Реконструкция механизма подьема

       Введение 

      Рождение  Череповецкого металлургического  комбината совпало с тем временем, когда в металлургии внедрялось множество технических новинок: повышенное давление газа под колошником, высокая температура дутья, офлюсованный агломерат, природный газ и кислород. Эти могучие союзники прогресса позволили Череповецкому металлургическому комбинату за короткое время достичь высоких технико-экономических показателей. Технический прогресс в сочетании с грамотной организацией производства за четыре десятилетия превратил ОАО «Северсталь» в крупный металлургический комбинат.

      Стратегия развития ОАО «Северсталь» базируется на квалифицированном руководстве  предприятием, инженерно-технической  культуре, современном уровне технического обеспечения производства, высокой  квалификации работников.

      ОАО «Северсталь» не замыкается на решении  внутренних проблем. Интересы коллектива шире границ предприятия. Среди общенациональных проектов, в которых участвует  предприятие – освоение производства специальных сталей для сооружения ледостойких платформ по добыче нефти и газа на шельфе северных морей. Создание современной спутниковой связей между крупнейшими потребителями металла. В данное время на заводе разрабатывается бизнес-план и разработана и осуществляется долговременная инвестиционная программа, которая предусматривает:

• Улучшение экологической обстановки на комбинате и в городе;
• Расширение сортамента, увеличение выпуска рентабельной продукции, имеющей спрос на внутреннем и мировом рынках;
• Обеспечение качества выпускаемой продукции в соответствии с

 

•  требованиями  международных стандартов и достижения  ее 
• конкурентоспособности на мировом рынке;
• Снижение затрат на сырье, материалы и энергоресурсы;

• Создание  новых рабочих мест за счет расширения производства товаров народного  потребления и платных услуг, развитие системы социально-бытового обслуживания и укрепления строительных подразделений.

      ОАО «Северсталь» представляет собой комбинат с полным циклом металлургического  производства, входят семь основных цехов: обжимной, сортопрокатный, производство холоднокатаного листа, цеха гнутых профилей, трех листопрокатных цехов горячей прокатки.

      В дипломном проекте представлено проектирование и монтаж привода механизма подъема мостового крана грузоподъемностью 15 т (7,5+7,5) в цехе ЦГП ОАО «Северсталь». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1    Общая часть

1.1 Перспективы развития  предприятия и  цеха

      В настоящее время ОАО «Северсталь» является крупнейшим  производителем стального проката и одним  из крупнейших экспортеров черных металлов на мировом рынке. Это обусловлено тем, что на Магнитку, «Северсталь» и НЛМК приходится примерно 56% суммарного российского экспорта металлопродукции и 97% экспорта листового проката.

      Особых  перспектив развития для производства холоднокатаного листа не существует, поскольку ПХЛ во многом зависит от обжимного цеха, а на комбинате планируется установка машин разливки квадратной заготовки требуемых сечений, и использование стана 730/530 будет прекращено. Коллектив цеха ПХЛ постоянно проводит мероприятия по совершенствованию технологии и оборудования. Так в цехе отделки металла (ЦОМ) проводятся постоянные реконструкции  агрегатов продольной резки (АПР) с целью улучшения качества и увеличения сортамента производимого холоднокатаного листа.

      ОАО «Северсталь» - крупнейший производитель  Холоднокатаного проката. Продукция выпускается на современном высокопроизводительном оборудовании. ПХЛ оснащено 4-х клетьевым станом «1700» непрерывной прокатки, агрегатами непрерывного аллюмирования, агрегатами для производства динамной стали, мощностями для термообработки резки и упаковки рулонов и листов.

      Основным  видом производимой продукции является холоднокатаный прокат различного назначения в листах и рулонах толщиной от 0,5 до 2,0 мм. И шириной до 1500мм., динамная сталь, а также термообработанный  и оцинкованный метал.

      Вес заготовки может достигать до 15тонн. Лист изготавливается из углеродистых, низколегированных, легированных, коррозионостойких  и нержавеющих марок стали.

      Потребители металла, особенно такие отрасли, как  энергетика, химия, авиация, ракетостроение, машиностроение, радиоэлектроника непрерывно ужесточают требования к геометрическим формам продукции из металла, размерам и допускам, а также физическим, химическим и прочностным свойствам. Высокие температуры, давления, скорости, режимы нагрузок, а также условия агрессивных сред предъявляют новые требования к качеству

      материалов; сосудов, работающих под давлением; в судостроении; для изготовления гнутых профилей и другого. В части  сортамента прокат должен соответствовать  требованиям ГОСТ 19903, в котором оговариваются размеры проката, предельные отклонения по толщине, ширине, длине; отклонения от планшетности и другие. Шероховатость поверхности определяется на основании ГОСТ 2789-73.  

1.2 Назначесние цеха, характеристика основного оборудования цеха

 

       ЦГП – один из уникальных цехов, в нем одновременно пересекаются несколько видов технологий. Это  и гнутые профиля и замкнутые сварные профили, и прямоугольные электросварные трубы прямоугольного, квадратного, круглого и фигурного сечения. ЦГП производит более 265 профилеразмеров гнутых профилей, более 210 типоразмеров труб различных марок сталей.

       Состав оборудования ЦГП:

       Участок №1

• Профилегибочный станок 1-4*50-300;
• Профилегибочный станок 2-18*100*600 с трубной технологией;

 

• Профилегибочный стан 0,6-3*30-400;
• Профилегибочная линий С-18;
• Профилегибочная линия Н-19;
• Агрегат перфорации полосы;
• Трубосварочный стан 19-50;
• Трубосварочный стан 50-76

       Участок №2 

• Трубоэлектросварочный стан «Маккей»;
• Трубоэлектросварочный стан 25-60;
• Трубоэлектросварочный стан «ЭТНА»;
• Трубоэлектросварочный стан 10-25;
• Агрегат продольной резки.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2    Специальная часть

1. Обоснование выбора темы

 

      В данном дипломном проекте предлагается произвести реконструкцию механизма подъема мостового крана в цехе ЦГП. Данная реконструкция связана с частой поломкой редуктора механизма подъема, в результате чего приходилось производить внеплановые ремонты, и непредвиденные затраты на ремонт. В итоге предлагается произвести расчет нового оборудования для механизма подъема для повышения надежности и снижения затрат на ремонты.

      Реконструкция привода механизма подъема мостового крана предусматривает:

• Повышения надёжности данного механизма:
• Уменьшении времени ремонта.
• Уменьшении простоев  оборудования.

 

2.2 Назначение, устройство, принцип работы механизма подъема крана 

 

       1. Электродвигатель

       2. Муфта упругая втулочно-пальчиковая

       3. Вал быстроходный

       4. Вал-шестерня быстроходной ступени

       5. Корпус редуктора

       6. Подшипниковый узел с глухой  крышкой

       7. Зубчатое колесо быстроходной  ступени

       8. Вал-шестерня тихоходной ступени

       9. Вал-шестерня промежуточный

       10. Зубчатое колесо тихоходной ступени

       11. Тихоходный вал

       

       12. Муфта

       13. Опора подшипниковая барабана

       14. Барабан механизма подъема с канатом

     Рисунок 1 – Кинематическая схема привода  механизма подъема

      Принцип работы механизма подъема следующий: редуктор служит для передачи вращения и изменяющегося крутящего момента от электродвигателя к исполнительному механизму – подъемному барабану с канатом Электродвигатель 1 посредством муфты 2 передает крутящий момент на быстроходный вал 3, установленный в корпусе редуктора 5 на подшипниках 6. Быстроходный вал имеет зубчатый венец 4 (шестерня), которая зацепляется с зубчатым колесом 7, установленным посредством шпоночного соединения с промежуточным валом 9, установленным также на подшипниках качения. На промежуточном валу имеется также зубчатый венец 8 (промежуточный вал может быть выполнен в виде вал-шестерни), которое зацепляется с зубчатым колесом 10, установленным посредством шпоночного соединения на тихоходном валу 11, установленном также в корпусе редуктора на подшипниках качения. Выходной конец тихоходного вала 11 посредством шпоночного соединения и муфты 12 соединен с валом барабана 14 механизма подъема.

      Условно назовем зубчатую передачу 4-7 быстроходной ступенью и зубчатую передачу 8-10 тихоходной ступенью редуктора. Крутящий момент передается: с вала электродвигателя на быстроходную ступень 4-7, далее на промежуточном валу на участке 7-8 на тихоходную ступень 8-10, далее на муфту 12 и на вал подъемного барабана 14.

 
2.3    Расчетная часть

2.3.1 Определение мощности электродвигателя и его выбор 

       Определяем  требуемую мощность электродвигателя: 

,       (1)

    где  N – мощность на тихоходном валу привода, в кВт;

          - общий КПД привода. 

       Определяем КПД: 

,     (2)

    где - КПД соединительных муфт; = 0,98 [ 9; с.43]

          - КПД закрытой передачи; = 0,96 [ 9; с.43]

          - КПД подшипниковой пар;. = 0,99 [ 9; с.43] 

    

       (3)

    где  Р – тяговое усилие на приводном  валу в Н;

    v – скорость тягового элемента в м/с. 

     

,     

      Выбираем стандартный электродвигатель с номинальной мощностью, которая соответствует условию:

      

 [9; с.42]

Таблица 1 – Выбор  электродвигателя [5;с.137-159]

      Выбираем  электродвигатель путем сравнения  передаточного числа I, которое дает каждый двигатель с передаточным которое может обеспечивать передача привода

      Для определения передаточного числа  привода необходимо найти частоту  вращения его выходного вала по формуле

,      (4)

    где - частота вращения выходного вала привода, об/мин;

           - угловая скорость быстроходного вала рабочей машины, .

     

       Определяем  передаточное число:

       (5)

    где i – передаточное число привода;

          - частота вращения вала электродвигателя, об/мин

          - частота вращения выходного  вала привода, об/мин.

,      

,      

,      

,      

      Из  перечисленных двигателей нам больше подходит электродвигатель 5АМ280S6 с частотой вращения 970об/мин, мощностью 75 кВт и передаточным числом i=40 т.к. остальные двигателя имеют частоту вращения, =730, (эти частоты очень низкие, что влияет на скорость вращения барабана в результате чего скорость подъема груза будет низкой), =1478 об/мин =2940 об/мин (частоты и передаточное число очень высокие). 

       2.3.2 Кинематический расчет привода 

       Определяем  угловую скорость, :

,       (6)

    где - угловая скорость

     

       Определяем вращающий момент, Н*м:

,       (7)

    где, - номинальная мощность электродвигателя.

     

     

     

      Определяем  вращательный момент на быстроходном и тихоходном валах, Н*м;

б/х вал 

,       (8)

т/х вал 

,       (9)

    

( ),       (10)

    где - расчетный крутящий момент, Н∙м;

      К – коэффициент режима нагрузки к=1,5 [8; с.251];

       - крутящий момент на быстроходном  валу;

       - крутящий момент на тихоходном  валу.

 

   (на быстроходном  валу)

                             (на тихоходном валу)

      Выбираем  для привода двухступенчатый  цилиндрический редуктор Ц2У-400КМ-40-11(21)-У2, передаточным числом 40, вид сборки 21(11). 

       2.3.3 Выбор муфт 

      Определяем  диаметры быстроходного и тихоходного  валов под муфты

,        (11)

    где, D – диаметр вала, мм;

         Т – крутящий момент вала, Н*м

          - допускаемое напряжение на  кручение Н/мм² [8; с.110]; 
 

 

          - диаметр быстроходного вала, мм;

           

        - диаметр тихоходного вала, мм;

      Выбираем  муфты учитывая диаметры валов и с большим крутящим моментом, исходя из условия [8; с. 251];

    

>

      Выбираем  втулочно-пальцевые муфты (МУВП) т.к. они отличаются высокими компенсационными свойствами и надежностью в работе:

      на  быстроходный вал МУВП–72 ГОСТ 21424-75 ( =2000 Н*м, D=260 мм об/мин [8;164-165]) с 10 пальцами М16, тормозной шкив D=400 мм;

      на  тихоходный вал МУВП – 190 ГОСТ 21424-75 ( =50000Н*м; D=420 мм об/мин [8;164-165]) с 10 пальцами М30 

       2.3.4 Выбор тормозов 

       Определяем  момент на валу барабана механизма  подъема груза, Нм:

,       (12)

    где, Q – масса груза, Н;

          - диаметр барабана, м;

         η – КПД механизма подъема;

         а – кратность  полиспаста;

         u – передаточное число механизма подъема.

         

      Определяем  тормозной момент, обеспечивающий удерживание  груза в статическом состоянии  на весу, Нм

      

     ,       (13)

    где, М-момент на валу барабана, Нм;

         k – коэффициент запаса торможения (k=2).

    

       Выбираем  тормоз согласно условия [7, стр.13]:

    

       Выбираем  тормоз ТКГ-400 с гидотолкателем ТЭ-80 

       2.3.5 Проектный и проверочный  расчет вала 

      В качестве материала быстроходного и тихоходного валов выбираем сталь 40Х, термообработка – улучшение, твердость 269…302 НВ.

     Предел  прочности: ;

     Предел  текучести: ;

     Предел  выносливости: ; (4, стр. 53, табл. 3.2)

     Принимаем допускаемые напряжения кручения (4, стр. 110)

     Определение геометрических параметров ступеней быстроходного  вала.

Рисунок 2 – Конструкция быстроходного вала редуктора.

     1-я  ступень под шкив поликлиноременной передачи:

  Диаметр, мм:        (58)

  где М_К = Т₁ = 724 Н*м (п. 2.3)

  

      

  Принимаем d₁ = 70 мм

  Длина

     2-я  ступень под уплотнение крышки  с отверстием и подшипник:

  Диаметр, мм:

  

       (59)

  где r = 2,8 мм (4, стр. 113, табл. 7.1)

   Длина

     3-я  ступень под шестерню:

  Диаметр, мм:

    (60)

  где r = 2,8 мм (4, стр. 113, табл. 7.1)

  Длина третьей ступени принимается равной 200 мм.

     4-я  ступень под подшипник:

   Диаметр, мм

     Длина четвертой ступени соответствует  ширине выбранного подшипника:

  где В  – ширина подшипника, мм;

      с – ширина фаски, мм (4, стр. 434, табл. К28)

     В качестве опор для быстроходного  вала редуктора выбираем радиально-упорные  шариковые подшипники легкой серии  № 7512 ГОСТ 831-75 (4, стр. 434, табл. К28)

d = 75 мм; D = 130 мм; B = 25 мм; С_r = 61,5 кН; С_0r = 54,8 кН

е = 0,34; Y = 1,8

     Определение реакций в опорах подшипников  и построение эпюр моментов для быстроходного  вала.

  а) Вертикальная плоскость.

     Определяем  опорные реакции, Н:

  Проверка:

  

-1344 + 5743 – 2472,6 + 1700,7 = 0

     Строим  эпюру изгибающих моментов относительно оси Х.

     б) Горизонтальная плоскость.

     Определяем  опорные реакции, Н:

  Проверка:

2346,9 –  4693,87 + 2346,9 = 0

     Строим  эпюру изгибающих моментов относительно оси Y.

  в) Строим эпюру крутящих моментов, Нм:

  г) Определяем суммарные реакции опор, Н:

  д) Определяем суммарные моменты в опасных  сечениях вала, Нм:

2.3.6 Проверочный расчет  подшипников на  долговечность 

     Пригодность подшипников определяется сопоставлением расчетной динамической грузоподъемности С_гр с базовой С_r, с так же базовой долговечности L_10h с требуемой долговечностью L_h по условиям:

      Эквивалентная нагрузка R_е учитывает характер и направление нагрузок, действующих на подшипники, условия работы и зависит от типа подшипника.

      Эквивалентную динамическую нагрузку определяют по одной из формул, Н:

  или

  где R_r – суммарная реакция подшипника, Н;

      R_а – осевая нагрузка подшипника, Н;

      Х = 0,4 коэффициент радиальной нагрузки;

      Y = 1,8 коэффициент осевой нагрузки для роликоподшипников;

      е = 0,34 коэффициент влияния осевого  нагружения.

      Для радиально-упорных роликоподшипников эквивалентная нагрузка R_е рассчитывается для каждого подшипника на валу с целью определения наиболее нагруженной опоры.

     Выбираем  схему установки подшипников  враспор. 

Рисунок 3 – Схема нагружения подшипников на быстроходном валу (враспор). 

     Осевая  составляющая радиальной нагрузки подшипников, Н:

     (66)

  где R_r1 = R_A = 5805 Н (п. 5.7.1)

R_r2 = R_B = 2528 Н (п. 5.7.1)

  Осевая  нагрузка, Н:

R_а1 = R_S1 = 1638 Н

R_а2 = R_а1 + F_а = 1638 + 534.8 = 2173 Н

  где F_а = F_а1 = 534.8 Н (п. 5.7.1)

     Определить  отношения:

   (67)

      По  результатам сопоставлений  и выбираем формулы для определения динамической эквивалентной нагрузки каждого подшипника.