр х длина), мм 9150х3150 9000 х 3000 5500х6500
2. Мощность двигателя, кВт 3300 4000 4000
3. Частота вращения вала шестерни, об/мин 140 75 150
4. Модуль зубьев, мм 34 28 25
5. Число зубьев:
- шестерни 23 42 46
- венца 304 284 252
6. Ширина зуба, мм 775 1000 1000
7. Твердость рабочей поверхности зубьев, НВ
- шестерни 550 260-300 260-300
- венца 265-280 180-200 180-200
8. Негоризонтальность фундаментных плит, мм 0,1 0,1 0,1
9. Зазор между торцами секторов зубчатого венца, мм 0,04 0,12 0,05
10. Максимальное радиальное биение зубчатого венца, мм 0,7 2,0 2,0
11. Максимальное торцевое биение зубчатого венца, мм 0,7 2,0 2,0
12. Максимальный допуск на радиальный зазор в зацеплении открытой зубчатой передачи, мм 1,4 2,0 4,35
13. Пятно контакта открытой зубчатой передачи, % 75 60 60
Рис. 1. Типы зубчатых венцов
Точность изготовления и монтажа открытой зубчатой передачи определяет начальную неравномерность распределения нагрузки по линии зацепления зубьев.
Ниже приведены составляющие начального угла перекоса зубьев открытой передачи крупной рудоразмольной мельницы ММС - 90 х 30 [1], вызванные следующими факторами:
• погрешность при монтаже,
Га= (0,3 - 0,5) -103;
• упругими деформациями барабана и зубчатого венца, yw = 0,3 -103;
• торцевым биением зубчатого венца,
у8 = 0,25 -10 -3.
Можно выделить прирабатываемые и неприрабатывае-мые составляющие угла перекоса зубьев. К неприрабаты-ваемыемым относится угол перекоса зубьев, вызванный торцевым биением зубчатого венца. При переменной нагрузке и, соответственно, переменном угле перекоса зубьев, вызванным упругими деформациями, будет иметь место частичная приработка. Поскольку неприрабатываемая составляющая угла перекоса зубьев приводит к неравномерности распределения нагрузки по длине контактных линий, не снижающейся в период эксплуатации, то они наиболее существенны с точки зрения усталостной прочности. Именно поэтому торцевое биение зубчатых венцов мельниц передовых зарубежных фирм (Kobe Steel, Allis Chalmers, Cluber) существенно меньше, чем у мельниц отечественного производства (таблица 1). Для снижения неравномерности распределения нагрузки по длине контактных линий, вызванной упругими деформациями, фирма Kobe Steel вместо Т-образного применяет V-образный профиль зубчатых венцов открытых передач (рис. 1). Кроме того, к сборке и монтажу мельниц предъявляются повышенные требования по сравнению с аналогичными техническими требованиями для отечественных мельниц.
В качестве примера приведем величины допусков на монтаж открытых зубчатых передач мельниц Роксайл 30 х 10, эксплуатируемых с 1980 года на фабрике Удачнинского горно-обогатительного комбината НПО «Якуталмаз» (таблица) [2]. Для сравнения, кроме того, в таблице приведены аналогичные данные для отечественных крупных мельниц. По своим параметрам мельница Роксайл 30 х 10 наиболее близка к отечественной мельнице ММС 90 х 30.
Для исследования напряженно-деформиро-ванного состояния зубчатого венца, определения закономерности распределения нагрузки по длине линий зацепления с учетом упругих деформаций и, наконец, для выбора рациональных параметров зубчатого зацепления необходимо использовать методы теории упругости. При численных расчетах в этом случае наиболее целесообразно воспользоваться методом конечных элементов (МКЭ).
В настоящее время существует большое количество универсальных КЭ - программ, например, ANSYS, COSMOS, PATRAN, MARC, ABAQUS, ELCUT и др. Среди них наиболее удобным графическим интерфейсом обладает MSC/NASTRAN, который при этом имеет достаточно боль-
Рис. 2. Сегмент зубчатого венца углеразмольной мельницы Ш-50
шие возможности математического моделирования процессов деформирования деталей различных конструкций.
Для того, чтобы провести конечно-элементный анализ какой-либо конструкции, необходимо первоначально задать ее геометрию, материалы используемые в конструкции, свойства элементов, после чего сформировать конечноэлементную сетку (провести конечно-элементную дискретизацию), задать граничные условия (перемещения, ускорения, температуры, нагрузки и т.п.). В качестве примера рассмотрим зубчатый венец мельницы Ш-50, производства Сыз-ранского завода тяжелого машиностроения.
В рассматриваемой задаче достаточно сложным этапом является задание геометрии объекта - сегмента зубчатого
венца (рис. 2). Построение профиля зуба осуществляется с помощью программы, написанной на языке MS QuickBasic Extended release 7.1, описанной в [3]. После отработки данной программы получаем файл d_all.dxf - этот файл является открытым графическим форматом AutoCADа. В нем содержится графический образ эвольвентного профиля зуба, заданный поточечно. Данный профиль может быть использован для задания геометрии зуба в NASTRA№, что можно осуществить при помощи команды импорта геометрии. После ее выполнения на экране появляется профиль зуба, образованный отдельными точками, которые соединяются сплайнами, например, третьего порядка.
КЭ - сетка сегмента зубчатого венца может состоять из регулярных сеток его обода, ступичной части и нерегулярных сеток стоек, ребер жесткости и одного рассматриваемого зуба. Рассматриваемый сектор имеет угловой размер между осевыми линиями его ребер жесткости, равный 30°. Однако, т.к. при нагружении контактными усилиями в зацеплении работает и область стойки, находящаяся вне указанной угловой области, необходимо рассмотреть деформирование также примыкающих к сектору областей, заключенных внутри центрального угла 40°. Указанная область ограничена на чертеже пунктирными линиями. Таким образом, рассматривается деформирование расширенного сектора, состоящего из ободной (ABCDEFGH), ступичной (IJKL) частей и стоек, подкрепленных ребрами жесткости. КЭ -сетка ступичной и ободной части проектируется отдельно. Всего разработанная КЭ - сетка содержит 33281 узел и 28030 элемент. Конечно - элементный анализ описываемой модели на персональном компьютере с процессором AMD Athlon 600 MHz и объемом оперативной памяти 128 Мб выполняется в течение 45 минут (процессорное время счета 40
Рис. 3. Напряжения в зубчатом венце по критерию Мизеса
минут 17 секунд).
Рассчитанное напряженно - деформированное состояние зубчатого сектора исследовалось при помощи постпроцессора FEMAP 6.0, например, на рис. 2 приведено распределение эквивалентных напряжений, определенных в рассматриваемом зубчатом венце по критерию Мизеса, а также выделен конечный элемент, в котором данные напряжения достигаются. Максимальный уровень напряжений достигается в переходной зоне от обода венца к его стойке. При этом величина напряжений по Мизесу достигает значения 244 МПа.
Полученные результаты подтверждают отечественный и зарубежный опыт эксплуатации зубчатых венцов барабанных мельниц. Так, отсутствие адекватных методов расчета привели к поломкам зубчатых венцов крупных мельниц са-моизмельчения в Лорнексе (Канада) [4]. Было установлено, что основной причиной поломок явились большие отверстия, облегчающие конструкцию венца.
Применение открытых зубчатых передач с повышенной твердостью рабочих поверхностей зубьев требует обеспечения соосности и соответствующего распределения нагрузки по длине контактных линий. Это требует контроля зубчатого зацепления в процессе эксплуатации мельниц. Такие фирмы как Kobe Steel (Япония), Allis Chalmers (США) рекомендуют контроль качества зацепления осуществлять бесконтактным измерением температуры с помощью инфракрасного фотометра-термометра. Достоинство этой технологии состоит в том, что соосность приводной шестерни и зубчатого венца можно проверять, когда они находятся под нагрузкой, не прерывая работы мельницы. Этот метод контроля основан на том, что при неравномерном распределении нагрузки по длине контактных линий температура также будет неравномерно распределятся по ширине зубчатых колес. Измеряя температуру обеих торцевых поверхностей профиля зуба с помощью инфракрасного фотометра-термометра, можно узнать, выдерживает ли зубчатая передача хорошую соосность или нет [5]. Считается, что приводной механизм необходимо эксплуатировать, выдерживая разность температур на обеих торцевых поверхностях зубьев шестерни не более 4 °С.
Долговечность и нагруженность открытой зубчатой передачи существенно зависит от условий эксплуатации [6], [7], [8]. Так, на статическую и динамическую нагруженность зубьев и долговечность по износу существенное влияние оказывает количество приработочных режимов, испытываемых зубчатым зацеплением за срок службы. В период приработок зубья, во-первых, работают с повышенной неравномерностью распределения нагрузки, что приводит к повышенной концентрации напряжений, во-вторых, в период приработки скорость изнашивания рабочих поверхностей зубьев значительно выше по сравнению с установившимся режимом изнашивания (примерно в 5 раз). Наконец, в при-работочный период в зубчатом зацеплении существенно увеличиваются динамические нагрузки.
Количество приработочных режимов зависит от принятых условий эксплуатации. Если ремонт барабана (наплавка подшипников, замена футеровки и т.д.) производится на специальном стенде, то через определенное время производится разборка зубчатой передачи и барабан вместе с зубча-
Рис. 4. Расчетная долговечность открытой зубчатой передачи мельницы ММС 70 X 23 при различных условиях эксплуатации
тым венцом отправляют на стенд. Например, на Ингулецком горно-обогатительном комбинате ремонты барабанов мельниц ММС 70 х 23 производятся через каждые 4320 ч. На место этого барабана со стенда подают другой, уже отремонтированный, барабан. Тогда, после сборки, зубчатая передача вновь претерпевает приработочные режимы. В этом случае на долю приработочного износа приходится около 50% от полного срока службы шестерни.
Другим важным фактором, влияющим на долговечность шестерни и величину динамических нагрузок в зубчатом зацеплении, является допускаемая величина износа зубьев. Установлено, что при рациональных режимах эксплуатации величина усредненного износа зуба шестерни с каждой рабочей поверхности не должна превышать [Д^] = 3,5 мм.
По достижению этой величины износа рабочих поверхностей зубьев шестерня должна быть заменена. Это объясняется тем, что при величине износа зубьев шестерни более 34 мм изнашивание носит катастрофический характер.
На рис. 4 представлены расчетные долговечности шестерни и зубчатого венца для различных условий эксплуатации. На рис. 4а показан случай, когда шестерня изнашивает-
ся одной рабочей поверхностью, величина допускаемого износа [Д£ ] = 10 мм, за срок службы шестерня испытывает
два приработочных режима. В этом случае срок службы венца составляет Т2=91124 ч чистого времени при работе зубьев двумя рабочими поверхностями. Его срок службы ограничен нецелесообразностью дальнейшей эксплуатации из-за быстрого изнашивания шестерен. При ограничении износа зубьев шестерни с каждой рабочей поверхности до [Д^] = 3,5 мм долговечность шестерни возросла, а срок
службы зубчатого венца составил Т2 = 150418 ч (рис. 4б).
Повышение твердости рабочих поверхностей зубьев до НВ1 = 550-600, НВ2 = 230-305 и оснащение привода реверсивным двигателем, позволит обеспечить срок службы зубчатого венца до 20 лет при работе с одной шестерней при ограниченных динамических нагрузках в зубчатом зацеплении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виноградов Б.В. Теория и выбор
рациональных параметров механических систем приводов крупных барабанных мельниц: Дис. д-ра наук: 05.05.06. - Днепропетровск, 1984. - 515 с.
2. Виноградов Б.В., Трясучее ЛМ.
Опыт эксплуатации приводов мельниц «Роксайл - 30х10» в условиях Удачнин-ского ГОКа // Днепропетровский горный ин-т, 1988. - 12с. Деп. в УкрНИИТИ, 17.01.89., N321 - Ук.89.
3. Boris Winogradow, Jerzi Siad-
kowski. The analysis of stresses and rigidities for a coarse-tooth gears // Materialy i tech-nologie XXI wieku / Mi^dzynarodowa stu-dencka sesja naukowa. - Katowice: Wydzial
тгутет materialowej, metalurgii i й'аш-ройи Politechniki 2001. - Р. 173-
174.
4. Мак-Манус Дж. Механические
трудности, связанные с мельницами боль-
шого диаметра в Лорнексе // Семинар по измельчению. - Тронхейм: Норвегия. -1979.
5. Виноградов Б.В., Трясучее Л.М.,
Кирнос В.Д. Контроль работы открытой зубчатой передачи барабанной мельницы пирометрическим способом // Г орный журнал. Известия высших учебных заведений. - 1985. - №12. - С.60-62.
6. Виноградов Б.В. Изнашивание
зубьев открытых пар рудоразмольных
мельниц // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 1982. - №2. -С.31-37.
7. Виноградов Б.В., Кирнос В.Д., Зайченко В.И., Трясучее ЛМ., Алексеев В.А., Попов Т.И. О рациональных режимах эксплуатации открытых зубчатых передач рудоразмольных мельниц // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1986. - №1 - С. 51-52.
8. Виноградов Б.В. О повышении долговечности открытых зубчатых передач барабанных мельниц // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. -№4. - С. 70-72
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Виноградов Б.В., Сладковский Ю.А. — Украинский государственный химико-технологический университет.
