Доронин С.В. Конструктивные формы металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

В методологии проектирования и конструирования технических

систем проблема формообразования, то есть выбора и обоснования фор-

мы изделия, является одной из наиболее сложных. Процесс формообра-

зования, отражающий логику мышления конструктора, весьма слабо

поддается формализации и фактически отражает накопленный профес-

сиональный опыт конкретного инженера-конструктора, принимающего

решение о форме проектируемого объекта. В имеющейся литературе

встречаются лишь единичные примеры попыток логического обоснова-

ния цепочки рассуждений, в ходе которых была создана конструктивная

форма.

Выбор и обоснование формы конструкции тесно связаны с оп-

ределением ее структуры, то есть перечня элементов (деталей, узлов),

тесно связанных между собой и работающих в конструкции как в единой

целостной системе. Каждый элемент этой системы самостоятельно или

совместно со смежными элементами выполняет определенную функцию

– внешнюю, для реализации которой и создается конструкция, или внут-

реннюю, обеспечивающую работоспособность конструкции.

Структура, функции и форма конструкции оказываются доста-

точно тесно связанными, но эта связь неоднозначна. Один и тот же на-

бор функций может быть реализован различными конструктивными

формами и структурами объекта. В то же время, одна и та же конструк-

тивная форма в зависимости от структуры конструкции может выпол-

нять различные функции.

При выборе структуры, функций и формы конструкции в боль-

шинстве случаев исходят из исторически сложившегося опыта проекти-

рования и общепринятых конструктивных форм. Не столь часто пред-

принимаются попытки системного выстраивания структуры конструк-

ции, ее формы и выполняемых функций, то есть структурно-

функционального формообразования. Это связано со слабой методиче-

ской разработанностью проблемы и отсутствием систематизации конст-

руктивных форм в связи с их функциями и местом в структуре конст-

рукции.

В настоящем учебном пособии на примере типовых конструк-

ций металлургического оборудования предпринята попытка системати-

зировать известные и перспективные конструктивные формы деталей,

элементов и узлов в связи со структурой технической системы и выпол-

няемыми ей функциями. Материалом для анализа послужили как серий-

но выпускаемые конструкции, так и оформленные в виде патентов и ав-

торских свидетельств перспективные конструкции.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

ДРОБИЛЬНО-ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Дробильное оборудование широко распространено как на ме-

таллургических предприятиях, так и в горном производстве, дорожном

строительстве и других отраслях промышленности. Существующие в

этих отраслях различные требования к качеству и составу продукта

дробления, отличия в физико-механических свойствах дробимого мате-

риала, а также разнообразие физических способов дробления и измель-

чения (раздавливание, раскалывание, излом, срезывание, истирание,

удар) привели к тому, что возник целый ряд принципиально различных

конструктивных схем и типов дробильного оборудования, среди кото-

рых нельзя отдать предпочтение одной или нескольким конструкциям.

Традиционными типами конструкций являются щековые, конусные,

валковые, роторные, молотковые дробилки, а также мельницы. Эти ма-

шины совершенствуются преимущественно эволюционным путем, то

есть вследствие постепенного улучшения параметров отдельных узлов и

деталей. Кроме того, и в настоящее время продолжается поиск новых

принципов, подходов к дроблению и измельчению, и, соответственно,

создание новых конструктивных форм машин для измельчения материа-

лов.

Из указанного многообразия машин и оборудования для дроб-

ления и измельчения материалов рассмотрим существующие конструк-

ции и тенденции формообразования щековых, валковых дробилок и

мельниц.

1.1. ЩЕКОВЫЕ ДРОБИЛКИ

Щековые дробилки разделяют на два основных исполнения: с

простым (рис. 1, а-д) и со сложным (рис. 1, е, ж) движением щеки [1]. У

щековой дробилки с простым движением щеки точки подвижной щеки

движутся прямолинейно или по дуге окружности, близкой к прямой. У

щековой дробилки со сложным движением точки подвижной щеки дви-

жутся по замкнутым кривым. Кроме того, различают дробилки с верх-

ним подвесом щеки или с нижней ее опорой; с шарнирно-рычажным или

с кулачковым механизмом привода; с распорными плитами или без них;

с жесткими или упругими кинематическими звеньями; с электро- или

гидроприводом; с фиксированными траекториями щеки или динамиче-

ски переменными; с приводом подвижной щеки от одного или двух

главных валов; с одной, двумя или тремя камерами дробления.

а б в г

д е ж

Рис. 1. Щековые дробилки: а-г – с простым движением щеки и верхним подве-

сом щеки в точке О

; д – то же, с нижней опорой щеки в точке О

; е – со слож-

ным движением щеки и одной подвижной щекой; ж – то же, с двумя подвижны-

ми щеками; 1 – неподвижная щека; 2 – подвижная щека; 3 – распорная плита; О

– ось главного вала

Типичные конструкции щековых дробилок состоят из следую-

щих основных узлов и деталей (рис. 2), обеспечивающих технологиче-

ский процесс дробления. Главным несущим элементом служит сборно-

сварная станина, воспринимающая усилия дробления. Плоскости рас-

порных плит образуют между собой малый угол β. При рабочем ходе

(подъеме шатуна) угол β уменьшается, распорные плиты приходят в

почти горизонтальное положение, нажимая на подвижную щеку. Она

приближается к неподвижной щеке, уменьшая выходную щель до мини-

мального размера b

. При обратном (холостом) ходе шатуна (вниз) угол

β увеличивается, щель раскрывается до размера b = b

+ s, где s – ход

щеки в нижней точке. При этом подвижная щека совершает маятниковое

колебательное движение.

Футеровки щек – рифленые, из стали 110Г13Л. Рифления на

плитах имеют треугольную или трапецеидальную форму. Направление

рифлений – по ходу материала, вертикальное. Плиты укладывают так,

чтобы выступы на плите неподвижной щеки находились против впадин

на плите подвижной щеки. Это облегчает дробление кусков, так как дро-

бящие усилия концентрируются на меньшей площади выступов футеро-

вочных плит и раздавливание частично заменяется раскалыванием, из-

ломом, при которых пределы прочности при растяжении, изгибе, сдвиге

значительно меньше, чем при сжатии. Плиты выполняют симметричны-

ми для возможности разворачивания при неравномерном износе, что

практически удваивает срок их службы.

Рис. 2. Конструкции щековых дробилок: а – с простым движением щеки; б – со

сложным движением щеки; 1 – неподвижная щека; 2 – футеровка неподвижной

щеки; 3 – футеровка боковой стенки; 4 – футеровка подвижной щеки; 5 – под-

вижная щека; 6 – ось; 7 – маховик; 8 – крышка шатуна; 9 – роликоподшипник; 10

– главный вал; 11 – шатун; 12 – главная клиноременная передача; 13 – двигатель

микропривода; 14 – редуктор микропривода; 15 – вал ведущего шкива; 16 – на-

тяжное устройство главной клиноременной передачи; 17 – рама привода; 18 –

главный электродвигатель; 19 – клиноременная передача микропривода; 20 –

подвеска; 21 – задняя бабка станины; 22 – гидравлическое устройство регулиро-

вания разгрузочной щели; 23 – упор; 24 – сухарь упора; 25 – задняя распорная

плита; 26 – сухари шатуна; 27 – передняя распорная плита; 28 – вкладыш под-

вижной щеки; 29 – замыкающее устройство; 30 – винтовое регулировочное уст-

ройство; 31 – защитный кожух

По сравнению с прежними конструкциями для увеличения сте-

пени дробления в настоящее время щековые дробилки изготовляют с

увеличенной высотой камеры дробления (пространства, ограниченного

щеками и боковыми стенками). Эта высота примерно в 2-2,3 раза больше

ширины приемного отверстия. Кроме того, футеровку неподвижной ще-

ки в нижней части скашивают, создавая в месте разгрузки параллельную

калибрующую зону.

Ось подвеса подвижной щеки обычно располагается выше верх-

него уровня камеры дробления примерно на половине ширины приемно-

го отверстия. Этим достигается увеличение хода подвижной щеки на

уровне приемного отверстия.

Для предохранения машины от поломок при попадании недро-

бимых тел в их конструкции предусматривают разрушаемый предохра-

нительный элемент. В старых конструкциях таким элементом служили

распорные плиты; сейчас на главном валу устанавливают фрикционные

предохранительные муфты.

Вспомогательный микропривод облегчает запуск дробилки и

позволяет производить его под завалом, то есть с материалом.

Гидравлическое или электромеханическое винтовые устройства

позволяют быстро, дистанционно и механизированно изменять ширину

разгрузочной щели.

Рассмотренные традиционные принципиальные схемы и конст-

руктивные варианты щековых дробилок, будучи результатом длитель-

ной эволюции оборудования данного типа, являются весьма функцио-

нальными в том смысле, что каждая деталь и элемент конструкции вы-

полняют свою функцию в дробилке как в электромеханической системе.

Попробуем установить взаимосвязь между элементами конструктивных

форм и выполняемыми ими функциями, а также сформулировать те по-

ложения, которыми можно в явном виде руководствоваться при конст-

руировании щековых дробилок.

Основными параметрами, определяющими эффективность, ка-

чество и производительность процесса дробления, являются форма и

размеры камеры дробления, щек и дробящих плит, размеры загрузочного

отверстия и выпускной щели, возможности регулирования последней,

силовые и кинематические характеристики привода. Анализ этих пара-

метров позволил установить следующие особенности конструктивных

форм в связи с их влиянием на характеристики машины и процесса

дробления, которые можно рассматривать как общие приемы формооб-

разования применительно к оборудованию данного типа.

1. Простое движение подвижной щеки приводит к разрушению

материала ударом и раздавливанием.

2. Сложное движение подвижной щеки позволяет дополнитель-

но осуществлять истирание материала.

3. Треугольная или трапецеидальная форма рифлений на плитах

футеровки дает возможность сконцентрировать давления на небольших

площадях и осуществить разрушение при меньших мощностях привода.

4. Дробящие плиты укладывают так, чтобы совпадали выступы

и впадины рифлений противоположных плит. Это позволяет осуществ-

лять разрушение также путем раскалывания и излома.

5. Симметричная форма дробящих плит дает возможность их

разворота по мере износа и увеличения срока службы.

6. Направление рифлений дробящих плит вертикальное, по ходу

материала, что не создает препятствий продвижению материала в сторо-

ну выпускной щели.

7. Скашивание футеровки в нижней части дробящей плиты не-

подвижной щеки позволяет создать параллельные поверхности калиб-

рующей зоны в месте разгрузки раздробленного материала.

8. Увеличение высоты камеры дробления приводит к более дли-

тельной обработке материала и росту степени дробления.

9. Нижний подвес подвижной щеки создает затруднения в раз-

грузке материала.

10. Верхний подвес подвижной щеки обеспечивает большее раз-

давливающее усилие между щеками при малых усилиях на головке ша-

туна и шейках вала благодаря небольшому отклонению распорных плит

от горизонтали.

11. Более высокое расположение оси подвеса подвижной щеки

приводит к увеличению ее хода на уровне приемного отверстия и повы-

шению эффективности дробления.

12. Применение специально ослабленных распорных плит,

фрикционных предохранительных муфт предотвращает поломку маши-

ны при попадании в дробилку недробимого тела.

13. Наличие вспомогательного микропривода позволяет выпол-

нить запуск дробилки при наличии в ней материала.

Формулировка этих положений позволяет установить те при-

оритеты, которыми руководствовались при разработке конструктивных

форм традиционных щековых дробилок.

Во-первых, основным приоритетом является выбор таких форм

камеры дробления и дробящих плит, чтобы максимально эффективно

осуществить процесс разрушения материала с учетом его физико-

механических свойств.

Во-вторых, второй по важности оказывается задача обеспечения

высокой производительности дробилки при минимальных энергозатра-

тах и требуемом качестве продукта дробления.

В-третьих, решается задача создания элементам конструкции и

деталям таких условий, чтобы они использовались наилучшим образом,

имели наименьший износ и наибольшую долговечность.

В-четвертых, рассматривается поведение дробилки в условиях,

которые могут привести к нарушению ее работоспособности (недроби-

мое тело, завал материала в камере дробления), и конструктивно предот-

вращаются возможные поломки основных рабочих элементов и привода.

Эти приоритеты и задачи могут быть классифицированы сле-

дующим образом.

Задачи I типа – обеспечение эффективности главного рабочего

процесса, то есть решение основной функциональной задачи проектиро-

вания.

Задачи II типа – достижение высоких показателей производи-

тельности и других технико-экономических характеристик.

Задачи III типа – проектирование с учетом безотказности, дол-

говечности, ремонтопригодности, то есть, с позиций классических пред-

ставлений теории надежности.

Задачи IV типа – анализ и обеспечение живучести конструкций

при возможных повреждениях и вредных воздействиях окружающей

среды.

Рассмотрение традиционных конструктивных форм показывает,

что наибольшее внимание уделяется решению задач I и II типов, в

меньшей степени – обеспечению надежности и живучести.

Традиционные конструктивные варианты не являются единст-

венно возможными и имеют ряд принципиальных недостатков, неиз-

бежно присущих данным конструктивным формам. Попытки устранения

этих недостатков привели к разработке и применению нетрадиционных

конструкций дробилок.

Ударно-щековая дробилка фирмы “Крупп” (рис. 3, а) не имеет

распорных плит. Шатунные тяги, расположенные по обе стороны стани-

ны, приводят в движение продольную балку, нажимающую посредством

открытой кинематической пары с зазором на подвижную щеку. Наклон

подвижной щеки увеличивается по направлению к разгрузочной щели,

поэтому материал проходит нижнюю часть камеры дробления быстрее,

чем верхнюю. Размах колебаний подвижной щеки постепенно увеличива-

ется книзу и вблизи разгрузочной щели он значительно больше, чем в

дробилках традиционной схемы. Частота вращения главного вала также

больше. Встроенная в шатун система кольцевых пружин начинает сжи-

маться только при попадании в дробилку недробимых тел, защищая ее от

перегрузки. Потери на трение в сочленениях уменьшены – вместо четырех