РАЗДЕЛ 2
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСЧЕТА И ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ
СКОЛЬЗЯЩИХ ЗАТВОРОВ
Процесс создания нового образца скользящего затвора является довольно
длительным и включает несколько стадий, последовательность которых обозначена
на рис. 2.1. При этом уровень выполняемых технических разработок во многом
определяется наличием информации о предшествующем опыте использования в
производстве данного вида оборудования, имеющимися в распоряжении специалистов
методами расчета проектируемых систем разливочных устройств, совершенством
материально-технической базы экспериментальных исследований в лабораторных и
промышленных условиях надежности их функционирования [128].
Рис.2.1. Порядок подготовки к запуску в производство нового ковшового затвора
Механическая система скользящего затвора состоит из совокупности элементов,
обеспечивающих надежное прижатие и необходимое относительное положение
огнеупорных плит, при котором достигается полное или частичное перекрытие
выпускного канала сталеразливочного ковша, что позволяет реализовать
дозированную подачу из него жидкого металла в изложницы или промежуточный ковш
машины непрерывного литья заготовок..
Эти элементы (неподвижная и подвижная металлические обоймы с установленными в
них керамическими изделиями, опорный узел подвижной обоймы и механизм прижатия
плит) связаны между собой кинематической цепью. Поскольку в любом скользящем
затворе используют только последовательную схему соединения элементов,
вероятность его безотказной работы определяют как произведение вероятностей
безотказности указанных элементов [129].
Поэтому при исследовании нагрузок, возникающих в элементах скользящего затвора
во время его эксплуатации, в первую очередь необходимо получить информацию о
предельно опасных напряжениях, способных вызвать разрушение наименее прочной
детали. Такими деталями в конструкции ковшового затвора являются огнеупорные
плиты, уступающие по прочности металлическим элементам и подвергающиеся
воздействию наибольших механических и тепловых нагрузок.
Как показал опыт применения скользящих затворов, из-за превышения допустимой
силы прижатия огнеупорных плит еще при сборке разливочного устройства перед
установкой его на ковш в керамических деталях появляются поперечные трещины.
Вероятность нарушения целостности огнеупорных плит затвора до начала разливки
стали достигает 20 – 25%.
В связи с этим совершенствование методов расчета и экспериментальных
исследований напряженно-деформированного состояния огнеупорных элементов
системы скользящего затвора является важной задачей, связанной с повышением
надежности разрабатываемых разливочных устройств.
2.1 Исследование объемного напряженно-деформированного состояния огнеупорных
плит скользящих затворов
Как уже отмечалось, достоверная информация о нагруженном состоянии огнеупорных
плит является базой для выполнения прочностных расчетов конструктивных
элементов скользящих затворов и энергосиловых параметров их приводов. Причем
требуемая для инженерных расчетов точность может быть обеспечена при наличии
четких сведений о реальной картине распределения напряжений в керамических
частях разливочного устройства. Поэтому изучение напряженно-деформированного
состояния плит затворов представляет важную научно-практическую задачу.
Учитывая известные трудности, связанные с проведением натурных исследований в
условиях промышленного применения скользящих ковшовых затворов, наиболее
приемлемыми методами решения поставленной задачи следует считать физическое и
математическое моделирование, позволяющие с минимальными материальными и
временными затратами получить необходимую информацию и найти оптимальное
конструктивное исполнение проектируемой механической системы.
Математическое моделирование выполнили с использованием метода конечных
элементов (МКЭ), учитывающего геометрические формы исследуемых деталей,
свойства их материалов, наличие концентраторов напряжений и позволяющего
значительно приблизить расчетную схему к реальному объекту. Проведенные нами
ранее с применением МКЭ исследования плоского напряженно-деформированного
состояния трехплитного скользящего затвора показали, что погрешность
результатов расчетов, полученных с использованием этого метода, составляет 5 -
10 % [130, 131].
Для определения напряжений в наиболее ответственных деталях ковшовых затворов с
использованием положений теории упругости и пластичности разработали
математическую модель объемного напряженно-деформированного состояния
огнеупорных плит разливочных устройств шиберного типа, реализованную в виде
пакета программ в соответствии с концепцией метода конечных элементов [132].
При составлении математической модели трехплитного (рис.2.2 а)
и двухплитного (рис. 2.2 б) затворов аппроксимацию трехмерной области расчетной
схемы выполняли конечными элементами (КЭ) в форме тетраэдра (рис. 2.3) с
координатами x, y, z. Смещения в локальных узлах в направлении этих координат
определяли с помощью трех компонентов ui , vi, wi.
а б
Рис. 2.2. Расчетная схема при составлении математической модели:
а - трехплитного затвора; б - двухплитного затвора
Рис.2.3. Конечный элемент в форме тетраэдра
Поле перемещений в КЭ описывали при помощи интерполяционных функций fi (i = 1,
2, ..., 4 – номер локального узла), обладающих следующими свойствами [133]:
каждая интерполяционная функция fi выражает закон изменения перемещений по
области КЭ, когда узловое перемещение i отлично от нуля, а все остальные равны
нулю;
2) каждая интерполяционная функ