Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
OKSO 15.02.08 Технология машиностроения
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
TBK 50 Технические науки в целом
BISAC TEC009060 Industrial Engineering
The article deals with the issues of machining the surfaces of composite bandages, after welding them directly at the assembly site and subsequent operation, using mobile technologies. The design of the device is presented. It includes structural elements of the support of a rotary kiln, with two support rollers, a rotation drive and a special portable machine. Distinctive features for this machining scheme have been established. To enable the cutting process, it is proposed to drive the rim rotation using friction force from one of the support rollers, using a DC motor with a stepless rotation speed control and a reduction gear. A method of searching for rational operating modes of the installation using linear programming is proposed. The necessary technical restrictions on the operating mode of the installation have been determined. They are the power of the rotation drive, the tangential and axial components of the cutting force. The rotation speed of the band and the size of the allowance removed in one working stroke allow varying the treatment process. Selected dependencies allow to establish a connection between the varied parameters and the introduced technical constraints. The system of linear equations is obtained on their basis, by solving which it is possible to obtain the range of values of technological modes that allow the process of machining the surfaces of bandages on the proposed installation. For a bandages with a diameter of 6100 mm, rational technological modes have been obtained that allow the process of restorative treatment of the surfaces of the bandages after welding, directly at the site of their subsequent operation.
rotary kiln bandage, restorative treatment
Введение. Бандажи вращающихся технологических барабанов являются главными деталями их опор [1, 2, 3, 4, 5, 6] помимо обеспечения правильности базирования агрегате процессе работы обеспечивают также жесткость и стабильность геометрических размеров корпуса самого агрегата [6,7]. При этом в зависимости от типоразмера агрегата и варианта установки (вварные или устанавливаемые с помощью специальных крепежных элементов) существуют различные исполнения конструкций бандажей [8, 9, 10]. Бандажи, вращающихся печей, с диаметром более 4500 мм, на предприятии изготовителе по завершению изготовления, разрезают на два полукольца (рис. 1). Это позволяет обеспечить их транспортировку к месту их последующей сборки и эксплуатации.
Рис. 1. Часть бандажа, транспортируемая к месту сборки и эксплуатации
Перед монтажом на корпус печи, обе половины бандажа устанавливают на специальной площадке, регулируют их относительное положение и затем сваривают электрошлаковым способом (рис. 2). После сварки, усиление сварных швов, которое получается более 1 мм, снимают ручными шлифовальными машинами.
Рис. 2. Сборка бандажей на месте последующей эксплуатации
В результате такой сборки, погрешность базовых поверхностей бандажа, оказывается на 1 -2 степени больше, чем предусмотренные ОСТ 22 -170 -87.Очевидно, что последующая эксплуатация бандажа с такой погрешностью поверхностей, будет приводить к возрастанию циклической нагрузки на опору печи и ее корпус, а также колебанию нагрузки на приводе. Обычно в зоне таких опор наблюдается частый выход из строя футеровки печи, что приводит к внеплановым остановам в ее работе. Для обеспечения бесперебойной работы печного агрегата используются различные технологические подходы по восстановлению заданной формы поверхностей бандажей, включая механическую обработку и последующую выверку деталей опор[11, 12, 13]. Безусловно, что для обеспечения требуемой точности базовых поверхностей, бандаж должен подвергаться механической обработке непосредственно на месте его сборки. Для этого на кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова был разработан специальный стенд (рис. 3).
Рис. 3. Специальный стенд для обработки поверхностей бандажей
Стенд оснащен силовым столом 1, со стойкой 2, на которой установлен поперечный суппорт 3. Вся конструкция размещается на раме 4, где размещены два опорных ролика 5, система осевых упоров 6 и привод вращения 7. Бандаж, при помощи грузоподъемного крана устанавливают на поверхности качения опорных роликов, до касания с осевыми упорами.
Следует отметить, что такая схема обработки бандажа имеет бесцентровую схему [14] и для нее есть ряд существенных отличий по сравнению с мобильной технологией обработки непосредственно на работающей печи[15, 16, 17]. Этих отличия заключаются в следующем:
- вращение бандажупередается за счет силы трения, между поверхностями качения бандажа и приводного опорного ролика;
- изменения скорости вращения бандажа выполняется бесступенчато, в расширенном диапазоне 0…2,14 об/мин.;
- масса обрабатываемого изделия, базирующегося на опорные ролики существенно меньше, что окажет влияние на величину силы трения.
Материалы и методы. Для обеспечения требуемых технологических условий обработки таких деталей как бандажи вращающихся печей, в частности при разработке новых технологических способов или совершенствования существующих возникает необходимость применения математического моделирования [16, 17, 18, 19]. При обработке поверхностей бандажа, установленного на стенде, сила резания может превысить силу трения, что приведет к проскальзыванию приводного ролика и остановке обрабатываемого бандажа. А это в свою очередь выведет из строя обрабатывающий инструмент.
Чтобы исключить такую возможность, необходимо оптимизировать режимыработы стенда. Для этих условий удобно применить метод линейного программирования [18]. Введем ряд технических ограничений на геометрические и технологические параметры системы:
- ограничение по тангенциальной составляющей силы резания
, определяющей мощность привода вращения бандажа;
- ограничение по тангенциальной составляющей силы резания
- ограничение по осевой составляющей силы резания
, определяющей возможность осевых смещений бандажа.
Основная часть. Анализ схемы обработки показал, что максимальное влияние на формирование силы резания оказывает скорость вращения обрабатываемого изделия и глубина резания [3, 4]. Эти две составляющие и будем использовать как варьируемые параметры.
Ищем зависимости, которые обеспечивают связь варьируемых параметров и вводимых технических ограничений:
- первым техническим ограничением устанавливаем связь между мощностью резания и мощностью привода вращения обрабатываемого бандажа, т.е.:
(1)
(2)
(3)
(4)
где
– постоянная, коэффициенты и показатели степеней, зависящие от условий обработки;
- скорость вращения; К – коэффициент запаса; N – частота вращения.
Подставляем значения, выполняем группировку и логарифмируем для преобразования к линейному виду:
(5)
Вводим обозначения:
В результате получаем следующее уравнение:
(6)
- во втором ограничении устанавливаем связь между тангенциальной составляющей
, возникающей от действия силы трения
(рис. 4).
Рис. 4. Расчетная схема передачи вращения бандажу от опорного ролика
Возможность вращения обрабатываемого бандажа можно выразить следующей зависимостью:
(7)
где k – коэффициент запаса; f – коэффициент трения пары бандаж-ролик; ,M – масса устанавливаемого для обработки бандажа
Чтобы обеспечить вращение без проскальзывания должно выполняться условие:
(8)
(9)
Выполняем подстановкуи некоторые преобразования, получаем:
(10)
Так же вводим обозначения и получаем второе уравнение в следующем виде:
(11)
- третьим ограничением устанавливаем связь между осевой составляющей силы резания
и силой трения
, в осевом направлении. Здесь следует отметить, что бандажопирается на двух опорных роликах, значит, сила трения должна быть увеличена в два раза. На рис. 5 представлена расчетная схема. Данное ограничение имеет вид:
(12)
(13)
где
– постоянная, коэффициенты и показатели степеней,выбираемые для данной схемы обработки;Ff – сила трения, возникающая между бандажом и роликами.
(14)
где -коэффициент трения в паре бандаж-ролик;
, M – масса бандажа.
Рис. 5. К определению осевых смещений бандажа
Выполняем подстановку и,соответствующие преобразования, и получаем:
(15)
С учетом всех выполненных изысканий, математическая модель для определения граничных условий по режимам обработки, будет иметь вид:
(16)
Для определения рациональных параметров процесса, которые позволят осуществлять обработку бандажа, необходимо найти из всех получаемых в результате решения системы уравнений значений и
, такие значения
и
, при которых целевая функция будет иметь максимальное значение
. Оптимальные значения самих варьируемых параметров определим, как:
(17)
(18)
В результате решения системы уравнений в средеMathcad,были получены предельные значения варьируемых параметров для бандажа с диаметром 6100 мм с заданными геометрическими и физико-механическими характеристиками [9]. Такими параметрами в данном случае являются технологические режимы обработки – глубина резания и частота вращения детали:
(19)
(20)
Выводы. Применение математического моделирования на основе предложенного подхода позволило определить оптимальные условия обработки на специальном стенде детали с заданными геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами. В модели учтены условия бесцентрового базирования детали на двух роликах с боковой поддержкой. Проведенные исследования определяют необходимость использования математического моделирования в случаях изменения параметров стенда, таких как диаметры опорных роликов, межосевое расстояние между ними. Следует рекомендовать проведение дальнейших исследований в направлении оптимизации параметров стенда для установленного диапазона типоразмеров обрабатываемых деталей.
1. Vijayan S.N., Sendhilkumar S. Industrial Applications of Rotary Kiln in Various Sectors - A Review. International Journal of Engineering Innovation & Research. 2014. Vol. 3. Pp. 342-345.
2. Boaten A.A. Rotary Kilns. Elsevier Inc. Publ., 2015. 390 p.
3. Ramanenka D., Stjernberg J., Jonsén P. FEM investigation of global mechanisms affecting brick lining stability in a rotary kiln in cold state. Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 59. Pp. 554-569.
4. Design features of rotary kilns. URL: https://www.cementkilns.co.uk/kiln_design.html. (date of treatment: 09.11.2021)
5. Comprehensive Kiln Alignment. URL: https://www.anioncorp.com/technical-papers/world-cement-article.pdf (date of treatment: 08.12.2021)
6. Phillips Kiln Services. URL: http://www.pkse.co.uk/services/resurfacing.php (date of treatment: 05.11.2021)
7. Mogilny S., Sholomitskii A. Precision Analysis of Geometric Parameters for Rotating Machines during Cold Alignment. Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. Pp. 1709-1715.
8. Ross D. For questions about alignment and maintenance of rotary kilns [K voprosam o vyverke i tekhnicheskom obsluzhivanii vrashchayushchihstya pechej]. Cement i ego primenenie. 2020. No. 5. Pp. 68-71. URL: https://jcement.ru/reading/cemchem/k-voprosam-o-vyverke-i-tekhnicheskom-obsluzhivanii-vrashchayushchikhsya-pechey/ (date of treatment: 05.12.2021) (rus)
9. LLC "MosChemCemService": technological maintenance and restoration of industrial equipment [OOO «MosKHimCemServis»: tekhnologicheskoe obsluzhivanie i vosstanovlenie promyshlennogo oborudovaniya] URL: http://moshimtsemservis.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=1:o-kmpanii&catid=2 (date of treatment: 12.11.2021) (rus)
10. Bandages for industrial furnaces [Bandazhi dlya promyshlennyh pechej]. URL: https://tulpech.ru/bandazhi-dlya-promyshlennyh-pechej (date of treatment: 05.12.2021) (rus)
11. Floating and welded-in bandages [Bandazhi plavayushchie i bandazhi vvarnye]. URL: https://www.npp-prom.com/zapasnye-chasti-pechej-vrashayushih (date of treatment: 05.12.2021) (rus)
12. Shrubchenko I.V., Murygina L.V., Shchetinin N.A. Technological process of reconstruction of type "P" bandages into type "B"[Tekhnologicheskij process rekonstrukciibandazhejtipa «P» v tip «V»]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 1. Pp. 73-77. (rus)
13. Zaharov O.V. Management of accuracy of centerless grinding by the statistical methods[Upravlenietochnost'yubescentrovogoshlifovaniyastatisticheskimimetodami]. Mekhatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2009. No.9. Pp. 32-35. (rus)
14. Pelipenko N.A., Sanin S.N. Position determination of gage length in basing and rotating of elliptical bandage [Opredelenie polozheniya izmeritel'noj bazy pri bazirovanii i vrashchenii elliptichnogo bandazha]. Tyazheloe mashinostroenie. 2014. No. 1. Pp. 32-36. (rus)
15. Duganov V.Ya. Determination of the gear ratios and the correction factor for the shape of the deformed ring of cement kilns during its centerless processing [Opredelenie peredatochnyh otnoshenij i koefficienta ispravleniya formy deformirovannogo kol'ca cementnyh pechej pri ego bescentrovoj obrabotke]. Repair, Reconditioning, Modernization. 2013. No. 9. Pp. 47. (rus)
16. Goncharov M.S., Khurtasenko A.V., SHrubchenko I.V. Features of forming at shroud restorative machining by portable machine tools [Osobennosti formoobrazovaniya pri vosstanovitel'noj obrabotke bandazhej perenosnymi stankami]. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017. Vol. 21. No. 7. Pp. 10-25. DOI:https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-7-10-25 (rus)
17. Khurtasenko V.A., Shrubchenko I.V. Mathematical model for optimization of processing parameters of rolling surface of technological units by mobile equipment [Matematicheskaya model' dlya optimizacii parametrov obrabotki poverhnostej kacheniya tekhnologicheskih agregatov mobil'nym oborudovaniem]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 4. Pp. 144-149. DOI: https://doi.org/10.12737/issn.2071-7318 (rus)
18. Pelipenko N.A., Sanin S.N. Describing the behavior of the center of mass of a tire with mathematical modeling [Opisanie povedeniya centra bandazha s pomoshch'yu matematicheskogo modelirovaniya]. Repair, Reconditioning, Modernization. 2013. No. 1. Pp. 46-48. (rus)
19. Shrubchenko I.V., Murygina L.V., Rybalko V.Yu., Shchetinin N.A. Optimization of processing modes for bandages on a special stand [Optimizaciya rezhimov obrabotki bandazhej na special'nom stende]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov 2013. No. 4. Pp. 67-73. (rus)
20. Shrubchenko I.V., Hurtasenko A.V., Voronkova M.N., Murygina L.V. Optimization of Cutting Conditions for the Processing of Bandages of Rotary Cement Kilns at a Special Stand. World Applied Sciences Journal. 2014. № 31 (9). Pp. 1593-1600. doi:https://doi.org/10.5829/idosi.wasj.2014.31.09.14481
