Проект термического участка

1.Общая  часть 

1.1 Проект участка 

1.1.1 Общая характеристика полумуфт 

Полумуфты изготовляют четырех типов: с  цилиндрическим отверстием на концы  валов; с коническим отверстием на концы  валов; на концы с отверстием на волы с эвольвентными шлицами; с отверстием на волы с прямобочными шлицами. Полумуфты первых двух типов изготавливают двух исполнений на длинные концы валов, на короткие концы валов. Полумуфты изготовляют из сталей марки 45 или марки 30Х. Полумуфты отличает высокая несущая способность, простота конструкций, что и обусловило их широкое применение несмотря на ряд присущих им недостатков:

1)постепенное  снижение прочности в следствии  накопления усталостных напряжений;

2)дополнительная  нагрузка на валы и опоры;

3)необходимость  замены предохранительного элемента после срабатывания полумуфты, что связано с остановкой двигателя;

4)зависимость  точности срабатывания от ошибок  изготовления и разброса прочности  материала предохранительного элемента.

  Такие  полумуфт применяют в двигателях  с редкими случайными перегрузками. 

    1.1.2 Выбор материалов 

    Рациональный  выбор материала для полумуфт способствует не только их повышению надежности и долговечности, но улучшает условия обрабатываемости материала и качество полумуфт по величине деформации при термической обработке. Качество, точность и стоимость изготовления полумуфт в значительной степени зависит от склонности к деформации при термической обработке, так как решающее влияние на выбор способа окончательной чистовой отделки и величину припуска под шлифование. Неравномерность такого припуска приводит к удалению наиболее качественного, упрочненного и работоспособного слоя металла, обладающего полезными остаточными напряжениями сжатия; не исключена также возможность появления на поверхности дефектов, как трещины.

      Стали, идущие на изготовление полумуфт, должны обладать главным образом высокой прочностью и достаточной вязкостью. Полумуфты, подвергающиеся истиранию, кроме того, должны иметь твердую и износостойкую поверхность.

      Для изготовления полумуфт применяется много марок стали, целесообразность использования которых объясняется либо технологическими, либо эксплуатационными условиями. Работа полумуфт сопровождается многими явлениями, влияющими на надежность и долговечность их в эксплуатации. Износ, знакопеременные и ударные нагрузки, изгиб, температурный эффект и ряд других явлений, наблюдаемых при работе полумуфт, должны быть учтены при выборе материала и технологии их изготовления.

      Основными материалами для полумуфт являются конструкционные углеродистые и легированные стали.

Сталь, из которой их изготовляют, должна быть мелкозернистой.

      Легированные  конструкционные стали обладают наилучшими механическими свойствами после термической обработки. Это  объясняется тем, что легирующие элементы задерживают диффузионные процессы и оказывают поэтому большое влияние на фазовые превращения, протекающие в стали при закалке и отпуске, задерживая распад мартенсита и огрубление частиц карбидов. Легирующие элементы особенно сильно повышают предел текучести σ_0,2, относительное сужение ψ и ударную вязкость KCU.

      Прочность стали, в первую очередь зависит  от прокаливаемости. Поэтому основной целью легирования конструкционных  сталей является увеличение прокаливаемости. В состав большинства конструкционных сталей входят такие элементы, как хром, никель, марганец, часто с небольшими добавками титана.  В настоящее время из-за дефицитности и высокой стоимости никеля применение хромоникелевых сталей ограничено, их в основном применяют для деталей, работающих при пониженных температурах. В большинстве случаев их можно заменять хромистыми сталями без ущерба для прочности и долговечности деталей машин [3].

        Для изготовления полумуфт рекомендуются мало- и среднеуглеродистые стали. Для изготовления полумуфт назначаются цементуемые стали 20Х, 30Х, 30ХГТ.Химический состав этих марок указан в таблице 1.1. 
 

Таблица 1.1 -  Химический состав сталей (ГОСТ 4543-71)

      Высококачественные  легированные стали содержат меньше вредных примесей (серы и фосфора  не более 0,025 % каждого).

      Хром  повышает прочность стали. При закалке  стали хром резко повышает склонность аустенита к переохлаждению и  значительно уменьшает критическую  скорость закалки, увеличивая прокаливаемость  стали.

    В данной дипломной работе в качестве детали рассматривается полумуфта предназначенный для электродвиготеля, проходческого комбайна 2П-110.

    Хром, является относительно дешевым элементом и широко применяется для легирования стали. Хром понижает точку А₄; точка А₃ сначала немного понижается, а затем повышается. Поэтому диаграмма состояния сплавов железа с хромом обнаруживает замкнутую у-область.

    В системе тройных сплавов железо-углерод-хром, присутствуют следующие сложные карбиды: (FeCr)₃C; (РеСг)₇Сз; (FeCr)₄C, затем о-фаза и а-твердый раствор хрома в железе. Следовательно, в стали, хром является карбидообразующим элементом и одновременно в значительном количестве растворяется в феррите. Углерод расширяет замкнутую у-область. Твердость карбидов хрома способствует высокой износостойкости хромистых сталей, а наличие хрома в твердом растворе в феррите упрочняет последний. Хром существенно увеличивает прокаливаемость стали.

    Марганец является относительно дешевым легирующим элементом. Обычно марганец добавляется в сталь при ее выплавке для раскисления, а также для устранения вредного действия серы. Марганец считается легирующим элементом, если содержание его в стали выше 1%. Марганец образует карбид (Fe Mn)₃C и в значительном количестве растворяется в феррите.

    Диаграмма состояния сплавов железа с марганцем имеет расширенную у-область. Подобно никелю марганец повышает точку А₄, понижает точкуА₃, поэтому часто дорогой никель заменяют дешевым и потому более доступным марганцем.

    Марганец  сильно увеличивает устойчивость аустенита, и прокаливаемость стали, причем действие 1% марганца равноценно 4% никеля. Сталь с содержанием 1% марганца и выше для получения мартенситной структуры закаливают в масле. Марганец в отличие от других легирующих элементов способствует сильному росту зерна аустенита при перегреве.

    Кремний, как и марганец, является сравнительно дешевым и доступным легирующим элементом; он очень распространен в природе, но его восстановление из окислов требует значительной затраты энергии.

    Обычно  он применяется при производстве стали в виде ферросилиция как раскислитель, но также является легирующим элементом, если содержание его в стали выше обычного. Кремний находится полностью в твердом растворе с ферритом и сильно повышает его твердость и предел прочности, но вязкость снижает. Он несколько препятствует снижению твердости поверхности стали при высокой температуре, и тем самым повышает ее окалиностойкость.

    Диаграмма состояния сплавов железа с кремнием имеет замкнутую у-область; кремний подобно хрому понижает точку А₄ и повышает точку А₃. Температура магнитного превращения у-железа с повышением содержания кремния понижается до 490°.

    Кремний сдвигает вправо кривые начала и конца  превращения на диаграммах изотермического превращения аустенита, однако, меньше, чем другие легирующие элементы [4].

    Итак, на основании выше изложенного можно сказать, что выбранная сталь, обладающая достаточно высоким комплексом механических свойств, позволит обеспечить нормальную работу детали в условиях больших скоростей и при больших усилиях, но в отсутствии динамических нагрузок. 

    1.1.3 Расчет производственной программы 

    Основанием  для проектирования термического участка  является годовая производственная программа.

          Программа служит основой  для компоновки технологического процесса и выбора оборудования. Для этого  необходимо знать номенклатуру деталей, марки сталей, вес, габаритные размеры и подлежащее обработке количество деталей.

          Производственная  программа - это перечень товарной продукции  в тоннах (штуках), которая изготовлена  цехом за установленное время (год). Производственная программа приведена в таблице 1.2 

    Таблица 1.2 - Производственная программа термического участка

1.1.4 Расчет потребного количества оборудования 

 1.1.4.1 Расчет необходимого оборудования для нагрева под закалку: 

      Необходимое число печей для нагрева под  закалку будет равно: 

      принимаем 3 печи для закалки

      1.1.4.2 Расчет числа оборудования для отпуска: 

      Необходимое число печей для нагрева под  отпуск равно: 

            1.1.4.3 Расчет числа оборудования для газовой цементации: 
 

       Необходимое число печей для  газовой цементации: 

                        примем 4 печи для цементации 

    1.1.5Расчет потребности в электроэнергии 

    Общая годовая потребность, как в технологической, так и в силовой электроэнергии определяется по формуле: 

                  Е_э= · Ф_n              (1.2)                              [7] 

    где Е_э - общая годовая потребность в технологической (силовой)             электроэнергии, кВт·ч;

      R_n.э – средний расход электроэнергии на 1 час работы оборудования n-го   типа;

      Ф_п – потребное количество часов работы оборудования n-го типа для                   выполнения годовой производственной программы.

      Среднечасовой расход технологической электроэнергии для оборудования каждого типа можно  определить по формуле: 

            R_n.э=N_y · K_N · K_W, (1.3)                        [7] 

где N_y – установленная мощность электропечи, кВт;

      K_N - коэффициент использования печи по мощности;

      K_W - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в сети     предприятия.

для печи СНО- 8,1.6,5/7М1: R_nэ= 90 · 0,6 · 1,05= 56,7кВт;

для печи Ц 60: R_nэ=60·0,6·1,05= 37,8 кВт; 

    Общая годовая потребность в технологической  электроэнергии: 

                           Е_э=56,7·8750+56,7·10700+37,8·600= кВт·ч 

    Среднечасовой расход силовой электроэнергии определяется по формуле: 

R_nэ= ,             (1.4)                              [7] 

где N_y – суммарная установленная мощность электродвигателей единицы   оборудования каждого типа, кВт;

      К_вр – средний коэффициент загрузки электродвигателей по времени;

      К_од – средний коэффициент одновременности работы электродвигателей;

      η_м – средний КПД электродвигателей. 

 для  мостового крана: R_nэ= =0,6 кВт·ч; 

для тележки: R_nэ= =0,8 кВт·ч. 

Общая годовая потребность в силовой электроэнергии: 

Е_э=0,6·7800+0,8·7800= 10920 кВт·ч. 
 
 
 
 

    Расчет  потребности в технологической  и силовой электроэнергии выполнен в форме таблицы 1.3. 
 
 

Таблица 1.3 - Расчет потребности в технологической и силовой электроэнергии

1.1.5.1Расчет потребности в электроэнергии на освещение помещений 

    Годовая потребность в электроэнергии на освещение помещений определяется по формуле

                        (1.5) [7]

    где Е_э.о.- годовая потребность в электроэнергии на освещение всех                 помещений участка, кВт·ч;

      z – количество помещений цеха;

          R_z – средний расход электроэнергии на освещение 1 м² площади помещения z-го вида в течение 1 часа;

          К_од– коэффициент одновременности горения ламп (для производственных помещений 0,8, а для бытовых 0,7);

      F_z – площадь помещения z-го вида;

          Т_г – продолжительность горения электроламп в году (при работе в 3 смены Т_г=4300ч).

      Годовая потребность в электроэнергии на освещение производственных помещений составляет:

     Е_э.о=0,015·0,8·825,5·4300=1444,8 кВт·ч;

     а бытовых:

     Е_э.о=0,01·0,7·206,4·4300=682,5 кВт·ч. 

    Годовая потребность в электроэнергии на освещение помещений:

     Е_э.о= 42595,8 +6212,64=кВт·ч.

    Расчет  потребности в электроэнергии выполнен в форме таблицы 1.4. 

Таблица 1.4 – Расчет потребности в электроэнергии на освещение помещений

    1.1.5.2Расчет потребности в энергоносителях других видов 

    На  термическом участке вода расходуется  в закалочных баках. Расход воды рассчитывают по удельным укрупненным нормам (на 1 т изделий):

    - для охлаждения змеевиков в масляных баках 10-12 м³/т, тогда при 1000 т изделий:

11*1000=11000 м³

    Расход  воды на хозяйственные нужды составляет 0,1 м³ на одного работающего в смену (6-число работающих в смену, 780-число суток в год), тогда:

0,1*6*780=468 м³ 

    1.1.5.3Расчет расхода вспомогательных технологических материалов 

    На  термическую обработку расходуются  следующие технологические материалы: масло для закалки (2% к весу обрабатываемой продукции), карбюризатор для цементации (3% к весу обрабатываемой продукции).

          Расчет выполнен в виде таблицы 1.5. 
 

Таблица 1.5 – Расход вспомогательных технологических материалов

1.1.6 Описание термического участка 

    В данном подразделе производится планировка отделения, расчет потребных площадей (производственных, вспомогательных, бытовых). Разработка плана термического отделения  включает выбор наиболее рациональной его компоновки, определение геометрических размеров здания и последующую детализацию с нанесением строительных элементов, оборудования, транспортных средств и коммуникаций.

    1.1.6.1 Планировка термического участка

    Планировка термического участка представляет собой графическое изображение помещения и располагаемого в нем оборудования. Правильность планировки и организации работы участка проверяется по грузопотоку деталей. Часто грузопоток деталей осуществляется по замкнутому контуру, что ускоряет холостой пробег для возврата приспособлений. Рекомендуется не допускать пересечение путей движения обрабатываемых деталей, следует учитывать откуда поступают изделия и куда они должны быть направлены после термической обработки.

    Характер грузопотока отражает последовательность выполнения термических операций и схему расположения оборудования. Траектория грузопотока должна быть наикратчайшей, не должна пересекаться на одном уровне, не должна перекрывать предназначенные для людей проходы. Грузопоток начинается с места поступления изделий на смежное производство. Поэтому склады изделий, как поступающих на термическую обработку, так и уже термообработанных, размещаются соответственно в начале и конце грузопотока. В соответствии с основным направлением продукции по операциям размещается оборудование таким образом, чтобы к нему был свободный доступ для ремонта на расстоянии от стены 1,5 м.

    Закалочный  бак располагается вблизи печи, обеспечивая  минимальные расстояния при переносе изделия для охлаждения, напротив разгрузочного стола печи для закалки. После термообработки детали поступают на склад. Щиты управления располагаются вблизи печей. 

    1.1.6.2 Расчет потребных площадей 

    Общая площадь термического участка состоит  из производственной и вспомогательной. Производственная площадь участка занята производственным и транспортным оборудованием, рабочими местами с заделами деталей, заготовок и инструмента. К производственной площади относятся проходы и проезды между рядами оборудования. К вспомогательной площади относится территория цеха, занятая вспомогательными службами, магистральными и пожарными проездами. Сумма производственной и вспомогательной площади называется общей «технологической» площадью участка. Производственная площадь рассчитывается путем суммирования площади для каждого вида оборудования:

                        (1.6) [8]

где S_i – площадь для данного вида оборудования;

       S_пр – площадь на проходы и проезды.

 
                                                   ,                 (1.7)                      [8]                                             

  .

      Вспомогательная площадь:

              ,   (1.8) [8] 

      .

      Потребные площади складских помещений  определяются по формуле 

                            (1.9)   [8] 

где S_скл – потребная площадь, м²;

      Q_сут – суточная программа, т;

      N_хр – норма хранения, сут;

      Q – допустимая нагрузка, т/м²;

       k_исп – коэффициент использования площади склада. 

.

  Общая площадь:

                                                      ,            (1.10) [8]

                  .

      Принимаем длину пролетов равной 6 м, а ширину термического участка – 18 м. 
 

1.1.6.3 Здание, элементы его конструкции  

    Проектируемый термический участок представляет собой одноэтажное здание шириной в один пролет (18 м). Здание имеет вид прямоугольника. Высота термического участка для лучшего обмена воздуха и для возможности установки крана применяется равной 7,2 м. Для строительства

    участка применяется рамная конструкция, выполненная из металла. Ее характерная особенность - жесткое сопряжение стоек с фермой. Стальные рамы имеют сплошное сечение. При ширине здания 18 м нагрузка от строительных ферм и мостового крана сильно возрастает и появляется необходимость в железобетонных колоннах. Колонны устанавливают в предусмотренные в башмаках стаканы, и зазоры заливают цементным раствором. Назначение башмака - передать нагрузку от колонны на большую площадь фундамента. Для установки балок по высоте колонны делают промежуточные опоры из консолей.