Проектирование вал-шестерни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

выплавка сталь шестерня вал

Металлургическая промышленность России в настоящее время включает 24 группы самостоятельных производств, 220 предприятий черной металлургии, 731 предприятие цветной металлургии, производящих металлопродукцию. Из всего объема стали, произведенной в 2006 году, примерно 90% - на счету шести крупных компаний: Евразхолдинг, ММК, «Северсталь», НЛМК, «Уральская сталь», стальная группа Мечел. В перспективе до 2010 г. в черной металлургии России сохранится тенденция роста технического уровня и улучшения качества металлопродукции на всех переделах. Численность промышленно - производственного персонала в металлургии приближается к 1,3 млн. человек. На производство продукции металлургического комплекса расходуется от общего объема промышленного потребления: 15% топлива, 36% электроэнергии, 40% сырьевых ресурсов. На металлургию приходится 25% грузов, перевозимых железнодорожным транспортом. Металлургический комплекс страны обеспечивает 14% налоговых платежей промышленности в консолидированный бюджет, 15% общероссийского объема валютной выручки, 95% потребляемых конструкционных материалов, что в значительной степени определяет уровень загрузки производственных мощностей базовых отраслей экономики России. Значительная часть металлургических предприятий являются градообразующими, и результаты их работы определяют социальную стабильность многих регионов.

В условиях избытка мощностей (175 млн. т.) на мировом рынке стали получили развитие протекционистские меры разных государств по защите национальных производителей, участились случаи нарушения принципов международной торговли сталью. В связи с этим по инициативе США и ряда других западных стран в рамках ОЭСР был организован форум многосторонних переговоров о сокращении неэффективных мощностей. В результате часть прогрессивных технологий производства стали (конвертерного и электросталеплавильного) увеличились, а часть мартеновского производства сократилась. Доля непрерывной разливки стали возросла с 24,1 до 63,0%.

Объем мартеновского производства в России все еще остается максимальным по сравнению с другими странами. В соответствии со стратегией развития черной металлургии России до 2010 года предусматривается ужесточение мер, касающихся вывода из эксплуатации мартеновских печей, в том числе: нормирование экологических выбросов на основе прогрессивной технологии, разработка технологических регламентов. Стоит отметить, что экологические выбросы загрязняющих веществ при мартеновском производстве почти в 2 раза выше, чем при электросталеплавильном. Минпромнауки России представило предложения в Минприроды России по размеру технологических нормативов для сталеплавильного производства на уровне электросталеплавильного производства с прогрессивной шкалой платежей до 5 лет, с последующим закрытием мартеновского производства в случае необеспечения установленных нормативов.

Инвестиционная программа «Северстали» на 10-летний период составляет порядка 1,5 млрд. долларов США. В результате ее реализации компания планирует существенное наращивание объемов производства, и доведение выплавки конвертерной стали до 9,5 млн. тонн в год, электростали - до 2,1 млн. тонн. К 2013 году производство проката должно достигнуть уровня 10,7 млн. тонн, стали - 11,6 млн. тонн в год. До 2010 года прогнозируется вывод из эксплуатации мартеновских печей, обжимных и заготовочных станов.

Мощности по выплавке стали в России составят 69 млн. тонн, производство стали вырастет до 65 млн. тонн в том числе: конвертерная сталь - 70%; электросталь - 30%. Часть непрерывной разливки возрастет с 50% в 2002 году, до 80% в 2010 году. Выпуск готового проката составит 50 млн. тонн, из которых 30 млн. тонн идут на внутренний рынок, и 20 млн. тонн для экспорта (40% объема производства). Высокий рост потребления стальной продукции до 2010 года прогнозируется: в машиностроении в 1,8 раза, в строительстве - в 1,4 раза, на железнодорожном транспорте - в 1,5 раза, в трубопроводном транспорте - в 1,8 раза. Это позволит довести потребление проката на душу населения с 170 кг в 2000 году до 238 кг в 2010 году. Большая часть металлургических предприятий являются градообразующими, и результаты их работы определяют социальную стабильность большинства регионов. Таким же предприятием является и «Северсталь».

День рождения Череповецкого металлургического комбината считается 24 августа 1955 года, когда был получен первый череповецкий чугун на построенной домне №1. Для того чтобы производственный процесс был полным построены различные цеха и производства. Сегодня комбинат - это мощное предприятие, имеющее в своем составе агло-доменное производство, заключающее в себе 2 аглофабрики и 5 домен, в том числе самую мощную во всем мире «Северянку». Сталеплавильное производство, состоящее из конвертерного производства, мартеновского и электросталеплавильного цехов.

Прокатного производства, в которое входят обжимной и сортопрокатный цеха, а также листопрокатные станы. Для изготовления и ремонта оборудования основных производств возведены ремонтные цеха: РМЦ-1 и 2, КМЦ, ФЛЦ, ЦРМО-1 и 2, ЦРПО и ЦРСО. В целях обеспечения металлургического цикла материалами, созданы мощные АТЦ и УЖДТ, а также возведены несколько вспомогательных цехов.



1. Анализ состояния вопроса, постановка целей и задач

1.1 Состав оборудования цеха выплавки стали. Последовательность технологического процесса

Самым крупным из сталеплавильных цехов является конвертерное производство, днем рождения которого считается 6 ноября 1980 года. В производство входят 4 цеха:

- цех первичной переработки шлака, шихты и миксеровозов;

- цех выплавки стали;

- цех разливки стали;

- цех экзотермических шлакообразующих смесей.

На долю конвертерного производства приходится примерно 80% стали выплавленной на комбинате за год.

Цех выплавки стали состоит из отделения конвертеров, имеющего в своем составе 3 конвертера емкостью 350 - 400 тонн и участка футеровки и подготовки сталеразливочных ковшей. Выплавку стали в конвертере и его транспортировку для разливки обеспечивает блок механического оборудования, состоящий из машины подачи кислорода, вертикального тракта подачи сыпучих материалов, конвертера, подвижной муфты, сталевоза и шлаковоза.

В конвертерном производстве осуществляется передел чугуна в сталь следующих групп марок:

- углеродистая рядовая;

- конструкционная качественная;

- малоуглеродистая качественная;

- низколегированная;

- электротехническая и другие в соответствии с заключаемыми контрактами.

Основными составляющими технологического процесса в КП являются:

- выплавка стали;

- внепечная обработка металла;

- разливка выплавляемого металла;

- порезка металла с обработкой поверхности слябов.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в переделе чугуна путем кислородного рафинирования.

Доставку металлолома в скрапные отделения №1 и №2 КП осуществляют автомобильным транспортом, в железнодорожных полувагонах и в совках. Подготовленный к плавке металлолом в совках объемом 100 куб. м передают из скрапного отделения №1 в загрузочный пролет при помощи двух скраповозов, а из скрапного отделения №2 при помощи мостовых кранов грузоподъемностью 200 тонн. В передвижных миксерах вместимостью 600 тонн по специально подготовленному железнодорожному полотну со стандартной колеей из доменного цеха подают чугун в отделение перелива чугуна КП. Миксер выставляют на один из двух имеющихся в отделении путей. Поворотом бочки миксера чугун сливают в чугуновозный ковш, установленный на самоходном чугуновозе, после взвешивания, измерения температуры и отбора проб транспортируют под заливочный кран грузоподъемностью 450 - 100/20 тонн в загрузочный пролет. Конвертерный процесс плавки сопровождается образованием шлака.

Шлакообразующими материалами конвертерной плавки являются присаживаемые в конвертер известь, доломит, плавиковый шпат, агломерат, известняк, холодный конвертерный шлак и т.д. а также продукты окисления примесей жидкого металла. Кроме того, в шлак поступают оксиды растворяющейся футеровки, небольшое количество миксерного шлака, оксиды железа из ржавчины стального лома и составляющие флюсы. Шлаковый режим должен обеспечить достаточно полное удаление фосфора и серы из металла во время продувки плавки в конвертере. Формирование основного шлака сводится к растворению загружаемой в конвертер кусковой извести и доломита. Образующийся с первых секунд продувки продукт жидкой шлаковой фазе-продуктах окисления представляют собой составляющие чугуна (SiO2; MnO; FeO; Fe203). Для этого применяют мягкообожженную известь и обожженный доломит, которые поступают в отделение приема сыпучих и ферросплавов конвертерного производства из известково - доломитного цеха автомобильным транспортом. В качестве раскислителей и легирующих добавок используют твердые прокаленные кусковые ферросплавы, чушковый алюминий, алюминиевую проволоку и брикеты из алюминиевого лома. Подачу сыпучих и ферросплавов в соответствующее отделение конвертерного производства привозят большегрузным транспортом. Сыпучие материалы из приемных бункеров с помощью конвейеров передают в расходные бункера бункерной эстакады, снабженной системой вибропитателей, весов-дозаторов, течек тракта подачи материалов в конвертер и сталеразливочный ковш. В качестве газообразных энергоносителей используют кислород, азот, аргон.

Конвертера емкостью 350 - 400 тонн оборудованы для продувки плавки кислородом сверху. Необходимый на плавку расход шихтовых материалов определяется в соответствии с данными о температуре чугуна, составе шихтовых материалов, параметрах выплавляемой стали и пр.

Стальной лом при помощи мостового загрузочного крана грузоподъемностью 200 тонн загружают в конвертер. В целях ускорения шлакообразования в конвертер после загрузки лома загружают шлакообразующие вещества из расчета 40-60% общего их расхода на плавку. Жидкий чугун в конвертер заливают при помощи мостового заливочного крана, грузоподъемностью 450 - 100/20 тонн из чугуновозного ковша емкостью 350 тонн. После окончания заливки чугуна конвертер устанавливают в вертикальное положение, далее при помощи машины подачи кислорода вводят кислородную фурму и, включив подачу кислорода, начинают продувку. Пока длится процесс продувки, фурма находится на высоте 4,8 - 1,8 метра от уровня ванны в спокойном состоянии. Стоит отметить, что для ускорения шлакообразования продувку начинают при повышенном положении, а через 4 - 5 минут ее опускают до оптимального положения. Во время процедуры продувки в конвертер загружают оставшуюся часть флюсующих добавок и загружают несколькими порциями. Процесс продувки обеспечивает следующие процессы: окисление углерода, кремния, марганца и железа, шлакообразование, дефосфорация и десульфурация, расплавление стального лома, нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры. Момент окончания продувки определяют по количеству израсходованного кислорода. После завершения процедуры продувки, отбирают пробы шлака и металла, и осуществляют измерение температуры. В случае если по итогам анализа и замеров параметры металла соответствуют заданным, то плавку выпускают. А в случае несоответствия проводят додувку. После данной процедуры вновь отбирают пробы металла и измеряют температуру. При необходимости плавку охлаждают. Через летку производят выпуск плавки в сталеразливочный ковш вместимостью 385 тонн. Одновременно с этим присаживают легирующие добавки и раскислители с целью получения стали заданного химического состава. Затем шлак переливают с чаши, находящиеся на шлаковозах под конвертером, через горловину, наклоняя конвертер в сторону загрузочного пролета. Наполненные шлаковые чаши транспортируют в отделение первичной переработки шлака, там чаши освобождают при помощи кранов. Далее шлак подлежит охлаждению, переработке и дальнейшему вывозу самосвалами на шлакоотвал, а освобожденные чаши перенаправляются в цех выплавки стали или цех разливки стали.

Цикл конвертерной плавки составляет в среднем 40 минут.

После выпуска стали из конвертера, сталеразливочный ковш на сталевозе транспортируют на установку доводки металла (УДМ), где корректируют температуру и химический состав стали перед отправкой на машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Сталеразливочный ковш с металлом, доведенным до требуемого состава и температуры на УДМ, сталевозом передают из пролета внепечной обработки в передаточный пролет. Затем ковш краном грузоподъемностью 500 - 100/20 тонн поднимают на разливочную площадку МНЛЗ и ставят на разливочный подъемно-поворотный стенд, находящийся в резервной позиции. После разворота стенда в рабочую позицию начинают разливку.

Оборудование МНЛЗ обеспечивает разливку стали из 385-тонных сталеразливочных ковшей в слябы сечением 250-275 на 1020-1850 мм. Порезанные на мерные слябы стали поступают на участок приема. Часть слябов, если плавка сделана без нарушения технологии, транзитом отправляется в прокатные цеха, другая часть после остывания осматривается при помощи магнитных кранов грузоподъемностью 50/10 тонн. При необходимости производят зачистку дефектов (трещин, неметаллические включения и т.д.) ручными огневыми резаками или зачистным станком, а затем также отправляют в прокатные цеха.

Назначение и устройство машины подачи кислорода

Машина подачи кислорода (МПК) предназначена для введения кислорода в конвертер сверху через водоохлаждаемую фурму, для вертикальных и горизонтальных перемещений, связанных с подачей фурмы внутрь конвертера, и заменой вышедшей из строя фурмы резервной. Торкретирования конвертера во время ухода за его футеровкой.

В настоящее время в мире применяются четыре основных типа машин подачи кислорода: машина для подачи кислорода в конвертер с поворотной платформой; машина для подачи кислорода в конвертер без платформы; машина для подачи кислорода в конвертер с передвижной платформой и неподвижной направляющей; машина для подачи кислорода в конвертер с передвижной платформой и двумя подвижными направляющими.

В конвертерном производстве на ПАО «Северсталь» применяются два вида машин подачи кислорода. На первом и втором конвертерах применены машины с передвижной платформой и неподвижной направляющей (МПК - 1,2), на третьем конвертере с передвижной платформой и двумя подвижными направляющими (МПК-3).

Машина подачи кислорода с передвижной платформой и неподвижной направляющей, установленной на конвертерах №1 и №2, состоит из:

1. платформы, перемещающейся на двух парах ходовых колес;

2. рамы с механизмом передвижения;

3. подвески;

4. двух кареток с фурмами и металлорукавами для подвода кислорода и воды для охлаждения;

5. двух небольших подвижных направляющих кареток, закрепленных к передвижной платформе;

6. одной неподвижной направляющей кареток закрепленной к металлоконструкциям цеха;

7. комплекта электрического оборудования и контролирующей электроаппаратуры - установки командоаппаратов.

Платформа представляет собой тележку, опирающуюся на четыре ходовых колеса, на которой расположены два механизма вертикального перемещения фурмы. Каждый механизм перемещения фурмы состоит из двух электрических двигателей, соединительных муфт, тормоза ТКП-600, редуктора Ц2-1000, барабана, канатной системы с подвижным и неподвижным блоками, тахогенератора, командоаппарата, блокировки обрыва троса.

Рама представляет собой металлоконструкцию, закрепленную к рабочей площадке цеха. На ней установлены опорные и контропорные рельсы КР-120, по которым перемещается платформа с закрепленной на ней рейкой. На раме расположен реечный механизм горизонтального перемещения платформы, состоящий из электродвигателя, тормоза, редуктора, муфт, одноступенчатого редуктора и командоаппарата.

Каретка выполнена в виде сварной рамы и снабжена восемью ходовыми роликами - четырьмя опорными и четырьмя упорными, опирающимися на беговые дорожки направляющих. В каретке установлен ловитель, стопорящий ее в направляющих в случае обрыва каната. При обрыве каната штанга под действием усилий пружины опускается и увлекает за собой через систему рычагов кулачки до тех пор, пока их зубья не захватят шину, расположенную по всей длине подвижных и неподвижной направляющих кареток. После предварительного захвата под действием силы тяжести каретки кулачки окончательно зажимают шину.

Направляющая служит для направления перемещения каретки. Состоит из двух частей подвижной части, которая закреплена на перемещающейся платформе, и неподвижной, закрепленной к металлоконструкции цеха.

Фурма состоит из трех концентрично скрепленных стальных труб, заканчивающихся медным наконечником с соплами Лаваля. В верхней части фурма имеет три патрубка, соединяющихся с гибкими рукавами, через которые подается кислород и охлаждающая вода. Кислород подается по центральной трубе и через сопла наконечника поступает в ванну конвертера. Положение фурмы по вертикали контролируется сельсином. Ход фурмы регулируется командоаппаратом.

Машина подачи кислорода с передвижной платформой и двумя подвижными направляющими, установленной на конвертере №3, состоит из:

1. платформы, перемещающейся на двух парах ходовых колес;

2. рамы с механизмом передвижения;

3. подвески;

4. двух кареток с фурмами и металлорукавами для подвода кислорода и воды для охлаждения;

5. двух контргрузов, соединенных с каретками пластинчатыми цепями, проходящими через приводные и обводные блоки;

6. двух подвижных направляющих кареток, закрепленных к передвижной платформе;

7. комплекта электрического оборудования и контролирующей электроаппаратуры - установки командоаппаратов.

Платформа представляет собой тележку, опирающуюся на четыре ходовых колеса, на которой расположены два механизма вертикального перемещения фурмы. Каждый механизм перемещения фурмы состоит из двух электрических двигателей, соединительных муфт, двух тормозов ТКП-400, редуктора Ц2-650, блока приводных звездочек, блока обводных звездочек, пластинчатых цепей привода подъема или опускания фурм, тахогенератора, командоаппарата.

Рама представляет собой металлоконструкцию, закрепленную к рабочей площадке цеха. На ней установлены опорные и контропорные рельсы КР-120, по которым перемещается платформа с закрепленным на ней кронштейном для соединения с корпусом гайки. На раме в опорах расположен винт с трапециидальной резьбой длиной 5000 мм. На нем в корпусе установлена бронзовая гайка двухзаходной резьбой горизонтального перемещения платформы. Привод состоит из электродвигателя, тормоза, редуктора, муфт и командоаппарата.

Каретка выполнена в виде сварной рамы и снабжена восемью ходовыми роликами - четырьмя опорными и четырьмя упорными, опирающимися на беговые дорожки направляющих. В каретке установлен ловитель, стопорящий ее в направляющих в случае обрыва цепей. При обрыве цепи штанга под действием усилий пружины опускается и увлекает за собой через рычаги эксцентрики до тех пор, пока они поворачиваясь не прижмутся к тормозным планкам, расположенные по всей длине направляющих кареток. После предварительного прижатия под действием силы тяжести каретки экcцентрики поворачиваются и окончательно затормаживают каретку в направляющей.

Контргруз выполнен из толстого листа металла и снабжен четырьмя упорными роликами, опирающимися на беговые дорожки направляющей. На контргрузе установлен ловитель, стопорящий его в направляющей в случае обрыва цепей. При обрыве цепи штанга под действием усилий пружины опускается и увлекает за собой через рычаги экcцентрики до тех пор, пока они поворачиваясь не прижмутся к планкам, расположенные по всей длине направляющей. После предварительного прижатия под действием силы тяжести контргруза экcцентрики поворачиваются и окончательно затормаживают его в направляющей.

Направляющая по вертикали разделена на две части и служит для направления перемещения каретки по одной стороне направляющей и контргруза по другой. Направляющая закреплена верхней частью к перемещающейся платформе и имеет внизу направляющие ролики для исключения отклонения ее от вертикальной оси и облегчения смещения во время передвижения платформы.

Фурма состоит из трех концентрично скрепленных стальных труб, заканчивающихся медным наконечником с соплами Лаваля.

В верхней части фурма имеет три патрубка, соединяющихся с гибкими рукавами, через которые подается кислород и охлаждающая вода. Кислород подается по центральной трубе и через сопла наконечника поступает в ванну конвертера. Положение фурмы по вертикали контролируется сельсином. Ход фурмы регулируется командоаппаратом.

Описание работы машины подачи кислорода

Существует две схемы работы МПК в зависимости от состояния футеровки конвертера.

Схема №1 (при хорошем состоянии футеровки конвертера):

В обе каретки МПК ставятся рабочие фурмы.

После завалки м/лома в конвертер и заливки чугуна, конвертер устанавливается вертикально. Машинист дистрибутора с главного поста управления (ГПУ) опускает фурму через фурменное окно в конвертер и открывает подачу кислорода для продувки плавки. После того как плавка продута фурму приподнимают до уровня фурменного окна для осмотра на предмет течи или «закозления». Если замечаний нет, фурма остается в работе на продувку следующей плавки. Если по какой-либо из причин необходима замена, то машинист дистрибутора с ГПУ перегоняет платформу, ставя запасную фурму в рабочую позицию, а вышедшую из строя в резервную для замены.

Схема №2 (при плохом состоянии футеровки конвертера):

В правую каретку МПК ставится рабочая фурма, а в левую каретку торкрет-фурма. После продувки плавки рабочая фурма поднимается вверх до исходного положения. Машинист дистрибутора с ГПУ перегоняет платформу, ставя торкрет - фурму в рабочую позицию. После слива плавки из конвертера в сталеразливочный ковш он ставится вертикально. Машинист дистрибутора опускает фурму в конвертер, включает подачу торкрет-массы в сопла фурмы и торкретирует конвертер, т.е. на футеровку наносит защитный слой. После окончания работы по уходу за футеровкой торкрет-фурма поднимается вверх до исходного. Машинист дистрибутора опять перегоняет платформу, ставя рабочую фурму в положение для продувки плавок.

В цехе находится несколько торкрет-фурм с разным углом расположения сопел. В зависимости от расположения места наибольшего износа футеровки в конвертере, куда необходимо нанести огнеупорную массу, и выбирается фурма, затем поднимается на МПК и ставится в каретку.

Необходимость переезда МПК для работы другой фурмой может быть по причине неисправности одного из приводов подъема фурм по механической части, электрической части или энергетической части.

Недостатки привода.

При анализе простоев механического оборудования машин подач кислорода цеха выплавки стали Конвертерного производства за последние три года выявлено, что основные простои, повлиявшие на выплавку, стали принадлежат машине подачи кислорода конвертера №3, которая по конструкции отличается от МПК установленных на конвертерах №1; 2. Самая частая неисправность - это невозможность переезда платформы с фурмами для различных операций, таких как продувка плавки, торкретирование конвертера, замена фурм. Среднегодовые простои конвертера по устранению причин неисправностей составили часов 42 минуты.

Основными причинами простоев являются:

1. Попадание пыли в зазор между трапецеидальной резьбой ходового винта и двухзаходной бронзовой гайкой, вследствие чего происходит заклинивание передачи.

2. Срезание витков резьбы бронзовой гайки от их интенсивного износа, который происходит по причине прогиба винта из-за его длины (ход платформы 5 метров).

3. Трудоемкость обслуживания и ремонта механизма из-за его конструкции.

4. Отсутствие взаимозаменяемости оборудования и деталей с других машин подачи кислорода, установленных в цехе.

Поэтому целью данной дипломной работы является модернизация привода машины подачи кислорода №3. Модернизация включает замену ходового винта и гайки на привод с одноступенчатым редуктором и рейкой, который в условиях повышенной запыленности более надежен.

Согласно заданной цели необходимо решить следующие вопросы:

- рассчитать и спроектировать привод машины подачи кислорода;

- разработать общую компоновку привода;

- рассчитать экономическую целесообразность модернизации.



2. Расчет и проектирование механизма передвижения платформы машины подачи кислорода в конвертер

2.1 Назначение, конструкция и принцип действия исполнительной машины

Машина подачи кислорода (МПК) предназначена для введения кислорода в конвертер сверху через водоохлаждаемую фурму, для вертикальных и горизонтальных перемещений, связанных с подачей фурмы внутрь конвертера, и заменой вышедшей из строя фурмы резервной.

Механизм привода передвижения платформы машины подачи кислорода представлен на рисунке 1 и представляет собой зубчатую рейку (7), закрепленную к металлоконструкциям платформы по центру снизу. Для взаимодействия с ней выполнена прямозубая передача, состоящая из вал-шестерни (m = 10, z = 14) и зубчатого колеса (6) (m = 10, z = 25) установленных на подшипниках качения, в металлическом корпусе нестандартного одноступенчатого редуктора (5), закрепленного к металлоконструкциям площадки на отметке +55,6 метра.

Механизм приводится в движение стандартным приводом, состоящим из двухступенчатого редуктора (3) и электродвигателя (1) с колодочным тормозом (8). Между электродвигателем и двухступенчатым редуктором привод передается через муфту МУВП (2), между двухступенчатым редуктором и нестандартным одноступенчатым редуктором через муфту зубчатую (4). Крайние положения платформы машины подачи кислорода (ход платформы) контролирует командоаппарат 10, включенный в электросхему привода и конечные выключатели. Привод на командоаппарат от редуктора осуществляется через муфту кулачковую (9).

Ход платформы машины подачи кислорода S =5,0 метров.

Скорость передвижения платформы н = 0,13 м/с, что определено технологическим процессом.

Рисунок 1. Механизм привода передвижения платформы машины подачи кислорода

2.2 Разработка и описание кинематической схемы привода

Кинематическая схема привода платформы машины подачи кислорода на рисунке 2.

Исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные

Диаметр приводного колеса, мм.	Скорость движения рейки v, м/с	Сила сопротивления движению, кН	Долговечность, Lh, часов
250	0,13	18	15000



Рисунок 2. Кинематическая схема привода платформы машины подачи кислорода:

1 - электродвигатель; 2 - муфта МУВП; 3 - тормоз ТКП-200; 4 - муфта зубчатая;

5 - редуктор нестандартный; 6 - приводное колесо; 7 - редуктор стандартный; 8 - муфта кулачковая; 9 - командоаппарат

2.3 Энергокинематический расчет привода

Определяем КПД привода по формуле (2.1):

з = з_м.² з_{п. п.}⁵ з_зуб.² з_{зуб.откр.} (2.1)

где з_м - КПД муфты, з_м = 0,98…0,99;

з_{п. п.} - КПД пары подшипников, з_{п. п.} = 0,99…0,995;

з_зуб - КПД зубчатой передачи, з_зуб = 0,96…0,98;

з_{зуб.откр} - КПД зубчатой открытой передачи, з_{зуб.откр} = 0,92…0,95.

з = 0,98² 0,99⁵ 0,96² 0,92 = 0,774.

Потребная мощность приводного электродвигателя определяется по формуле (2.2):

N_э.д. = N/ з, кВт, (2.2)

где N - мощность на приводном валу, кВт;

з - КПД привода.

Полезная мощность определяется по формуле (2.3):

N_вых = F н, кВт, (2.3)

N_вых = 18 0,13 = 2,34 кВт,

N_э.д. = 2,34/ 0,774 = 3, 0 кВт.

Частота вращения выходного вала определяется по формуле (2.4):

n _вых = , об/мин., (2.4)

n _{вых =}

Выбираем электродвигатель МТКН 111-6 мощностью N_э.д. = 3 кВт, при частоте вращения n_э.д. = 910 об/мин.

Общее передаточное число привода определяется по формуле (2.5):

U = n_э.д. /n, (2.5)

U = 910/9,94 = 91,5.

Принимаем передаточное число стандартного редуктора U_ред =50.

Передаточное число нестандартного редуктора определяется по формуле (2.6):

U = U/ U_ред, (2.6)

U = 91,5/ 50 = 1,83.

Частота вращения первого вала равна частоте вращения вала электродвигателя:

n1 = n_э.д. = 910 об/мин.

Частота вращения остальных валов определяется по формуле (2.7):

n _i= n _(i-1) /U_i, об/мин, (2.7)

где n_i-1 - частота вращения предыдущего вала, об/мин;

U_i - передаточное число данной ступени.

Тогда частота вращения второго вала:

n₂ = 910/50 = 18,2 об/мин.

Тогда частота вращения третьего вала:

n₃ = 18,2/1,83 = 9,95 об/мин.

Крутящий момент на первом валу определяется по формуле (2.8):

Ti= N_зд /щ₁, Нм, (2.8)

где щ₁ - угловая скорость первого вала, с^-1.

, с^-1, (2.9)

,

=1,90, ,

Крутящие моменты на остальных валах могут быть определены по формулам (2.10) и (2.11):

, Нм, (2.10)

, Нм, (2.11)



,

.

Таблица 2. Энергокинематические данные

КПД привода	Потребная Мощность Эл., дв. Nэд., кВт	Частота вращения эл., дв. nэд, об/мин	Передаточное число ст. редуктора Uред	Передаточное число нестанд., редуктора U,	Частота вращения 1 вала n1, об/мин	Частота вращения 2 вала n2, об/мин	Частота вращения 3 вала n3, об/мин	Крутящий момент на 1 валу Т1, Нм	Крутящий момент на 2 валу Т2, Нм	Крутящий момент на 3 валу Т3, Нм
0,774	3,0	910	50	1,83	910	18,2	9,95	31,5	1138	2233

2.4 Выбор стандартного редуктора

Принимая во внимание особенности конструкции привода: габариты привода, кратковременные перегрузки, выбираем двухступенчатый цилиндрический редуктор.

Допускаемый момент на тихоходном валу редуктора и допускаемая частота вращения быстроходного вала:

М_тих. =1381 Нм,

n_б = 18,2 об/мин.

Учитывая, что допускаемый момент и допускаемая частота вращения должны быть:

[М] ? М_треб,

[n] ? n_факт.

Выбираем редуктор 2Ц-350-50-24Ц, у которого номинальный момент на тихоходном валу М_ном = 3150 Нм, передаточное число U_ред = 50, диаметры выходных концов валов:

- быстроходный - 40 мм;

- тихоходный - 85 мм.

2.5 Расчет нестандартного редуктора

Выбор материалов шестерни и колеса и термообработки:

Для шестерни - Сталь 40Х, термообработка - закалка ТВЧ, твердость

НRС_ср1 = 50

Для колеса - Сталь 40Х, термообработка - улучшение, твердость

НRС_ср2 = 300

Определение основных параметров передачи:

Межосевое расстояние из условия контактной прочности зубьев, для прямозубой передачи определяется по формуле (2.12):

(2.12)

где - вспомогательный коэффициент, = 49,5;

- крутящий момент на третьем валу, Н•мм;

- коэффициент концентрации нагрузки, = 1;

- допускаемые контактные напряжения, Н/мм²;

- коэффициент ширины, = 0,4.

Для углеродистых сталей с НВ < 350 и термообработкой - улучшение, а также с HRC > 45 и термообработкой - улучшение + ТВЧ [5, табл. 3.1] по формулам (2.13), (2.14):.

[у]_HO = 1,8 НВ + 67, (2.13)

[у]_HO = 14 НRС + 170. (2.14)

В качестве [у]_HO принимают допускаемое контактное напряжение того зубчатого колеса, для которого оно меньше:

[у]_HO1 = 14 ? 50 + 170 = 870 Н/мм²,

[у]_HO2 = 1,8 ? 300 + 67 = 607 Н/мм².

Допускаемое контактное напряжение определяется по формулам (2.15), (2.16):

[у_Н] = К_{НL ?}[у]_HO, Н/мм², (2.15)

[у_Н] = 0,45 ? ([у]_H1 + [у]_H2), Н/мм², (2.16)

где К_НL - коэффициент долговечности (2.17):

где N_HO - число циклов перемены напряжения, соответствующее пределу выносливости, N_HO = 25 млн. циклов;

N - Число циклов перемены напряжения за весь срок службы (2.18):

N = 573 щ L_h, млн., (2.18)

N₁ = 573 1,90 15000 = 16,3 млн.,

N₂ = 573 1,04 15000 = 8,94 млн.,

[у]_H1 = 1,07?870 = 931 Н/мм²,

[у]_H2 = 1,19 ?607 = 722 Н/мм²,

[у]_H = 0,45 ?(931 + 722) = 744 Н/мм².

Межосевое расстояние:

Принимаем а_w = 195 мм (из конструктивных соображений для нестандартного редуктора).

Значение модуля m = (0,01 - 0,02) ?195 = 2 - 4 мм, но так как тихоходное колесо одновременно входит в зацепление с приводной рейкой платформы, то принимаем повышенный модуль из стандартного ряда:

m = 10 мм.

Определяем суммарное число зубьев шестерни и колеса по формуле (2.19):

Определяем число зубьев шестерни и колеса по формулам (2.20), (2.21):

(2.21)

По округленным значениям числа зубьев уточняем передаточное отношение U и вычисляем погрешность отклонения его от требуемого значения (ДU ? 4%) по формуле (2.22):

(2.22)

Погрешность отклонения его от требуемого значения:

Определяем остальные геометрические размеры передачи:

- делительные диаметры по формулам (2.23), (2.24):

d₁ = m z₁, мм, (2.23)

d₂ = m z₂, мм, (2.24)

d₁ = 10 14 = 140 мм,

d₂ = 10 25 = 250 мм.

- диаметры вершин зубьев по формулам (2.25), (2.26):

d_a1 = d₁ + 2 m, мм, (2.25)

d_a2 = d₂ + 2 m, мм, (2.26)

d_a1 = 140 + 2 10 = 160 мм,

d_a2 = 250 + 2 10 = 270 мм.

- диаметры впадин зубьев по формулам (2.27), (2.28):

d_f1 = d₁ - 2,5 m, мм, (2.27)

d_f2 = d₂ - 2,5 ? m, мм, (2.28)

d_f1 = 140 - 2,5 10 = 115 мм,

d_f2 = 250 - 2,5 10 = 225 мм.

- ширина колеса по формуле (2.29):

, мм, (2.29)

- ширина шестерни:

b₁ = b_2,

b₁ = 78 мм.

Проверочный расчет передачи на контактную прочность:

Для стальных зубчатых колес с достаточной для практических расчетов точностью, условие контактной прочности зубьев для прямозубых передач, может быть записано по формуле (2.30):

где К - вспомогательный коэффициент, К = 436;

F₁ - окружная сила в зацеплении, Н;

К_нб - коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между зубьями;

К_н? - коэффициент динамичности.

Для включения в формулу, следует произвести уточнение значений коэффициентов.

Коэффициент К_нв уточняем при помощи отношения (2.31):

(2.31)

Принимаем К_нв = 1,1.

Коэффициент динамичности уточняем по фактической окружной скорости колес и степени их изготовления определятся по формуле (2.32):

(2.32)



Для прямозубых колес при ? < 3 м/с назначают 9 степень точности, при этом К_н? = 1; К_нб = 1,1.

Окружная сила определяется по формуле (2.33):

Проверочный расчет передачи на изгиб:

Расчет выполняем отдельно для шестерни и колеса по формулам (2.34) и (2.35) соответственно. Условие прочности:

где у_F1, у_F2 - фактическое напряжение изгиба для шестерни и колеса, Н/мм²;

Y_F1, Y_F2 - коэффициенты формы зуба для шестерни и колеса определяют по таблице в зависимости от числа зубьев Z₁, Z₂ и коэффициента смещения

Х = 0, без смещения;

принимаем Y_F1 = 4,28 и Y_F2 = 3,90;

К_Fв - коэффициент концентрации нагрузки при НВ < 350 и

принимаем К_Fв=1,42;

К_F? - коэффициент динамичности, уточняем по фактической окружной скорости колес ?= 0,133 м/с;

принимаем К_F? = 1,02;

К_Fб - коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между зубьями, принимаем К_Fб = 1;

[у_F]₁, [у_F]₂ - допускаемые напряжения изгиба для шестерни и колеса, Н/мм².

Для углеродистых сталей с НВ < 350 и термообработкой - улучшение (2.36):

[у]_FO = 1,03?НВ, Н/мм², (2.36)

В качестве [у]_FO принимаем допускаемое контактное напряжение того зубчатого колеса, для которого оно меньше:

[у]_FO = 1,03 300 = 309 Н/мм².

Допускаемое контактное напряжение рассчитаем по формуле (2.37):

[у_F] = К_FL ?[у]_FO, Н/мм², (2.37)

где К_FL - коэффициент долговечности по формуле (2.38):

(2.38)

где N_FO - число циклов перемены напряжения, соответствующее пределу выносливости, N_FO = 4 млн. циклов;

,

.

так как получили К_FL < 1, то принимаем К_FL = 1

[у_F] = 1 ?309 = 309 Н/мм²,

Условие прочности выполняется.

Определение усилий в зацеплении:

Радиальная сила определяется по формуле (2.39):

F_r1 = F_t1 ? tgб, H, (2.39)

где б - угол зацепления, б = 20⁰

F_r1 = 17864 ? tg20⁰ = 6502 Н.

Осевая сила F_б1 = 0

2.6 Ориентировочный расчет и конструирование приводного вала

Для изготовления детали выбираем конструкционную легированную сталь 40X по ГОСТ 4543-71. Эта разновидность стали получила широкое применение в машиностроении для целей изготовления деталей зубчатых зацеплений, а также показала отличные эксплуатационные качества на практике.

Определяем диаметр вала по формуле (2.40):

где Т - крутящий момент на валу, Н•мм;

[ф] = 20…30 МПа - допустимое касательное напряжение для вала.

- входной диаметр:

- диаметры валов под подшипники определяются по формуле (2.41):

d_П = d + 2t, мм, (2.41)

d_П = 65+ 2 ? 3 = 71 мм.

принимаем одинаковые подшипники d_П = 75 мм.

- диаметры валов под буртик подшипника определяются по формуле (2.42):

d_БП = d_П + 3,2r, мм, (2.42)

d_БП = 75 + 3,2 ?3,5 = 86,2 мм.

принимаем d_БП = 86 мм.

Эскиз приводного вала представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Эскиз приводного вала



2.7 Предварительный выбор подшипников

Для приводного вала выбираем радиальные шарикоподшипники легкой серии, со следующими характеристиками, таблица 3:

Таблица 3. Характеристики приводного вала

№	d, мм	D, мм	В, мм	Сr, H	C0r, H
216	75	130	25	66300	41000

2.8 Эскизная компоновка узла приводного вала

Эскизную компоновку узла приводного вала выполняем в масштабе на миллиметровке, рисунок 4.

Эскизная компоновка устанавливает взаимное положение вал - шестерни и подшипников. Приводной вал в корпус редуктора устанавливается на двух шариковых радиальных подшипниках. Ось вращения вала - горизонтальная.

Рисунок 4. Эскизная компановка приводного вала



2.9 Проверочный расчет подшипников

Пригодность подшипников определяется сопоставлением базовой долговечности L_10h, ч, с требуемой [L_h], ч, по условиям:

L_10h ? [L_h].

Расчетная динамическая грузоподъемность С_гр и базовая долговечность L_10h определяется по формулам (2.43), (2.44):

где R_е - эквивалентная динамическая нагрузка, Н;

щ - угловая скорость соответствующего вала, с^-1;

m - показатель степени (m = 3 для шариковых подшипников).

Требуется следующая долговечность подшипника [L_h] = 15000 ч.

Расчетная схема представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Расчетная схема



Определяем радиальные нагрузки подшипников (рассмотрим худший случай, когда реакция от муфты совпадает с реакцией от окружной силы) по формулам (2.45), (2.46):

Н, (2.45)

Н, (2.46)

Осевая сила R_a = 0.

Эквивалентная динамическая нагрузка R_е определяется по формулам (2.47), (2.48):

(2.47)

(2.48)

где V - коэффициент вращения, V =1;

Х - коэффициент радиальной нагрузки, табличное значение;

Y - коэффициент осевой нагрузки, табличное значение;

К_у - коэффициент безопасности, определяется по таблицам в зависимости от характера нагрузки и вида машинного агрегата, К_у = 1,2;

К_Т - температурный коэффициент, К_Т = 1.

Считаем подшипник В как более нагруженный:

при



Находим динамическую грузоподъемность С_гр и базовую долговечность L_10h для подшипника С:

В результате расчета выяснилось, что расчетный ресурс подшипника №216 равен 53153 ч, а требуемый равен 15000.

По условию L_10h > [L_h]

Следовательно, предварительно назначенный подшипник №216 пригоден. При требуемом ресурсе надежность выбранного подшипника выше в 3,5 раза.

2.10 Уточненный расчет приводного вала

Уточненный расчет выполняется как проверочный с целью определения коэффициента запаса усталостной прочности в опасных сечениях вала.

Опасными сечениями могут быть:

- пиковое значение изгибающих моментов

- наличие источников концентрации напряжений (отверстия, пазы, галтели и т.д.).

Порядок уточненного расчета:

1. составляем расчетную схему приводного вала нестандартного редуктора;

2. определяем реакции в опорах;

3. рассчитываем изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях, строим эпюры;

4. определяем коэффициент запаса прочности и сравниваем его с заданным.

Эпюры изгибающих и крутящих моментов представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Эпюры изгибающих и крутящих моментов

Значения консольной силы определяется по формуле (2.49):

(2.49)

Определение реакций в опорах рассчитываем по формулам (2.50), (2.51), (2.52).

Вертикальная плоскость:

(2.50)



Горизонтальная плоскость:

(2.51)

(2.52)

Расчет значений изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, построение эпюр.

Строим эпюры изгибающих моментов по формулам (2.53), (2.54), (2.55).

Вертикальная плоскость:

M_A=0,

(2.53)

M_C=0,

M_D=0.

Горизонтальная плоскость:

M_A=0,

(2.54)



(2.55)

,

M_D=0.

Построение эпюры крутящих моментов:

Крутящий момент Т = 1381 Нм будет действовать на участке ВD.

Материал вала: Сталь 40Х; у_в = 790 МПа; у_-1 = 375 МПа; ф_-1 = 220 МПа.

Определение коэффициента запаса прочности рассчитываем по формулам (2.56), (2.57), (2.58):

(2.56)

где n_у - коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям;

n_ф - коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям;

[n] = 1,5…3;

(2.57)

(2.58)

где у_a, ф_а - амплитудные напряжения цикла, МПа;

у_m, ф_m - средние напряжения, МПа.

Влияние асимметрии цикла изменения ф обычно незначительно (ш_ф = 0…0,05)

В расчетах валов принимают, что нормальные напряжения изменяются по симметричному циклу, тогда можно записать отношение (2.59):

у_m = 0,

? (2.59)

где W₀ - осевой момент сопротивления сечения вала, м³, формула (2.60):

(2.60)

(2.61)

В расчетах валов принимают, что касательные напряжения изменяются по нулевому циклу, тогда можно записать отношением (2.62):

? _а = ? = , (2.62)

где W_p - полярный момент сопротивления сечения вала, м³ (2.63);

ф_m = 0 - для вала нереверсивной передачи

(2.63)

n_? =, (2.64)

Находим осевой и полярный моменты сопротивления сечения:

,

,

,

,

Пределы выносливости вала в рассматриваемом сечении рассчитываем по формулам (2.65), (2.66):

(2.65)

(2.66)

где у_-1, ф_-1 - пределы выносливости гладких образцов при симметричном цикле изгиба и кручения, Па;

(К_у)_D, (К_ф)_D - коэффициенты концентрации напряжений для данного сечения вала рассчитываем по формулам (2.67), (2.68):

(2.67)

(2.68)

где К_у и К_ф - эффективные коэффициенты концентрации напряжений;

Для ступенчатого перехода: К_у = 2,15 (для у_В = 5 Ч 10⁸ Па); К_ф = 2,1;

К_v - коэффициент влияния поверхностного упрочнения, К_v = 1;

К_F - коэффициент влияния шероховатости, К_F = 1,05;

К_d - коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения;

К_d = 0,74 (для у) и К_d = 0,65 (для ф).

3,54 ? [n] = 1,5…3.

Условие прочности для опасного сечения вала выполняется.

В других сечениях вала изгибающий момент и касательные напряжения меньше, значит в данных сечениях запас прочности будет еще больше и их расчет не представляет интереса.

2.11 Выбор муфт

Муфта упругая втулочно-пальцевая на рисунке 7 состоит из двух полумуфт, закрепленных шпонкой на валу. Полумуфты соединяются пальцами, на которые надеты упругие резиновые втулки. Такие муфты обеспечивают достаточную эластичность передачи, просты в изготовлении, надежны в работе, допускают небольшую несоосность валов. Передача крутящего момента от полумуфты к полумуфте осуществляется через пальцы, закрепленные в первой полумуфте. По ГОСТ 214254-93 подбираем муфту по моменту на валу и по посадочному диаметру.

Технические характеристики муфты упругой втулочно-пальцевой 250-40-1.2.40-1.2-У3 ГОСТ 21424-93 представлены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики муфты

Тmax Нм	Wmax рад/с	d мм	lцил мм	Lцил мм	D мм	ЛУ мм	C мм
250	400	40	82	169	140	0,3	1,5

Рисунок 7. Муфта упругая втулочно-пальцевая

2.12 Подбор и расчет шпонок

В данном курсовом проекте проверяем шпонку под полумуфту на смятие.

Сечение шпонки подбирается по известному диаметру вала из соответствующего стандарта ГОСТ 23360-78 для шпонок призматических.

На напряжение смятия шпонка проверяется по формуле (2.69):

(2.69)



где Т - крутящий момент передаваемый посаженной деталью, Нм;

d - диаметр вала, мм;

h - ширина шпонки, мм;

l - рабочая длина шпонки, мм;

t₁ - глубина паза, мм;

[у_см] - предельные напряжения смятия, МПа.

Допустимые напряжения [у_см] находятся по формуле (2.70):

[у_см] = ц[у_см]_т, МПа, (2.70)

где [у_см]_т - допускаемое напряжение, [у_см]_т = 160 МПа;

ц - понижающий коэффициент, для данного вида нагружения ц = 0,8.

[у_см] = 0,8160 = 128 МПа.

Рассчитаем шпонку под полумуфту: Т = 1381Нм; d = 65 мм.

Выбираем шпонку призматическую b = 18 мм; h = 12 мм; t₁ = 7,0 мм; l = 90 мм.

118 МПа ? 128 МПа.

Шпонка выбрана верно.



3. Разработка конструкции узла привода машины подачи кислорода в конвертер

3.1 Модернизация привода платформы машины подачи кислорода

В конвертерном производстве на ПАО «Северсталь» применяются два вида машин подачи кислорода. На первом и втором конвертерах применены с передвижной платформой и неподвижной направляющей (МПК - 1,2), на третьем конвертере с передвижной платформой и двумя подвижными направляющими (МПК-3).

Машина подачи кислорода с передвижной платформой и неподвижной направляющей, установленной на конвертерах №1 и №2, состоит из:

1. платформы, перемещающейся на двух парах ходовых колес;

2. рамы с механизмом передвижения;

3. подвески;

4. двух кареток с фурмами и металлорукавами для подвода кислорода и воды для охлаждения;

5. двух небольших подвижных направляющих кареток, закрепленных к передвижной платформе;

6. одной неподвижной направляющей кареток закрепленной к металлоконструкциям цеха;

7. комплекта электрического оборудования и контролирующей электроаппаратуры - установки командоаппаратов.

3.2 Конструкторские расчеты

При модернизации привода машины подачи кислорода, включающая замену ходового винта и гайки на привод с одноступенчатым редуктором и рейкой, который в условиях повышенной запыленности более надежен, возникла необходимость дополнительно произвести расчеты сварного и болтового соединений.

Расчет сварного соединения

Работа угловых швов существенно зависит от направления действующего усилия, которое в соединении передается неравномерно. Фланговые швы весьма деформативны и работают на сдвиг. Разрушение начинается с краев шва, поверхность разрушения принимает пространственную форму. Напряжения в лобовых угловых швах распределяются сравнительно равномерно.

При проектировании фланговых угловых швов следует учитывать, что расчетная длина углового сварного шва должна быть не менее 4kf и не менее 40 мм.

(4k _f 40 мм), и должна быть не более , за исключением тех, в которых усилие передается на всем протяжении шва.

Усилие P, как и усилие N, приложено с эксцентриситетом по отношению к сварным швам, что обусловливает наличие изгибающего момента, равного:

М=Q10+N(32/2 - 4) = 147,110+58,8(12)=2176,6 кНсм.

Помимо этого, существует усилие N=58,8 кН. По отношению к сварным швам усилие P действует как поперечная сила Q=147,1 кН.

Определение расчетных сопротивлений и коэффициентов.

R_wf=0,741,5/(1,31,25) =18 кН/см²,

R_wz=0,734,5/(1,31,2) =15,2 кН/см²,

_f =0,7,

_z =1.

Коэффициент y_с = 1.

В расчете следует использовать в качестве значения расчетного сопротивления z ? R_wz ? y_с = 15,2 кН/см², исходя из того, что:



_f ? R_wf ? y_с =12,6 кН/см^2, _zR_wz ?y_с = 15,2 кН/см².

Расчетная длина одного шва в соединении составляет (32-1) =31 см. Задаемся минимальным значением катета k_f=8 мм, согласно указанным данным (табл. П3) [6].

При расчете данного соединения необходимо воспользоваться формулой:

Напряжения от действующего усилия не превышают значения расчетного сопротивления. Несущая способность соединения считается обеспеченной.

Расчет болтового соединения

Определить силу F_зат как показано на рисунке 8, которую необходимо приложить к стандартному ключу при завинчивании гайки до появления в стержне болта напряжений, равных пределу текучести а_т = 200МПа (сталь 10). Определить также напряжения смятия а_см и среза в резьбе. Расчет выполнить для болтa М16. Длину ручки стандартного ключа в среднем принять l = 15d, коэффициент трения в резьбе и на торце гайки f= 0,15.

...