CC BY
53
Штефан Фёт
РАСЧЕТ СТРУКТУР МЕХАНИЧЕСКОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОТДЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАШИН И АППАРАТОВ
Проведен анализ несущих конструкций посредством расчета и технических испытаний, позволяющий своевременно определить детальное распределение нагрузок, влияющих на прочность оборудования.
Ключевые слова: сортировочные машины, скребковые конвейеры и струговые установки, угольные шахты.
Яри работе в производственных условиях оборудование и их отдельные конструктивные элементы воспринимают различную нагрузку, которая, к примеру, может иметь механическое или термическое происхождение. Из-за воздействия этих нагрузок, при учете геометрии отдельных конструктивных частей и свойств материалов, могут происходить различные виды отказа рабочих компонентов. Возникающие упругие или даже пластические деформации, разрушения, износ и потеря стабильности рабочих элементов являются возможными и в то же время нежелательными последствиями.
Во избежание проявления нежелательных влияний, возникающих в процессе эксплуатации и приводящих к дополнительным затратам, необходимо использовать данные, базирующиеся на расчетах и испытаниях. Наиболее важно это использовать на стадии проектирования. В данной статье приводятся три кратких примера, из которых это отчетливо будет видно. В частности рассмотрена прочность стальных круглозвенных цепей после антикоррозионной обработки; прочность конструкции теплообменника, а также прочность и резонансные колебания несущих конструкций сортировочных машин.
Прочность круглозвенных цепей с антикоррозионной защитой
Стальные круглозвенные цепи используются в качестве тяговых органов для скребковых конвейеров и струговых установок в угольных шахтах. Их параметры нормируются различными стандартами такими как, например ISO 610 (International), DIN 22252
(Германия) или PN-G-46701 (Польша). Круглозвенные цепи в большом количестве предлагаются производителями в соответствии с этими стандартами и техническими характеристиками.
Круглозвенные цепи подвергаются коррозии при долгосрочном складировании перед применением или при эксплуатации в агрессивной среде непосредственно в шахте. По этим причинам цепи поставляются уже после прохождения термической обработки. Распространенным является применение различных антикоррозионных мер. Применяются различные покрытия антикоррозионными веществами на водной основе и покраска цинкосодержащими красками для кратковременной и среднесрочной защиты. В качестве варианта для долгосрочной защиты используется горячее оцин-кование.
Если подвергнуть цепи, обработанные различными антикоррозионными покрытиями прочностным испытаниям, то они показывают, что их механические характеристики после обработки изменяются. Независимо от вида покрытия происходит снижение разрушающей нагрузки до 10 — 20 %, также снижается относительное удлинение при разрыве. Исследования, проведенные фирмой Fa. THIELE (таблица 1) [1] некоторых типоразмеров цепей подтверждают эти данные. В среднем разрушающая нагрузка снижается от 7,3 % до 27,7 %, также происходит снижение относительного удлинения при разрыве.
Таблица 1
Испытания без покрытия
Типоразмер Разрушающая нагрузка Удлинение при разр. нагрузке Типоразмер Разрушающая нагрузка Удлинение при разр. нагрузке
06-168-2 1840,3± 19,7 % 0,6-168-1 1677,3± 13,0 %
20,6kN 18,7 kN
06-168-3 1794,8± 1,5 % 06-168-6 1713,0± 12,9 %
20,0 kN 19,1 kN
06-168-4 1833,1± 17,5 % 06-168-7 1691,3± 13,4 %
20,5 kN 18,9 kN
06-184-5 1858,2± 22,1 % 06-168-8 1711,4± 11,8 %
20,8 kN 19,1 kN
Среднее зна- 1831,6 kN 17,7 % Среднее 1698,2 kN 12,8 %
чение значение
Испытания с тектилвым покрытием
Рис. 1. Теоретическое распределение напряжений при растяжении звена цепи
Теоретическое распределение напряжений, показанное на рис. 1, изменяется в месте растяжения в нижней части звена, где происходит изменение давления на поверхность звена цепи, кроме того, происходят изменения в технических характеристиках звена цепи из-за эффекта трения в области контакта. Если наноситься покрытие, то, кроме того, снижаются и механические показатели разрушения звена цепи вследствие влияния смазки в зоне контакта. Этот эффект может быть описан только феноменологически, т. к. физический процесс, лежащий в основе этого явления, еще не описан детально, а его влияние учитывается не во всех нормативных характеристиках.
Нормы DIN 22252 предусматривают это снижение в главе 6 «Испытания». Для цепей с антикоррозионным покрытием предусматривается 90 % от величины разрушающей нагрузки и 80 % от величины относительного удлинения при разрыве в отличие от цепей с «натуральной черной поверхностью».
Жесткость конструкции вентиляционной
решетки теплообменника
Теплообменники используются в различных процессах для охлаждения или нагрева. Из-за высокой собственной массы и использования высококачественных материалов для теплообмена по эко-
номическим соображениям конструирование теплообменников представляет особый интерес.
Для примера рассмотрим вентиляционную решётку теплообменника фирмы Fa. GEA Renzmann & Grйnewald с поперечным сечением каналов размером 5500 мм х 2500 мм. Раму вентиляционной решётки изготавливают с условием повышенной жесткости. Она конструируются из стальных пластин, которые, кроме того, усиливаются отбортовкой, ребрами и поперечинами. В этих рамах в продольном направлении закрепляют трубки теплообменника. Такие вентиляционные решётки (рис. 2) объединяют по три в одной батарее.
В целях оптимального использования материалов исследовались допустимые напряжения в конструкции вентиляционной решётки и допустимые нагрузки с точки зрения пластической деформации и её стабильности. В качестве нагрузки на конструкцию вентиляционной решётки рассматривались случаи её транспортировки и монтажа.
Рис. 2. Вентиляционная решётка теплообменника [3] 500
Рис. 3. Деформация в рабочем состоянии.
На рис. 3 показаны результаты проведённого FEM-анализа и появление деформаций в нагруженном состоянии. Видно, что в основном деформация незначительна и наибольшие значения достигаются в области стенок рамы вентиляционной решётки.
Прочность и резонанс конструкции
машин для классификации
Грохота используются на предприятиях различных отраслей промышленности. В статье рассматривается применение мобильной сортировочной установки фирмы
Fa.HAVER&BOECKER (рис. 4 и 5) на каменном карьере для предварительного грохочения. Материал, поступающий в бункер, попадает на конвейер, установленный под выпускным отверстием, и далее транспортируется на грохот, который разделяет исходный материал на две фракции. На выпуске из грохота надрешетный продукт отгружается конвейером. Подрешетный продукт транспортируется конвейером, расположенным под грохотом, и далее отгружается другим конвейером.
Для предварительной классификации используется эксцентриковый грохот с принудительным возбуждением, установленный на эластичных опорах и приводимый в движение вращающемся эксцентриковым валом. Для снижения дисбаланса предусмотрены компенсационные массы.
Рис. 4. Схема грохота для предварительной классификации
Рис. 5. Грохот для предварительной классификации на каменоломне
Для этой машины в рамках исследований было установлено, что напряжения в элементах конструкции находятся в рамках предельно допустимых. Однако было необходимо снизить нагрузки, которые возникали вследствие совпадения вынужденной частоты колебаний с собственной частотой некоторых компонентов рамы мобильного сортировочного комплекса. Для анализа несущая конструкция мобильного сортировочного комплекса была представлена в виде расчетной модели. Эта структурная модель нагружалась в разнообразных комбинациях вынуждающими внешними силами с учетом нагрузки от собственной массы.
Из расчетной модели можно определить, что максимальные значения напряжения в раме по конструктивным соображениям находятся в допустимых пределах (рис. 6). На рис. 7 показано изменение формы конструкции. В этом случае рассчитано, что вследствие вынужденно появляющейся деформации требуется незначительное укрепление в некоторых частях конструкции. Вычисленные собственные частоты колеблющихся масс рамы показали, что они не совпадают с вынужденной частотой колебаний грохота (рис. 8).
Проведенные исследования были использованы для модернизации мобильного сортировочного комплекса, эксплуатируемого на каменном карьере.
Г/ □
Рис. 6. Степень использования конструктивной прочности при нагрузке
Амплитуда т/Ы
Рис. 7. Изменение формы рамы мобильного сортировочного комплекса
а Частотные характеристики Р^п Р12 колеблющихся масс
Рис. 8. Общий спектр амплитуд [5] Заключение
Представленные в статье примеры показывают, что анализ несущих конструкций посредством расчета и технических испытаний позволяет своевременно определить детальное распределение нагрузок, влияющих на прочность оборудования. Посредством такого анализа возможно осуществить детальную локальную подгонку сечений конструктивных элементов и тем самым обеспечить необходимое снижение массы конструкций. Кроме того, этими мероприятиями можно обеспечить требуемые нормы техники безопасности и значительно повысить техническую готовность оборудования.
------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Philipp, Kandzia, Pytlik, Szot: Prufungen der Brauchbarkeit von Ketten zur Betriebseinsetzung, Unveroffentlichter Bericht
2. Katalog Bergbau 11/2007, THIELE GmbH & Co. KG
3. Informationen der GEA Renzmann & Grunewald GmbH
4. Informationen der Haver & Boecker GmbH & Co. KG
5. Voth: Dynamik schwingungsfahiger Systeme, Vieweg, 2006
6. Nazarov K.S.: Eine vergleichende Gegenuberstellung verschiedener Schwing-siebe, Moskauer Staatliche Bergbauuniversitat, 2006
7. Philipp, Forch: Bruchmechanische Bewertung der Anfalligkeit von Ketten gegen Spannungsrisskorrosion unter Betriebsbedingungen, Gluckauf 141, Nr. 9, S. 391—400
8. Nienhaus, Pierburg: Die intelligente Forderkette, 2005
9. Heinrich: Neue Siebmaschinengeneration fur alle Einsatzfalle, Steinbruch und
Sandgrabe, Nr. 1, 2008, S. 24—28
10. Voth. Maschinenelemente Aufgaben und Losungen, Teubner, 2007 nsrj=i
Shtefan Fut
CALCULATION OF MECHANICAL AND THERMAL
STRUCTURES INFLUENCE ON SEPARATE
CONSTRUCTIVE ELEMENTS OF MACHINES AND DEVICES
It is carried out the analysis of supporting constructions by the means of calculation and technical tests, allowing to opportunely define detailed distribution of loadings influencing on equipment durability.
Key words: sorting machine, scraping conveyors and knife installations, coal mines.
Коротко об авторе
Штефан Фёт — профессор, Высшая техническая школа им. Георга Агриколы (Бохум Германия).
