Введение
Актуальность диссертационного исследования. В различных отраслях промышленности для производства цемента, извести, гипса, керамических изделий для измельчения твердых материалов применяют шаровые трубные мельницы.
При производстве цемента помольное оборудование является основным звеном технологической линии. Под воздействием нагрузок в процессе эксплуатации мельницы происходит износ основных опор скольжения барабана трубных мельниц - цапф, в результате чего на её рабочей поверхности появляются различные дефекты. Значительное динамическое воздействие нагрузки на мельницу приводит к потере работоспособности, что способствует длительным простоям в ремонте. Качество и эффективность работы оборудования цементных заводов находятся в прямой зависимости от точности его восстановления, ремонта и корректного содержания, определяющих в значительной степени технико-экономический эффект от применения современных технических устройств.В настоящее время, с целью восстановления рабочей цилиндрической поверхности цапф мельниц используют технологию обработки специальными нестационарными станками. Применяемые способы восстановления формы рабочей поверхности цапфы в основном предполагают обработку точением с последующим шлифованием. Так как диаметр обрабатываемой поверхности вращения составляет от 800 до 1800 мм, то время технологического процесса восстановления данным методом превышает 72 часа. При этом значительная величина износа используемого инструмента превосходит допустимую погрешность формы обрабатываемой поверхности. Для достижения необходимой точности и качества рабочей цилиндрической поверхности цапф, требуется применить такую технологию восстановления формы поверхности, которая позволит сократить время при проведении восстановительных работ, вследствие чего снизить расходы на ремонт оборудования и увеличить объем выпуска цемента.
В России насчитывается более 60 предприятий цементной промышленности, производственные мощности которых составляют около 80 млн.
тонн цемента в год. Количество основного оборудования для измельчения сырья - помольных шаровых мельниц, по данным Росстата на 2015 год, составляет более 600 штук.Техническое состояние мельниц помола, эксплуатируемых 40 лет и более, характеризуется высоким уровнем износа и, в первую очередь, всей механической части крупногабаритных опорных вращающихся деталей - цапф. В связи со сложным финансовым положением многих компаний из-за мирового экономического кризиса запуск новых линий приходится отложить на неопределенный срок и наиболее перспективным является сейчас именно восстановление имеющегося оборудования.
Таким образом, в настоящее время постановка задачи восстановления цапф мельниц в условиях эксплуатации представляется весьма актуальной с практической и теоретической точек зрения.
Степень разработанности темы диссертационного исследования. При работе над диссертацией были изучены коллективные труды и отдельные монографии российских и зарубежных ученых, посвященные теме восстановления крупногабаритного оборудования. Исследованиями в данной области занимались: Амари С., Бондаренко Ю.А., Брауни Э.Д., Бхатия С.М., Гебель И.Д., Гурни И.Г., Макагон И.С., Пелипенко Н.А., Погонин А.А., Прохоров А.П., Рязанов В.И., Санина Т.М., Федоренко М.А., Хроменко В.Ф. и др. ученые. При исследовании процесса восстановления крупногабаритных деталей недостаточно проработан вопрос о применении приставного станка с использованием ротационного резца, исключающего дальнейшую чистовую обработку.
Представляет интерес разработка моделей, описывающих процесс ротационной обработки рабочих цилиндрических поверхностей цапф, исследование зависимостей параметров, влияющих на точность и качество обработки, усовершенствование конструкции станка для обработки цапф.
Объект исследования. Цапфы цементной мельницы.
Предмет исследования. Процесс восстановления формы рабочей цилиндрической поверхности цапфы в условиях эксплуатации с применением приставного станка.
Целью работы является снижение временных затрат на капитальный ремонт цементной мельницы за счёт совершенствования технологии восстановления опорных узлов - цапф в условиях эксплуатации с применением приставного станка.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выполнить обзор существующих технологий восстановления цапф мельниц, совершенствовать технологию восстановления, позволяющую сократить время выполнения восстановления и обеспечивающую заданные точность и качество;
- установить и анализировать причины износа рабочей цилиндрической поверхности цапф мельниц;
- разработать программу для ЭВМ, позволяющую моделировать процесс формирования поверхности при восстановлении рабочих поверхностей цапф для определения рациональных режимов и параметров обработки;
- разработать математические модели, позволяющие методом линейного программирования оптимизировать режимы ротационной обработки рабочей цилиндрической поверхности цапф мельниц на приставном станке;
- исследовать процесс формирования площади среза и шероховатости поверхности при восстановлении цапф мельниц;
- исследовать влияние технологических параметров обработки и режимов резания на точность и качество рабочей цилиндрической поверхности цапфы;
- разработать оборудование для восстановления цилиндричности рабочих поверхностей цапф при обработке в условиях эксплуатации мельниц;
- разработать технологию обработки рабочих цилиндрических поверхностей цапф мельниц с применением приставного станка в условиях эксплуатации;
- осуществить внедрение технологии восстановления цапф мельниц в условиях эксплуатации в промышленном производстве.
Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности 05.02.13 по следующим пунктам области исследований:
3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций.
7. Разработка и повышение эффективности методов технического обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса.
А также паспорту специальности 05.02.08 по следующим пунктам области исследований:
3. Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения.
4. Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска.
Научная новизна:
- новая технология ремонта цапфы цементной мельницы, обеспечивающая требуемые точность и качество рабочей поверхности цапфы и позволяющая снизить временные затраты на ремонт;
- алгоритм вычисления параметров процесса восстановления цилиндрической формы цапфы цементной мельницы в процессе ее ремонта в условиях эксплуатации, с применением приставного станка;
- новая конфигурация и состав конструктивно-технологических элементов приставного станка для ремонта цапф цементной мельницы;
- математическая модель, позволяющая получать оптимальные технологические параметры при восстановлении цапф мельниц различных типоразмеров с использованием приставного станка.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Математические модели, обеспечивающие выбор режимов и параметров обработки рабочих цилиндрических поверхностей цапф мельниц, позволяют получить заданные точность геометрической формы и качество поверхности.
2. При обработке рабочих поверхностей цапф мельниц, с использованием разработанных технологии и оборудования, достигаются высокие показатели точности и качества поверхности.
3. Применение разработанного станка и средств технического оснащения способствует восстановлению опорных узлов мельниц на месте эксплуатации, что значительно сокращает простои оборудования во время ремонта.
4. Разработанная технология восстановления цапф мельниц применяется при ремонте загрузочных и разгрузочных цапф различных типоразмеров мельниц.
Методы исследования. В процессе исследования применяются метод конечных элементов, метод наименьших квадратов, метод подобия и размерностей, метод покоординатного спуска, математические и экспериментальные факторные модели, метод компьютерного моделирования, метод линейного программирования.
Автор защищает следующие основные положения:
1.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологии восстановления рабочих цилиндрических поверхностей цапф мельниц.2. Математическую модель оптимизации режимов обработки рабочих цилиндрических поверхностей цапф мельниц.
3. Математическую модель для расчета площади срезаемого материала при изменении технологических параметров восстанавливаемой цапфы и режимов ротационного резания.
4. Математическую модель линейного искажения поверхности резания изношенной цапфы, с учетом преобразований при повороте оси ротационного резца в плоскостях резания.
5. Регрессионные модели процесса восстановления цапф, характеризующие точность и качество обработанной поверхности, для определения рациональных параметров обработки ротационным резцом.
6. Научно обоснованные конструктивно-технологические решения при проектировании и внедрении приставного станка для восстановления рабочих поверхностей цапф мельниц с базированием на регулируемых гидравлических опорах в условиях эксплуатации.
Достоверность научных положений и выводов основывается на использовании современных методов и методик расчёта, применении контрольноизмерительного оборудования высокой точности и подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также положительными результатами реализации научно-технических разработок в промышленных условиях.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на: Всероссийской научнопрактической конференции «Модернизационное развитие современного российского общества» (г. Волгоград, Центр прикладных научных исследований, 2012 г.); Международной научно-технической конференции молодых учёных БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодежь и научно-технический прогресс» (г. Губкин, Губкинский филиал БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012 г.); Международной научнопрактической конференции «Техника и технология современных производств» (г.
Пенза, ФГУП "НИИ ЭМП", 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективные научные исследования» (г. София, Болгария, 2014 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и технологии: шаг в будущее» (г. Прага, Чехия, 2014 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова «Наукоемкие технологии и инновации» (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Юность и знания - гарантия
успеха» Юго-Западного Государственного Университета (г. Курск, ЮЗГУ, 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Программа модернизации инженерно-технического обслуживания АПК как основа промышленной и образовательной политики», (г. Москва, ФГБНУ ГОСНИТИ, 2015 г.);
Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники - 2016» (г. Пшемысль, Польша, 2016 г.); Международной научнопрактической конференции «Наука и инновации в современных условиях» (г. Екатеринбург, МЦИИ "ОМЕГА", 2016 г.).
Внедрение результатов диссертационной работы. По результатам работы на ЗАО «Белгородский цемент» внедрены:
- новая технология восстановления рабочих поверхностей цапф мельниц;
- результаты математического моделирования, позволяющие осуществить поиск оптимальных параметров и режимов обработки рабочих поверхностей цапф с заданными точностью и качеством;
- комплекс оборудования для обработки рабочих поверхностей цапф мельниц на месте их эксплуатации.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 24 научные работы, в том числе 7 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, получены 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство на государственную регистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем работы: Структура диссертации включает введение, 5 глав, заключение, приложения, список литературы, включающий 138 источников. Общий объем диссертации 186 страниц, включая 44 рисунка, 16 таблиц и 40 страниц приложений.