Створення та удосконалення автоматизованого вагодозуючого обладнання для металургійних виробництв

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУГРІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.74.04/06:621.86.08

СТВОРЕННЯ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО ВАГОДОЗУЮЧОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВИРОБНИЦТВ

Спеціальність: 05.05.08 - машини для металургійного виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

БОГДАН Ким Степанович

Дніпропетровськ 2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів (ФТІМС) НАН України

Науковий консультант: Доктор технічних наук, професор, академік НАН України, радник директора ФТІМС НАНУ Єфімов Віктор Олексійович

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор, директор Інституту чорної металургії НАН України, м. Дніпропетровськ, Большаков Вадим Іванович

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри «Механічне обладнання металургійних заводів» Приазовського державного технічного університету, м. Маріуполь Іщенко Анатолій Олексійович

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри «Технологія машинобудування» Дніпродзержинського державного технічного університету, м. Дніпродзержинськ Тихонцов Олександр Михайлович

Провідна установа: Донецький державний технічний університет Міносвіти України, кафедра «Механічне обладнання заводів чорної металургії».

Захист відбудеться «18»_квітня__2000 р. о14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.03 Національної металургійної академії України.

Відзиви, засвідчені печаткою, просимо надсилати, за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці академії. Автореферат розіслано «27»_лютого____2000 р.

зважування ваги плавка ливарний

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д08.084.03, доктор

технічних наук, професор В.К. Цапко

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. У технологічних процесах ливарного виробництва та металургії перероблюють велику кількість сировинних матеріалів та напівфабрикатів. Так, наприклад, у чорній металургії частка вартості сировини у загальних виробничих витратах досягає 70%, причому значну частину сировини становлять сипучі, кускові та крупнокускові матеріали.

Високі вимоги щодо економії сировини та енергозбереження обумовлюють точний облік витрат матеріалів на всіх етапах їх переробки у металургійних виробництвах, який є необхідним не тільки для керування технологічними процесами але і для розрахунків техніко-економічних показників цеху та окремих його дільниць, з метою аналізу та ефективного впливу на. зниження собівартості металопродукції. Тому оптимальне керування вантажопотоками та окремими технологічними процесами можливе лише при наявності цілком вірогідної інформації про масу вантажів та матеріалів, що переміщуються.

Указана задача може бути вирішена при широкому використанні високонадійних вагових та дозуючих пристроїв у всіх основних та допоміжних процесах металургійних виробництв.

У зв'язку з постійно зростаючими вимогами до якості металопродукції все більшу увагу приділяють метрологічному забезпеченню технологічних процесів і зокрема, оснащенню їх сучасним вагодозуючим обладнанням, яке відіграє ключову роль при створенні автоматизованих систем керування.

Протягом останніх трьох десятиліть спостерігається бурхливий розвиток вагодозуючого обладнання, причому пріоритетним і найбільш перспективним напрямком є створення електромеханічних ваг на основі тензорезисторних, магнітоанізотропних та вібраційно-частотних силовимірювальних датчиків, що мають високі метрологічні показники, невелику металоємкість, а також технологічних у виготовленні. До недоліків датчиків цих типів слід віднести низьку стійкість по відношенню до ударних та неосьових навантажень, суттєву залежність їх властивостей від температури навколишнього середовища, що у деяких випадках потребує вживання спеціальних заходів по термокомпенсації відхилення параметрів та термостатуванню.

Перспективним, на наш погляд, є також використання індуктивних датчиків лінійного переміщення, що перетворюють деформацію силовимірювального механізму (СМ) у електричний сигнал, пропорціональний масі вантажу, що зважують. У цьому випадку відкриваються широкі можливості підвищення ударостійкості ваг.

Аналіз ливарних та металургійних технологій показав, що у більшості випадків зважування та дозування матеріалів супроводжується випадковими чи систематичними ударними збуреннями на СМ, що призводить до погіршення метрологічних показників та врешті-решт виходу ваг з ладу.

Існуючі методи та засоби захисту силовимірювальних датчиків від перевантажень призначені, в основному, для статичного зважування і не можуть бути використані при дозуванні матеріалів в зв'язку з погіршенням динамічних характеристик ваг.

Дослідження, виконані вітчизняними та зарубіжними фірмами в галузі створення електромеханічних ваг для ливарних та металургійних технологій, були спрямовані переважно на підвищення точності та зниження металоємкості. У тот же час питанню ударостійкості приділялось недостатньо уваги і лише у деяких роботах зроблені спроби аналізу пружно деформованих СМ при експлуатації в умовах ударних збурень.

Тому науковий пошук нових способів зважування вантажів та матеріалів у екстремальних умовах металургійних виробництв, вивчення можливостей розроблених способів, визначення галузей їх застосування, створення та удосконалення ударостійких електромеханічних ваг, що реалізують ці способи, є актуальним завданням.

Другим, не менш важливим завданням при створенні та удосконаленні вагодозуючого обладнання є підвищення точності дозування сипучих, кускових матеріалів та розплаву, яке може бути досягнуто шляхом розроблення нових способів керування установками подачі та покращенням їх характеристик. Забезпечення потрібної точності дозування матеріалів дозволяє стабілізувати технологічні процеси, отож підвищити якість металопродукції та проводити її облік.

У даній дисертації узагальнено та систематизовано досвід автора у проведенні досліджень, розробленні, дослідно-промисловій перевірці і освоєнні вагових пристроїв, дозаторів та систем автоматичного дозування шихтових матеріалів та розплаву у ливарному виробництві та металургії.

Основний наголос зроблено на. дослідженні пружно деформованих СМ з метою створення та удосконалення електромеханічних ваг з підвищеною ударостійкістю, призначених для експлуатації у екстремальних умовах металургійних виробництв.Размещено на Allbest.ru

Роботу виконано в Інституті проблем лиття Академії наук України (з 1996 р. - Фізико-технологічний інститут металів та сплавів) у період 1971-1997 рр. в рамках Постанов Президії АН України та планів робіт з нової техніки Міністерств верстатобудівної та інструментальної промисловості; тракторного та сільськогосподарського машинобудування; електротехнічної промисловості; чорної металургії; хімічного машинобудування; автомобільної промисловості.

У постановці задачі досліджень, їх методичному обґрунтуванні, всебічному обговоренні одержаних результатів велику допомогу автору надав академік НАН України В.О.Єфімов, а у проведенні досліджень та їх практичній реалізації - співробітники відділів автоматизації, лиття сталі, магнітної гідродинаміки, конструкторські відділи Інституту проблем лиття АН України, а також співробітники металургійних служб та цехові робітники машинобудівних та металургійних заводів, що освоювали нову техніку. Автор висловлює їм щиру подяку за надану допомогу.

Мета роботи. Основна мета роботи полягає в удосконаленні існуючих та розробленні нових технологій шихтовки, заливання розплаву у ливарні форми з використанням створеного спеціалізованого обладнання та алгоритмів управління процесами. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

- розробити нові способи зважування на основі пружно деформованих СМ, які забезпечують підвищення ударостійкості електромеханічних ваг;

- виконати аналітичні та експериментальні дослідження статичних та динамічних характеристик електромеханічних ваг з різними СМ;

- розробити, дослідити і створити спеціалізоване обладнання для дозування шихтових матеріалів та розплавів;

- розробити нові алгоритми для систем управління процесами плавки та заливання розплавів у ливарні форми, визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом;

- на основі створеного обладнання і алгоритмів управління розробити та освоїти у промислових умовах технологічні процеси завантаження шихти у вагранки та електропечі, заливання розплавів з чавуну і сталі у ливарні форми ваговим методом.

Методи досліджень. Результати теоретичного аналізу кінематичних схем пружно деформованих СМ стали основою вибору їх параметрів, вплив яких на метрологічні характеристики розроблених електромеханічних ваг вивчали на фізичних моделях з використанням різних силовимірювальних датчиків, спеціальних пристроїв, накладних гир та електронної апаратури для індикації та реєстрації результатів вимірів.

Аналіз диференціальних рівнянь динаміки електромеханічних ваг дозволив визначити основні параметри, змінюючи які можна одержати мінімальну динамічну похибку зважування в умовах систематичних чи випадкових ударних збурень на СМ. Дослідження перехідних процесів у вагах при різних видах збурень проводили на фізичних моделях з використанням записуючої апаратури у реальному масштабі часу.

Дослідження статичних і динамічних характеристик процесу дозування сипучих, кускових матеріалів та розплавів проводили на фізичних моделях та експериментальних стендах у лабораторних умовах, а також дослідно-промислових зразках в умовах металургійних виробництв із застосуванням аналогових та цифрових засобів вимірювань.

При дослідженні впливу на точністні характеристики алгоритмів керування процесом дозування шихтових матеріалів та процесом визначення кількості однотипних виливків у тарі методом зважування використовували персональний комп'ютер ІВМ Р/С. Одержані експериментальні дані оброблювали, користуючись методами математичної статистики та засобами обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. Теоретично обґрунтовано можливість використання пружно підвішеної платформи для створення ударостійких силовимірювальних механізмів електромеханічних ваг на основі прямого, зворотного та подвійного методів перетворення сили у електричний сигнал. Експериментально підтверджено, що сумарну деформацію пружного підвісу під дією навантаження слід вимірювати у центрі жорсткості платформи, координати якого у загальному випадку не співпадають з координатами її центру симетрії. Методом кутових випробувань одержано залежності похибки зважування від розташування вантажу на платформі, які характеризують вплив координат місця змикання вимірювального перетворювача з платформою.

Встановлено, що енергія удару у розроблених комбінованих електромеханічних вагах поглинається до силового входу силовимірювальних датчиків, тобто створено умови для їх надійного захисту від статичних та динамітних перевантажень. Одержано експериментальні дані про характер перехідних процесів у цих вагах при різних видах збурень, а також про динамічну точність зважування в умовах ударних збурень.

Розроблено наукові методи розрахунку конструктивних елементів пружно деформованих СМ, що дозволило створити гаму вагових пристроїв з підвищеною ударостійкістю для дозування сипучих, крупнокускових матеріалів та розплавів в екстремальних умовах металургійних виробництв.

Розроблено математичні моделі і спеціалізовані алгоритми дозування кускових матеріалів та розплавів, що дозволило створити ефективні системи автоматичного управління процесами завантаження шихти у вагранки та електропечі, заливання розплавів у ливарні форми, визначення кількості однотипних дрібних виливків у тарі ваговим методом.

Вірогідність одержаних результатів обумовлена використанням фундаментальних положень теоретичної механіки, вимірювальної техніки, методів математичної статистики, добрим збігом результатів експериментів з розрахунками та аналітичними висновками, а також дослідно-промисловою перевіркою та експлуатацією створеного ваго-дозуючого обладнання.

Практичне значення роботи. Визначено статичні та динамічні характеристики електромеханічних ваг з пружно деформованими СМ, розробленими на основі нових способів зважування, що дозволяє розраховувати параметри окремих елементів та режим роботи ваг у різних діапазонах зважування, оцінювати можливості цих ваг у технологічних процесах та є основою подальшого удосконалення конструкцій ваг для екстремальних умов експлуатації.

Створено дослідно-промислові зразки нового ударостійкого обладнання та алгоритми управління процесами шихтовки, заливання розплаву у ливарні форми та обліку готової продукції по масі та кількості, які забезпечують підвищення якості та виходу придатного литва, економію сировини та енергоносіїв.

На захист виносяться:

- теоретичне обґрунтування нових способів зважування на основі пружно деформованих СМ, які забезпечують підвищення ударостійкості ваг;

- закономірності зміни метрологічних показників та особливості динамічних процесів в електромеханічних вагах при ударних збуреннях;

- методи, фізичні моделі та апаратура для проведення експериментальних досліджень статики і динаміки електромеханічних ваг з різними СМ;

- створене в результаті проведених досліджень обладнання з підвищеною надійністю та довговічністю для дозування шихти та розплавів, визначення кількості виливків у тарі ваговим методом;

- нові алгоритми управління процесами зіставлення шихти та заливання розплаву у ливарні форми;

- нові та удосконалені технології дозування та завантаження шихти у вагранки та електропечі, заливання розплаву у разові та постійні ливарні форми з використанням вагового методу, які забезпечують підвищення якості та виходу придатного литва, економію сировини та енергоносіїв.

Особистий внесок здобувача полягає у тому, що, будучи ініціатором, відповідальним виконавцем та науковим керівником робіт, він запропонував нові способи зважування та дозування матеріалів, приймав безпосередню участь у розробленні силовимірювальних механізмів, принципіальних схем і конструкцій вагодозуючого обладнання, їх реалізації на усіх етапах проектно-конструкторських, дослідно-технологічних та впроваджувальних робіт, а також розроблював методики та фізичні моделі, проводив експериментальні дослідження статики та динаміки процесів зважування і дозування у лабораторних та виробничих умовах, обробив та. проаналізував одержані дані. Узагальнення результатів досліджень, формування структури, написання та оформлення книжок, брошур та статей у співавторстві виконувалось під керівництвом та при безпосередній участі автора. Основні теоретичні положення та практичні рекомендації розроблено та сформульовано автором особисто. Внесок автора у надрукованих із співавторами роботах полягає в наступному: [1-5, 17-21] - написані розділи, що стосуються силовимірювальних датчиків, ваговимірювальних схем, дозаторів та систем дозування шихтових матеріалів та рідкого металу; [23-27] - постановка задач, розроблення методик фізичних моделей, планування та проведення експериментів, аналіз та узагальнення одержаних результатів; [22, 22-30] - постановка задачі, розроблення алгоритмів і функціональних схем керування процесом визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом.

Реалізація результатів роботи у промисловості. Проведені дослідження дозволила розробити, випробувати та реалізувати на заводах вагодозуюче обладнання для ливарних та металургійних технологій:

- лінію автоматичного паралельного дозування, підігріву та подачі шихти у індукційні печі ИЧТ-31/7,5 на Київському заводі ім. Лепсе ВО «Київтрактородеталь»;

- лінію послідовного дозування та подачі шихти у вагранки на заводі «Лієпайсільмаш» («Гідролат»), м. Лієпая, Латвія;

- пересувні бункерні ваги для шихти на Харцизському трубному заводі, ДВО «Мінський тракторний завод», заводі «Кролевецьпромарматура»;

- пересувні платформені ваги для шихти на заводі «Електроцентролит» (м. Баку, Азербайджан), Керченському металургійному заводі ім. Войкова, Савеловському машинобудівному заводі (м. Кімри, Росія), Тернопільському комбайновому заводі, ВАТ «Шліфверст» (м. Лубни), заводі фрезерних верстатів (м. Дмитров, Росія), ВАТ «Рязцентролит» (м. Рязань, Росія);

- стаціонарні платформені ваги для шихти на заводі «Електроцентроліт» (м. Баку), Луганському верстатобудівному заводі;

- розроблено та передано заводу «Кузлитмаш» (м. Пінск, Республіка Білорусь) конструкторська документація для централізованого виготовлення вагодозуючого обладнання ліній паралельного та послідовного дозування та подачі шихти у плавильні агрегати;

- установки для дозованої подачі твердих феросплавів у ківш при випуску сталі з конвертера на Маріупольському металургійному комбінаті ім. Ілліча;

- автоматичні вагові МДН-дозатори рідкого чавуну на Київському заводі ім. Лепсе ВО «Київтрактородеталь»;

- стаціонарні платформені ваги для виливків у тарі на ВО «АвтоКрАЗ» (м. Кременчук);

- пристрій для автоматичного визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом на ВАТ «Рязцентролит» (м. Рязань, Росія).

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на 12-ти науково-технічних конференціях, нарадах та семінарах:

- «Автоматизація процесів зважування та дозування» (м. Одеса, 1971, 1985);

- «Автоматизація та механізація ливарних процесів» (м. Дніпропетровськ, 1971, 1975);

- «Автоматизація та комплексна механізація ливарного виробництва» (м. Луганськ, 1981);

- «Досвід проектування, реконструкції, механізації та автоматизації ливарних цехів та заводів» (м. Ленінград, 1978);

- «Удосконалення процесів розливки та кристалізації сталі» (Київ, 1984);

- «Автоматизація процесів машинобудування» (Москва, 1974, 1976);

- «Автоматизація ливарних процесів» (Київ, 1991, 1993);

- «Моделювання, керування та прогнозування у технічних системах» (Владивосток, 1991).

Публікація результатів. По темі дисертації надруковано ЗО наукових праць, в тому числі 11 без співавторів, та отримано 49 авторських свідоцтв на винаходи і патенти. Матеріали дисертації увійшли в книжки: «Дозирование литейных материалов», автори В.Й. Врублевський, К.С. Богдан, В.М, Горбенко, В.М. Денисенко, Ю.П. Каширін. Київ: Наукова думка, 1973. 192 с.; «Весодозирующее оборудование литейных цехов», автори К.С. Богдан, В.М. Горбенко, В.М. Денисенко, Ю.П. Каширін. М.:Машиностроение, 1977. 256 с.; «Средства и системы автоматизации литейного производства», автори К.С. Богдан, В.М. Горбенко, В.М. Денисенко, Ю.П. Каширін. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

У роботах [1, 6, 11, 1З, 16, 23, 25, 27] приведені методики та результати досліджень пружно деформованих СМ, вагових пристроїв та дозаторів; у роботах [2-5, 7-10, 12, 14, 15, 17-22, 23-26, 28-30] - результати досліджень та розроблення конструкцій вагодозуючого обладнання; у роботах [11, 22, 29, 30] - результати досліджень та розроблення у галузі визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація викладена на 268 стор. машинописного тексту, складається з вступу, шести розділів з висновками по кожному розділу, загальних висновків, 20 додатків, містить 113 рисунків, 26 таблиць та список використаних літературних джерел з 159 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі наведено обґрунтування актуальності роботи, поставлено загальні задачі досліджень, спрямованих на удосконалення ливарних технологій на основі створення ударостійких електромеханічних ваг, дозаторів та систем дозування ливарних матеріалів. Викладено мету роботи, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, наведено положення, що винесені на захист, а також загальні відомості про реалізацію розроблень у промисловості, публікації та апробацію роботи.

У першому розділі розглянуто особливості технологічних процесів зіставлення шихти та заливки розплаву у форми, наведено результати аналізу та класифікацію вагодозуючого обладнання, яке використовують у ливарних технологіях. На основі цього аналізу стану проблеми автором сформульовано задачі досліджень та прикладних розроблень дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянуто основні положення теорії та наведено результати розроблення нових способів зважування з використанням пружно деформованих силовимірювальних механізмів.

Сила є однією з основних величин у механіці. Фізичне проявлення сили - прискорення та деформації.

Зв'язок між силами та. деформаціями є основою сучасної силовимірювальної техніки,

Особливості вимірювання сили зводяться до наступних основних проблем:

- векторний характер вимірювальної сили;

- допустима похибка вимірювань;

- обмежені механічні напруження у реальних матеріалах;

- різне поводження окремої та умонтованої вимірювальних систем.

Для вимірювання сили використовують різні способи, серед яких найбільш зручними та перспективними є електричні, що мають ряд переваг порівняно з механічними та одержали найбільше поширення.

Е. Бауманн сформулював три основні задачі силовимірювальної техніки, з яких безпосередньо до галузі ваговимірювальної техніки відноситься задача вимірювання маси при відомому прискоренні під дією земного тяжіння.

Основним елементом електромеханічних ваг, який визначає їх надійність та довговічність, є СМ, конструкція якого повинна задовольняти вимоги, які пред'являють умови експлуатації.

При вимірюванні сили, створеної масою вантажу, що підлягає зважуванню, у екстремальних умовах металургійних виробництв основною проблемою є ударостійкість силовимірювального механізму, без рішення якої одержання цілком імовірної інформації про масу вантажів і матеріалів практично стає неможливим. Тому однією з основних задач при створенні вагодозуючого обладнання є підвищення ударостійкості, а отже надійності та довговічності електромеханічних ваг при забезпеченні високих метрологічних показників.

У цьому розділі розглянуто особливості вимірювання маси електричними методами, сформульовано основні вимоги до електромеханічних ваг, проаналізовано пружно-чутливі елементи і зроблено висновок, що найбільш перспективними є СМ з комбінованими пружно-чутливими елементами, використання яких відкриває добрі можливості підвищення ударостійкості електромеханічних ваг. Вивчено вплив ударних навантажень на пружно деформований СМ при різній жорсткості пружних елементів, висоті падіння, швидкості та масі вантажу. Розглянуто похибки електромеханічних ваг та виділено ті з них, величина яких залежить від характеру збурюючих впливів і зокрема ударів. Наведено характеристику здатності ваг до перевантаження, представлену на рис. 1, де m_П - маса додаткового вантажу (тари); m_Н - номінальна маса, до якої всі гарантовані вимірювальні властивості зберігаються повністю; m_Z - допустима вимірювальна маса, яка з гарантією не викликає ніяких порушень в СМ і ще можливі вимірювання з дещо меншою точністю; m₁ - гранична маса вантажу, перевищення якої викликає необоротне відхилення нуля; m₂ - гранична маса, перевищення якої викликає необоротні зміни чутливості; m₃ - руйнівна маса вантажу.

Співвідношення значень меж навантаження у конкретних ваг повинно відповідати ряду

Таким чином, необхідною умовою підвищення ударостійкості електромеханічних ваг є обмеження навантаження на силовимірювальний датчик до рівня , що, на наш погляд, найбільш ефективно забезпечує надійний захист ваг від статичних та динамічних перевантажень.

Тому нами була поставлена задача розроблення нових способів зважування та пристроїв, що їх реалізують, які забезпечують гарантований захист силовимірювальних датчиків від перевантажень.

Спосіб зважування вантажів на пружно підвішеній платформі полягає у вимірюванні сумарної деформації пружного підвісу у центрі жорсткості платформи відносно нерухомої основи та калібровці вимірювальної схеми у відповідності з фактичною жорсткістю пружного підвісу.

Пружно підвішену платформу спрощено можна представити у вигляді балки АВ (рис. 2,а), яка спирається на пружні елементи. Сила Р, яка створена масою вантажу, що підлягає зважуванню, у загальному випадку прикладена до балки АВ з ексцентриситетом та дорівнює

P=R_A+R_B, (1)

де R_A - реакція пружної опори А;

R_B - реакція пружної опори В.

Лінійне переміщення =R_Bz (2)

де z - податливість пружного підвісу.

Лінійне переміщення точки С, яка є центром симетрії балки дорівнює

Реальна, пружно підвищена платформа має кінцеву довжину a=l та ширину b, що потребує розгляду платформи як сукупності балок, паралельних її поперечній та поздовжній осям симетрії, а вираз набуває такий вигляд

Очевидно, що лінійне переміщення _C центру симетрії платформи при деформації пружних елементів під дією сили Р в ідеальному випадку не залежить від ексцентриситету прикладання сили Р. Тому при вимірюванні _C за допомогою датчика лінійних переміщень одержуємо вихідний сигнал, який також не залежить від місця прикладання сили до платформи.

У загальному випадку, коли центр симетрії не співпадає з центром жорсткості пружно підвішеної платформи виникає похибка вимірювань _C.

При ідентичності характеристик пружних елементів та ваговій симетрії платформи центр жорсткості співпадає з центром симетрії і _C = 0.

Функціональна схема одного з варіантів реалізації цього способу зважування з використанням пересувної пружно підвішеної платформи показана на рис. 2, б.

Відмітною особливістю розробленого способу зважування є хороша можливість захисту пристроїв, які його реалізують, від статичних та динамічних перевантажень шляхом використання механічних шунтів та демпферів, а також суттєвого зниження металоємкості СМ.

Для підвищення точності та надійності процесу зважування в умовах ударних та неосьових впливів нами запропоновано спосіб зважування, оснований на зворотному перетворюванні сили, схема реалізації якого приведена на рис. З, а. До силовимірювальних датчиків І прикладено дві зустрічно направлені сили, одна з яких Р_б створена вантажем постійної маси і викликає деформацію пружних елементів датчиків І, якій відповідає сигнал U_б, що надходить на перший вхід елементу порівняння 6. Інша сила створена масою Р_Г вантажу, який зважують, та прикладена до датчиків 1 з коефіцієнтом тобто

Для компенсації сигналу U_б від постійної сили Р_б на другий вхід елементу порівняння 6 із блоку 3 подається сигнал U_к при , тобто .

Оскільки, при вимірюванні використано зворотно пропорціональну залежність деформації пружних елементів від навантаження.

Очевидно, що при використанні існуючих способів зважування сумарну вантажопідйомність силовимірювальних датчиків вибирають, виходячи з номінального навантаження 10 тс, а при використанні запропонованого способу - виходячи з номінального навантаження 1,5 тс, що дозволяє використовувати датчики більш високої чутливості, а отже підвищити точність та надійність зважування, особливо в умовах ударних та неосьових впливів, за рахунок поглинання ударів постійною масою Р_б, роботи датчиків у режимі розвантаження та строго осьового прикладення навантаження до датчиків незалежно від вектора сили, створеної масою вантажу, що зважують.

Для реалізації запропонованого способу зважування розроблені електромеханічні ваги з баластним вантажем (рис. 3,б), у яких з'являється можливість значно зменшити вплив навколишнього середовища на точність зважування, тому що силовимірювальні датчики з встановленим на них баластним вантажем віддалені від об'єкту зважування, можуть бути надійно захищені кожухом (екраном) та, при необхідності, термостатовані, що покращує також і умови експлуатації.

У розвивання способу зважування вантажів на пружно підвішеній платформі нами було розроблено спосіб подвійного перетворення сили, який забезпечує з високою мірою надійності захист силовимірювальних датчиків від статичних та динамічних перевантажень. Цей спосіб полягає у перетворені сили Р, створеної масою m_Г вантажу у лінійне переміщення центру жорсткості пружно підвішеної платформи, наступного перетворення у силу F_n за допомогою передаточного пружного елементу та введення її на силовий вхід силовимірювального датчика, вихідний сигнал якого є пропорційним масі m_Г вантажу.Размещено на Allbest.ru

Відмітною особливістю цього способу при його реалізації є поглинання енергії удару у основних пружних елементах, заспокоювачі коливань, а також механічних обмежниках, у результаті чого виключаються перевантаження силовимірювального датчика і, тим самим, підвищується надійність та довговічність ваг в умовах ударних збурень.

У третьому розділі наведено результати досліджень статичних характеристик електромеханічних ваг з різними СМ, розроблених на основі запропонованих способів зважування. Основну увагу при проведенні досліджень було приділено аналізу точності СМ при різному характеру надходження матеріалу (вантажу) на ваги, а також їх надійність та довговічність стосовно умов металургійних виробництв.

Виконано аналіз точності електромеханічних ваг на базі розімкненого (РСМ) та замкненого (ЗСМ) важільно-пружних СМ. Одержано вирази для основних складових статичної похибки зважування. Встановлено, що мінімально можлива сумарна статична похибка, зважуючи на наявність тертя у шарнірах важелей, становить 0,5% від НМЗ. Це підтверджують результати експериментів у лабораторних та промислових умовах.

Удосконалений ЗСМ з плаваючими шарнірами у вигляді спарених підшипників має такі ж метрологічні показники, як і ЗСМ з кулачковими парами, але при більш високій ударостійкості, що також підтверджено експериментально.

Для вивчення особливостей пружно підвішеної платформи у якості елементу СМ електромеханічних ваг були проведені експериментальні дослідження на фізичній моделі ваг згідно із спеціально розробленою методикою.

Пружно підвішена платформа є статично невизначеною системою, яка має n ступенів свободи, причому центр симетрії платформи у загальному випадку не співпадає з її центром жорсткості. У зв'язку з цим були проведені досліди по визначенню координат центру жорсткості, для чого механізм змикання вимірювального важеля з платформою було забезпечено фланцем з отворами, розташованими на концентричних колах, причому центр фланця та центр симетрії платформи співпадають. Шляхом розміщення кульки у всі отвори фланця, були зняті залежності, які характеризують вплив розташування вантажу на платформі на показання вторинного приладу при варіюванні положення місця змикання вимірювального датчика з платформою.

У результаті експериментальних досліджень були визначені метрологічні показники електромеханічних ваг з пружно підвішеною платформою та диференційно-трансформаторною ваговимірювальною схемою для різної жорсткості пружного підвісу та ціни поділки вторинного приладу, а також при введені еталонної напруги та використання накладних гирь. Встановлено, що чутливість, похибка зважування, вірність та повторюваність показань, стабільність «нуля», ударостійкість цих ваг відповідають вимогам експлуатації в умовах ударних та неосьових збурень.

Для дослідження електоромеханічних ваг з баластним вантажем, які реалізують запропонований нами спосіб зважування із зворотним перетворенням сили було розроблено і виготовлено фізичну модель таких ваг, яка дозволяє варіювати наступні параметри: жорсткість пружного підвісу платформи; передаточне відношення важеля; маса баластного вантажу; номінальне навантаження силовимірювальних датчиків; коефіцієнт підсилення вимірювального тракту; діапазони вимірювання маси.

Аналіз одержаних експериментальних даних після їх статичного оброблення показав, що максимальна похибка від розташування вантажу на платформі на перевищує 0,1% від НМЗ, а її середнє значення становить 0,06%. Також встановлено, що статична характеристика ваг лінійна у заданому діапазоні зважування (0-50 кг), а середнє значення похибки від нелінійності становить 0,12%.

Для дослідження впливу ударних навантажень на метрологічні характеристики цих ваг вантажі масою 1, 5, 10 та 20 кг кидали на платформу з висоти 0,5 м. При цьому більш менш помітних змін похибки зважування, чутливості, повторюваності показань не спостерігалось, що підтверджує придатність розробленої конструкції СМ з зворотним перетворенням сили для створення елетромеханічних ваг підвищеної ударостійкості.

Експериментальні дослідження елетромеханічних ваг з пружинно-тензометричними СМ, які реалізують спосіб зважування з подвійним перетворенням сил, проводилась на фізичній моделі ваг у лабораторних умовах при варіюванні наступних параметрів: коефіцієнт передачі сили від вантажу, що треба зважити, на датчик; жорсткість передаточної пружини; сумарна жорсткість пружного підвісу платформи; параметри ваговимірювальної схеми; вид збурюючих впливів.

Визначено залежності показань вторинного приладу (АЦП) від розташування вантажу на платформі. Середні значення похибок по повздовжній та поперечній осям не перевищує 0,15% від НМЗ. Виміри, виконані методом кутових випробувань, дали такі ж результати.

Встановлено, що статична похибка зважування при використанні мікропроцесорного блоку вимірювання та індикації маси не перевищує 0,1% від НМЗ, що цілком задовольняє вимогам ливарних та металургійних технологій. Одержано дані про оптимальне співвідношення жорсткості пружного підвісу платформи та передаточного пружного елементу. Випробування в умовах ударних впливів показали, що на силовий вхід датчика удари практично не проходять, тобто забезпечено надійний захист його від перевантажень.

У четвертому розділі викладено результати аналітичних та експериментальних досліджень динаміки електромеханічних ваг з різними СМ при ударних збуреннях.

Вивчено особливості руху пружно деформованих СМ при різних видах збурень. Аналіз диференціальних рівнянь, які описують динамічні процеси у електромеханічних вагах показав, що при ударному збуренні динамічна похибка зважування прямо пропорційна швидкості, масі падаючого вантажу та обернено пропорційна власній частоті коливань та змінній масі СМ. Встановлено, що при високій жорсткості пружних елементів СМ та використанні у якості вторинного приладу цифрового автокомпенсатора або мікропроцесорного блока вимірювання та індикації маси вихідний параметр ваг відтворює інтегральну функцію Q(t) поступаючого матеріалу практично без викривлень, тобто динамічна похибка в цьому випадку є мінімальною.

Експериментально на дослідних зразках комбінованих електромеханічних ваг з важельно-пружними СМ визначено вплив сили тертя у шарнірах кінематичного ланцюга СМ на динамічні показники, одержано залежності тривалості перехідного процесу від маси та висоти падіння вантажу, маси СМ, жорсткості пружних елементів, а також динамічної похибки ваг від зміни розходу та ступеня демпфірування.

Динамічні процеси у електромеханічних вагах з пружно підвішеною платформою на відзнаку від ваг з РСМ та ЗСМ, з огляду на відсутність силових шарнірних вузлів, описуються диференціальним рівнянням, в якому коефіцієнт дисипації визначається тільки внутрішнім тертям у пружному підвісі та демпфіруванням. Характер перехідних процесів у таких вагах є подібним перехідним процесам у вагах з важельно-пружними СМ. При нецентральному ударному збуренні на платформу ваг, коли ексцентриситет прикладення навантаження не дорівнює нулю, рух центру жорсткості платформи відмінний від руху її кутів, що обумовлено появою обертаючої сили. Це підтверджено експериментально. В ідеальному випадку при = 0 та абсолютно однаковій жорсткості усіх пружних елементів, рух платформи після удару буде плоскопаралельним.

Експериментальні дослідження динаміки пружинно-тензометричних ваг, реалізуючих спосіб зважування з подвійним перетворенням сили, проводились на фізичній моделі шляхом осцилографування перехідних процесів при ступінчатому та ударному збуреннях. Змінними параметрами були вибрані: маса m_n платформи, висота h падіння вантажу та сумарна жорсткість пружного підвісу, включаючи жорсткість передаточної пружини.

Одержано експериментальні дані, які дозволяють зробити висновок, що інерційність пружинно-тензометричних ваг трохи збільшується (приблизно на 10-20%) у порівнянні з «чисто» тензометричними вагами. Проте перевантажувальна здатність багаторазово зростає, тому що тензометричний силовимірювальний датчик у цих вагах практично не відчуває ударів, енергія яких поглинається у пружному підвісі платформи, заспокоювачах коливань та механічних обмежувачах, про що свідчать численні експерименти та випробування. У результаті цього строк служби ваг та надійність збільшуються, що дозволяє зробити висновок про їх придатність для експлуатації у екстремальних умовах металургійних виробництв.

У п'ятому розділі наведено результати розроблення, досліджень, випробувань та промислового використання нового і удосконаленого вагодозуючого обладнання з підвищеною ударостійкістю для ливарних та металургійних технологій.

Розроблено однокомпонентний електромеханічний дозатор шихтових матеріалів, що має у своєму складі розхідний бункер з механізмом низькочастотного струшування, живильник (пластинчастий або вібролотковий), електромеханічні бункерні ваги з РСМ та блок керування. На. основі даних досліджень, випробувань та багатолітньої експлуатації таких дозаторів визначені їх оптимальні параметри та режими роботи, які забезпечують мінімальну похибку дозування при заданій продуктивності, а також запропоновано нові конструкції пристроїв для подачі крупнокускових та сипких феромагнітних матеріалів, які дозволяють збільшити продуктивність та зменшити похибку дозування, обумовлену характером надходження матеріалу на ваги.

Створено і удосконалено багатокомпонентні електромеханічні ваги стаціонарного та пересувного виконання для дозування шихтових матеріалів. Наведено конструкції бункерних та платформених ваг з важільно пружними СМ, дано результати їх дослідно-промислової перевірки та експлуатації на ряді заводів у процесі дозування та подачі шихти у вагранки та електропечі. Підтверджено працездатність цих ваг в умовах систематичних ударних та неосьових збурень.

Виконано аналіз та запропоновано нові технічні рішення вагодозуючих модулів із суцільним та секційним електромагнітними захватами для феромагнітних компонентів шихти. Розроблено новий спосіб дозування кускових феромагнітних матеріалів секційним електромагнітним захватом, який полягає в тому, що набирання матеріалу здійснюють у кількості не менше заданої дози комбінацією секцій захвату, знайденою ітераціоним методом, у відповідності з імовірною для цього матеріалу вантажопідйомністю кожної з них, зважують набраний захватом матеріал, визначають відхилення фактичної величини дози від заданої і скидають надлишок матеріалу з тієї включеної секції захвату, імовірна вантажопідйомність якої найбільш близька до цього відхилення, зменшуючи струм у даній секції. Вагодозуючий модуль, що реалізує даний спосіб, забезпечує підвищення точності дозування у кожному циклі та економію електроенергії.

На основі створених електромеханічних ваг і дозаторів, а також вагодозуючих модулів з електромагнітним захватом, розроблено, виготовлено та випробувано в умовах ливарних цехів системи послідовного, паралельного і комбінованого дозування та подачі шихти у вагранки та електропечі, дано рекомендації стосовно їх використання для плавильних агрегатів різної продуктивності з врахуванням конфігурації шихтових відділень.

Вивчено процеси плавки у вагранках, індукційних та дугових електропечах. На основі аналізу існуючих способів дозування та завантаження шихти у плавильні агрегати встановлено, що більшість з цих способів не у повній мірі задовольняють вимогам технології плавки стосовно точності підтримання вагового співвідношення між компонентами згідно з розрахунковим у кожному циклі завантаження і не забезпечують постійного одержання необхідного процентного вмісту хімічних елементів у шихті. Запропоновано і теоретично обґрунтовано нові способи та алгоритми управління процесом дозування і завантаження шихти у плавильні агрегати, які дозволяють згідно з розрахунками та результатами дослідно-промислової перевірки одержати більш кращі показники процесу ваграночної плавки за рахунок підтримання розрахункового співвідношення "метал-кокс, вапняк" у кожному циклі завантаження з врахуванням вологості та теплотворної здатності коксу, а також забезпечити задане процентне співвідношення хімічних елементів у шихті, що підвищує якість та вихід придатного литва, зменшує витрати сировини та енергоносіїв.

Удосконалено технологію одержання низьколегованих марок конвертерної сталі на основі використання створеної нами двохвагової дозувальної установки для завантаження твердих феросплавів у ківш при випусканні сталі із конвертера. Проведено випробування установки, які підтвердили її працездатність в умовах ударних, вібраційних та теплових збурень. Дослідна, експлуатація трьох таких установок на протязі трьох років дозволила зменшити витрати дорогих феросплавів, а отже собівартість одержаної сталі, розширити її сортамент.

Виконано експериментальні дослідження процесу заливання розплаву у форму ваговим методом за допомогою магнітодинамічних насосів. Одержано залежності похибки дозування (згідно з методом від'єднання маси) від змінного розходу. Запропоновано та досліджено алгоритм управління процесом заливання, який забезпечує зменшення цієї похибки до 0,5%.

Спільно з відділом магнітної гідродинаміки ІПЛ та Київським заводом ім. Лепсе розроблено нову технологію одержання виливків гільз тракторних двигунів відцентровим способом з використанням вагового МДН-дозатора рідкого чавуну, випробування, дослідно-промислова перевірка та експлуатація якого на протязі двох років підтвердили його працездатність та надійність в умовах ударних, вібраційних та теплових збурень. Статистичне оброблення результатів зважування 10 тисяч виливків гільз, одержаних згідно цієї технології, на контрольних вагах класу 0,1 показало, що відхилення фактичної маси виливка від розрахункової (11,5 кг) не перевищує 2,5%. Це дозволило збільшити вихід придатного литва до 85% від шихтової завалки, зменшити припуски по внутрішньому діаметру гільзи, підвищити продуктивність.

Спільно з відділом лиття сталі ІПЛ розроблено та досліджено у промислових умовах ММК ім. Ілліча принципово нову технологію безнапорного розливання конвертерної сталі у виливниці, основану на використанні двохкамерної направляючої формуючої ємкості, яка забезпечує розливання сталі ламінарним струменем нерівноосного перерізу з максимальним розходом при мінімальному напорі за рахунок створення постійного феростатичного тиску у випускній камері та підтримання його на заданому рівні ваговим методом. У 1981 році було відлито більш ніж 200 зливків масою 19 т. Оброблення одержаних експериментальних даних дозволило визначити статичну похибку та динаміку процесу заповнення виливниць при розходах, які досягають ЗО т/хв. Встановлено, що система управління процесом заливання виливниць, яка основана, на ваговому методі контролю рівня розплаву у направляючій формуючій ємкості, функціонує надійно при випадкових ударних та періодичних теплових збуреннях. На основі експериментальних даних запропоновано технічне рішення, яке враховує зміну об'єму ємкості при експлуатації, що забезпечує зменшення розбігу зливків по масі до 0,2%.

У шостому розділі наведено результати досліджень, розроблення та дослідно-промислової перевірки пристроїв для визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом.

Розглянуто та проаналізовано існуючі технічні рішення для автоматичного контролю кількості однотипних виробів у тарі за допомогою ваг. Встановлено, що стосовно до виливків крупносерійного та масового виробництва відомі методи і засоби не у повній мірі задовольняють вимоги, які пред'являє специфіка експлуатації в умовах ливарних цехів, особливо щодо ударостійкості. Визначені залежності похибки рахування виробів у партії від відхилення середньої маси виробу від розрахункової та сумарної маси виробів у тарній ємкості. Сформульовано вимоги до лічильних ваг для однотипних (однорідних по масі) виливків.

На основі запропонованого нами способу подвійного перетворення сили розроблено конструкцію та створено дослідно-промисловий зразок одноплатформених пружино-тензометричних ваг з двома діапазонами зважування та підвищеною ударостійкістю при НМЗ 100/1000 кг для визначення та . Проведено стендові випробування цих ваг в умовах ударних збурень. Визначено метрологічні показники на обох діапазонах зважування. Встановлено, що статична похибка ваг становить 0,1% від НМЗ, а ударні впливи практично не позначаються на метрологічних показниках.

Розроблені пружинно-тензометричні ваги з підвищеною ударостійкістю лягли в основу створення пристроїв для автоматичного визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом.

Для різних умов виробництва з врахуванням організації процесу лічення виливків розроблено функціональні схеми, алгоритми, написано та налагоджено на ПЕОМ типу ІВМ Р/С програми для керування процесом визначення кількості однотипних виливків у попередньо заповненій тарі та у процесі заповнення тари виливками при розбіжностях маси одного виливка, досягаючих 6%.

Удосконалено спосіб, оснований на квантованні партії виливків у процесі завантаження тари на задану кількість доз, причому число виливків у кожній дозі (n_p) повинно мати сумарну масу m_p, яка дорівнює або є меншою деякої попередньо заданої порогової маси.

Якщо стала маса «нетто» дози дорівнює або є меншою порогового значення m_p, тобто , її ділять на , одержують кількість виливків у цій дозі і додають до кількості виливків у попередніх дозах. Таким чином, похибка визначення кількості виливків у партії при використанні виразу (12) для вибору наближається до нуля, про що свідчать приведені у роботі залежності та , одержані аналітичним шляхом. Із цих залежностей видно, що при збільшенні відхилень величина асимптотично наближається до нуля, а при малих значеннях величина , тобто у цьому випадку число доз квантування партії виливків . Суттєво впливає на величину n_p, а отже і похибка ваг, із збільшенням якої . Чим менше та, тим більше n_p і менше число k доз квантування партії виливків, які завантажують у тарну ємкість.

З використанням результатів аналітичних досліджень було розроблено, виготовлено, змонтовано на місці експлуатації у цеху точного сталевого лиття ВО Рязанський ливарний завод дослідно-промисловий зразок лічильних ваг з мікропроцесорним контролером для автоматичної обробки інформації та лічильних операцій для однотипних виливків з одиничною масою від 0,02 кг до 1,0 кг у попередньо заповненій тарі. У результаті випробування цих ваг встановлено, що похибка, визначення кількості однотипних виливків не перевищує 0,5% від їх фактичної кількості у тарній ємкості.

У загальному випадку точність лічення однотипних виливків при використанні цього пристрою може бути виражено тільки двома числами - довірчим інтервалом та довірчою ймовірністю, які залежні від похибки визначення виливка, похибки ваг на обох діапазонах і може бути підвищена шляхом зменшення методичної складової похибки виливків за допомогою їх механічної обробки.

На базі лічильних ваг нами розроблено лічильно-ваговий дозатор дискретної дії для однорідних стосовно маси феромагнітних виливків, відмітною особливістю якого є автоматичне корегування у процесі заповнення тари виливками, які треба полічити. Це у значній мірі зменшує ймовірність виходу за допустимі межі, а отже підвищує точність лічення виливків у тарі. Одночасно підвищується продуктивність процесу заповнення тари виливками, за рахунок виключення зупинок живильника для визначення та корегування .

Використання створеного обладнання для визначення кількості однотипних виливків у тарі ваговим методом дозволяє зменшити невраховані втрати продукції при міжцехових обмінах та розрахунках із замовниками. Ймовірність невідповідності кількості виливків у тарі з даними, що наведено у супроводжуючому документі, автоматизувати процес обліку виливків стосовно маси та кількості, поліпшити умови праці на дільниці підготовки та відправки замовникам готової продукції.

Загальні висновки та основні результати роботи

1. Після узагальнення наявних літературних відомостей та досвіду експлуатації електромеханічних ваг з різними СМ, встановлено, що для екстремальних умов металургійних виробництв, де у багатьох технологічних процесах мають місце випадкові та систематичні ударні збурення, кращими і, на наш погляд, найбільш перспективними є СМ з комбінованим пружночутливим елементом.

2. Теоретично та експериментально досліджено вплив ударних збурень на пружно деформований СМ при варіюванні його параметрів. Встановлено, що для підвищення здатності електромеханічних ваг до перевантаження найбільш ефективним є метод шунтування силовимірювальних датчиків.

3. Вивчено особливості пружно підвішеної платформи як елементу СМ. На фізичній моделі електромеханічних ваг експериментальне підтверджено, що у загальному випадку центр жорсткості платформи не співпадає з її центром симетрії. Одержано залежності, які характеризують вплив розміщення вантажу на платформі на похибку зважування при варіюванні координат місця змикання вимірювального датчика з платформою.

4. На основі пружно підвищеної платформи розроблено і теоретично обґрунтовано нові способи зважування з прямим, зворотним та подвійним перетворюванням сили у електричний сигнал, які забезпечують підвищення ударостійкості електромеханічних ваг, реалізуючих ці способи. Експериментальні дослідження електромеханічних ваг з різними СМ дозволили визначити вплив ексцентриситету навантаження на результати зважування, чутливість, вірність показань, одержати дані для вибору конструктивних параметрів СМ та ваг в цілому. Встановлено, що статична похибка таких ваг з мікропроцесорним блоком вимірювання та індикації маси не перевищує 0,1% від НМЗ.

...