ГЛАВА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ
ПЕЧИ С ШАГАЮЩИМИ БАЛКАМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Наиболее ответственным механическим оборудованием печи является шагающий конвейер, имеющий обычно гидропривод. В литературе изложены вопросы расчёта рабочих параметров конвейера, мощности его механизмов [1,90,92]. Однако расчётам металлоконструкций конвейера уделено мало внимания, хотя от этого зависит как работоспособность агрегата, так и его надёжность. Как правило, производится проверка прочности неразрезных балок рамы после выбора гидроцилиндров, причём расчёт системы начинается с определения нагрузок, действующих со стороны привода [93], а масса подвижных узлов назначается по эмпирическим формулам в зависимости от типа и садки печи [94]. Масса подвижных частей конвейера, полученная таким методом, ненамного меньше, а иногда и больше массы садки, что вызывает высокие эксплуатационные расходы и снижает надёжность опорно-приводных узлов. Целесообразно снижать массу несущих конструкций, сохраняя их достаточную прочность, иначе разрушение элементов, расположенных в труднодоступных для контроля местах, приведёт к аварии.
Таким образом, совершенствование методов расчёта несущих конструкций конвейера печи - актуальная задача, решение которой позволит защитить агрегат от аварий и снизить стоимость изготовления и эксплуатации.
Являясь базовыми элементами, металлоконструкции должны обладать высокой надёжностью и длительным сроком службы. Такие условия требуют взвешенного подхода ко всем этапам создания рассматриваемого оборудования. Поэтому в этой области преобладают консервативные методы расчетов и конструирования, гарантирующие необходимые запасы прочности.
Однако наличие запасов прочности не страхует оборудование от поломок. Наблюдаются разрушения кожухов доменных печей и воздухонагревателей, балок рудных и мостовых кранов и т.п. С другой стороны, традиционный подход к проектированию ведет к увеличению размеров и массы узлов механического оборудования. Если для неподвижных металлоконструкций следствием этого является, главным образом, увеличение средств на изготовление и монтаж, то значительная масса подвижных металлоконструкций ведет также и к перерасходу энергии и снижению надежности агрегата из-за возрастания нагруженности смежных узлов [95].
Подобная ситуация сложилась для нагревательных печей прокатного производства с шагающим конвейером. Масса подвижной опорной системы, практически, удваивает нагрузки на привод, поскольку она близка к массе садки печи. Наиболее существенная часть массы здесь приходится на верхнюю раму (около 60%). Назначение размеров указанной системы производится конструктивно с учетом имеющегося опыта эксплуатации, так как точный расчет затруднён из-за высокой степени статической неопределимости [96]. Поэтому одинаковые размеры металлоконструкций шагающего конвейера установлены, например, для печей станов 250-1 и 250-2 комбината "Криворожсталь" массами садки, соответственно 210т и 300т.
В литературе чрезвычайно мало информации о методиках расчета несущих конструкций ШК, которыми пользуются ведущие организации в печестроении. Из известных литературных источников [90] можно сделать вывод, что составляется плоская расчетная схема из неразрезных балок, которая решается классическим аналитическим методом сил. Подобный упрощенный подход не учитывает многих особенностей деформирования натурных элементов конструкций и, следовательно, обеспечивает ту точность расчета, которая позволяла бы снизить материалоемкость ШК при гарантированной безопасности длительной его эксплуатации. Можно предположить, что в современных условиях ведущие фирмы-проектировщики ПШК применяют более современные методы расчета, например, метод конечных элементов (МКЭ) в различных его версиях.
Целью настоящей главы являлась не только демонстрация возможностей МКЭ для опорной системы ПШБ с клиновым механизмом, но и исследование влияния на нагруженность элементов этой системы некоторых конструктивно-эксплуатационных факторов.
2.1. Характеристика объекта исследований
и постанова задачи
В качестве примера рассмотрим печь с комбинированным подом с клиновым гидроприводом, где катки подъема и перемещения выполнены на разных уровнях и установлены на нижней раме, которая для подъема шагающих балок (ШБ) внедряется в клиновое пространство, образуемое подвижными и неподвижными несущими конструкциями.
Верхняя рама (ВР) печи представляет собой металлоконструкцию из двух центральных балок (ЦБ) с сечением в виде двутавра №60, которые выполнены неразрезными путем применения болтовых и сварных соединений. На ЦБ установлены поперечные балки (ПБ) с сечением в виде двух двутавров №50 (Рис.2.1). ПБ служат основанием для стоек ШБ. ВР опирается на опорно-ходовые катки (ОР) нижней рамы и перемещается по ним горизонтально возвратно-поступательно на ход 300 мм. Масса верхней рамы 158,8 т.
Между стационарными балками 1 расположена опорно-ходовая система конвейера печи (рис.2.2), которая состоит из четырёх рядов подвижных балок 2, объединённых в секции из пяти стоек 3. Стойки ШБ закреплены в верхней раме 4, продольные балки рамы опираются на опорно-ходовые катки 6 механизма перемещения, приводимого от гидроцилиндра 8. На нижней раме 7, кроме катков 6, снизу установили опорно-ходовые катки 10 механизма, приводимого от гидроцилиндра 5. Подъём ШБ осуществляется путём движения катков 10 по наклонным клиньям 9 с углом 13?[95].
Печь установлена в сортопрокатном цехе, предназначена для нагрева квадратных заготовок при максимальной массе садки 300 т.
МКЭ представляет собой численный метод моделирования, в соответствии с которым нагруженная конструкция рассматривается как совокупность дискретных элементов. Эти элементы имеют простую форму и получаются путем разделения тела условной сеткой линии.
Точки пересечения линий называют узлами. Все элементы нумеруются, а для каждого узла определяются координаты. П