Кинематический расчет механизма выталкивания

Теоретическое обоснование

После выпуска чугуна летку забивают с помощью пушки: при этом вдавливаемая в отверстие леточная масса не только полностью закрывает канал, но и восстанавливает часть внутренней футеровки печи, разрушенной во время выпуска чугуна.

В состав машин для забивки чугунной летки – пушки входят механизмы: поворота машины, прижима носка к летке и выталкивания огнеупорной массы из цилиндра машины в летку и др.

К машинам для забивки чугунной летки предъявляют следующие требования:

- давление поршня на леточную массу должно быть достаточным для преодоления сил сопротивления по движению ее в цилиндре, переходном патрубке, носке пушки и в леточном канале;

- полезный объем рабочего цилиндра пушки должен обеспечивать заполнение канала летки длиной 1500 – 2500 мм леточной массой и ремонт окололеточного пространства внутри печи;

- носок пушки должен иметь прямолинейное движение при подходе к летке;

- дистанционность управления всеми механизмами;

- возможность отвода пушки в сторону после забивки летки;

- высокая надежность в работе.

Электропушка модели Э-7-050 состоит из следующих основных механизмов и узлов (см. рисунок 1):

- механизма поворота для подвода и отвода пушки от летки, имеющего электродвигатель 13, червячно-цилиндрический редуктор 14, поворотную колонну 15 с консолью 16, на оси 17 которой подвешен лафет 8;

- механизма прижима для подачи пушки в главный желоб и к летке, сообщения необходимого угла наклона и прижатия носка пушки к летке. В состав этого механизма входят двигатель 7, редуктор 6, винтовая пара 5 и тележка 9. Тележка перемещается по направляющим лафета 8; к ней подвешен механизм выдавливания леточной массы;

- механизма для выдавливания леточной массы в чугунную летку, который имеет рабочий цилиндр 1, редуктор 2 и электродвигатель 3;

- механизма удержания пушки у чугунной летки доменной печи с помощью защелки

12, управляемой электромагнитом 10 через систему рычагов и тягу 11;

- механизма указателя 4 положения поршня в цилиндре 1.

Рисунок 1 – Электропушка модели Э-7-050

Механизм выталкивания леточной массы обеспечивает поступательное перемещение винта 7 и связанного с ним поршня 2 от электродвигателя 12 (см. рисунок 2) через трехступенчатый редуктор и винтовую пару 6 и 7. Поршень выталкивает массу из цилиндра 1 через переходной патрубок 33 и носок 32 в леточный канал. Приводная вал-шестерня 13 входит в зацепление с зубчатым колесом 5, установленным при помощи подшипника на валу-гайке 6. Зубчатое колесо 5 входит в зацепление с шестерней 14, также свободно установленной на подшипнике на валу. Шестерня 14 находится в зацеплении с колесом 4, жестко укрепленном на валу-гайке 6. Вал-гайка опирается через два подшипника на корпус редуктора. Упорный подшипник 3 воспринимает осевое усилие винта. При вращении гайки винту и связанному с ним поршню 2 сообщается поступательное движение. Проворот винта и поршня исключают установкой шпонок, которые располагают внутри защитного кожуха винта. Для предохранения нарезки винта от загрязнения при выталкивании леточной массы имеется телескопическое защитное устройство.

Зарядку рабочего цилиндра 1 массой осуществляют, как правило, вручную с торца при отведенном в сторону переходном патрубке 33 с носком 32. После заполнения цилиндра массой к нему прикрепляют клиньями переходный патрубок. Включением механизма выталкивания уплотняют леточную массу и заполняют полностью переходный патрубок и

носок пушки. После этого поршень отводят в исходное положение и в освободившееся в цилиндре пространство добавляют леточную массу через люки 34.

Для наблюдения за положением поршня предусмотрен специальный циферблат 8, указатель-стрелка 9 которого через двухступенчатый кинематический редуктор 10 и многозаходную винтовую передачу 11 связана с винтом 7.

При выталкивании массы в типовых пушках реактивное усилие при помощи захвата 30, заходящего в скобу 31, передается на кожух печи или специальную балку, на которой укреплена скоба. Это разгружает механизмы поворота и прижима пушки от реактивного усилия. Перед отводом пушки электромагнит 24 при помощи двуплечевого рычага 25 и тяги 29 поднимает захват.

Для закрытия летки заполненный леточной массой цилиндр механизмом поворота устанавливают над главным желобом, а защелка лафета захватывает скобу, после чего механизм прижима передвигает тележку, наклоняет механизм выталкивания массы и прижимает носок цилиндра к футляру летки, затем этим механизмом масса выталкивается в летку.

Рисунок 2 – Кинематические схемы механизмов прижима пушки и выталкивания леточной массы

В связи с применением для забивки чугунной летки малоподвижных (безводных) масс необходимо дальнейшее увеличение давлений на поршень (до 15-25 МПа). С этой целью в существующих пушках уменьшают диаметр (до 500 мм) и объем (до 0,3-0,35 м³) цилиндра. Главным недостатком существующего механизма выдавливания леточной массы с винтовой передачей скольжения является его низкий к.п.д. (по экспериментальным замерам равный около 0,2). Существенное увеличение давления можно получить, установив шарико-винтовую передачу, у которой трение скольжения заменяется трением качения. У такой передачи к.п.д. равен 0,8-0,9.

ПО «Уралмаш» разрабатывает малогабаритную гидравлическую пушку с объемом рабочего цилиндра 0,25 м³ и давлением на леточную массу около 25 МПа.

Методика расчета

3.1 Усилие, действующее на поршень

, (1)

где F – усилие, действующее на поршень, Н

D – диаметр рабочего цилиндра, мм

q – ускорение свободного падения, q = 9,81 м/с²

3.2 Скорость передвижения поршня

υ_п = υ_м , (2)

где υ_п – скорость передвижения поршня, м/с

d – диаметр отверстия носка пушки, мм

υ_м – скорость выхода леточной массы из носка пушки, м/с

υ_п =

3.3 Геометрические размеры резьбы винта

Наружный диаметр – d_в = 230 мм

Шаг резьбы – Р = 40 мм

Средний диаметр – d₂, мм

d₂ = d_в – 0,75 Р, (3)

d₂ =

Внутренний диаметр – d₁, мм

d₁ = d_в – 1,7 Р, (4)

d₁ =

3.4 Угол подъема винтовой линии резьбы

, (5)

3.5 Коэффициент полезного действия винтовой передачи

, (6)

где - угол трения при коэффициенте трения в резьбе М_р=0,1, = 5˚43´

3.6 Коэффициент полезного действия механизма

, (7)

где η₁ – коэффициент полезного действия зубчатой передачи (одной ступени η = 0,98).

3.7 Мощность двигателя

, (8)

где N_дв – мощность двигателя, кВт

=

3.8 Выбор электродвигателя по каталогу

Кинематический расчет механизма выталкивания

3.9.1 Частота вращения гайки

n_в = , (9)

где n_в – частота вращения гайки, мин^-1

n_в =

3.9.2 Общее передаточное число привода механизма

u = , , (10)

где n – частота вращения вала электродвигателя, мин^-1

u =

3.9.3 Разбивка общего передаточного числа

u = u₁·u₂·u₃ , (11)

где u₁, u₂, u₃ – передаточное число ступеней.

u =

Исходя из конструктивных соображений и рекомендаций по разбивке общего передаточного числа для трехступенчатых специальных передач, принимаем:

Передаточное число второй ступени:

u₂ = , (12)

Произведение передаточных чисел первой и третей ступеней:

u₂=

, (13)

Передаточное число первой ступени:

, (14)

Передаточное число третьей ступени:

, (15)

Проверка:

u = u₁·u₂·u₃ , (16)

u=

3.9.4 Частота вращения, угловая скорость входного вала редуктора и крутящий момент, передаваемый этим валом:

n₁ = n , (17)

где n – частота вращения, мин^-1

n₁=

ω₁ = , (18)

где ω₁ – угловая скорость входного вала редуктора, с^-1

ω₁ =

Т₁ = , (19)

где Т₁ – крутящий момент, передаваемый входным валом, кН·м.

Т₁ =

3.9.5 Частота вращения, угловая скорость и крутящий момент, передаваемый первым блоком шестерен:

, (20)

где n₂ – частота вращения, мин^-1

, (21)

где ω₂ – угловая скорость, с^-1

Т₂ = Т₁·u₁·η₁ , (22)

где Т₂ – крутящий момент, передаваемый первым блоком шестерен, кН·м.

Т₂ =

3.9.6 Частота вращения, угловая скорость и крутящий момент второго блока шестерен:

, (23)

где n₃ – частота вращения, мин^-1

, (24)

где ω₃ – угловая скорость, с^-1

Т₃ = Т₂·u₂·η₁ , (25)

где Т₃ – крутящий момент второго блока шестерен, кН·м

Т₃ =

3.9.7 Частота вращения, угловая скорость и крутящий момент, необходимый для вращения гайки:

n_г = , (26)

n_г =

, (27)

Т_г = Т₃·u₃·η₁ , (28)

где Т_г – крутящий момент, необходимый для вращения гайки, кН·м.

Т_г =

Расчет винта на прочность

3.10.1 Крутящий момент, воспринимаемый винтом:

, (29)

где Т_кр – крутящий момент, воспринимаемый винтом, кН·м.

3.10.2 Напряжение сжатия в теле винта:

, (30)

где σ_сж – напряжение сжатия в теле винта, Н/мм².

3.10.3 Касательные напряжения, возникающие при кручении винта:

, (31)

где τ_кр – касательное напряжение, возникающее при кручении винта, Н/мм²,

w_р – полярный момент сопротивления сечения,

,

3.10.4 Результирующие напряжения:

, (32)

где σ_р – результирующие напряжения, Н/мм²

3.10.5 Запас прочности

Термообработка винта – поверхностная закалка.

Предел прочности – σ_в = 900 Н/мм²

, (33)

3.10.6 Момент инерции сечения винта:

, (34)

где J – момент инерции сечения винта, мм⁴.

3.10.7 Площадь поперечного сечения винта:

, (35)

где А – площадь поперечного сечения винта, мм².

3.10.8 Радиус инерции:

, (36)

где r_i – радиус инерции, мм.

3.10.9 Гибкость винта:

, (37)

где μ – коэффициент приведения, μ = 1.

3.10.10 Напряжения при продольном изгибе:

, (38)

где σ – напряжение при продольном изгибе, Н/мм²,

J – коэффициент снижения допускаемого напряжения от гибкости винта, J = 0,98;

[σ]= 170 Н/мм².

Условие устойчивости винта по Эйлеру.

, (39)

где Е – модуль упругости для стали Е = 2,12·10⁵ Н/мм²,

n_у – коэффициент устойчивости, n_у = 2,5÷4.