Применение специализированных печей непрерывного действия, приспособленных для термической обработки большого количества однотипных деталей, позволило максимально механизировать загрузку и движение деталей по печи и автоматизировать управление процессами.
Основным фактором, определяющим конструкцию термических печей непрерывного действия, является способ движения деталей в рабочем пространстве. Ниже рассматриваются конструкции транспортирующих устройств печей непрерывного действия и приводятся расчёты механизмов с определением мощности их приводов.
Конвейерные механизмы
Конвейерные механизмы являются составными элементами многих видов термического оборудования, рассчитанного на высокую производительность.
Рис. 2.35. Конструкции несущих элементов конвейера
Конвейерные механизмы, независимо от их назначения и конструктивных особенностей состоят из рабочего элемента в виде ленты, ведущего и ведомого барабанов (звёздочек), опорной части, натяжного устройства и привода.
Несущий или рабочий элемент может быть выполнен в виде стальной ленты; металлической сетки; ленты, собранной из пластин; ленты из штампованных или литых звеньев, цепей различных конструкций; ленты, собранной из керамических блоков, армированных металлов. Применение того или иного несущего элемента зависит от температурных условий, габаритов, конфигурации, веса обрабатываемых изделий и т. а. Примеры конструктивного выполнения некоторых несущих элементов приведены на рис. 2.35.
Основным требованием к печным конвейерам является долговечность, а для конвейеров, работающих с чередующимся нагревом и охлаждением — также минимальных вес и стойкость к теплосменам.
В зависимости от условий работы и температуры печи применяют различные типы конвейерных лент.
1) Проволочные (сетчатые) (рис. 2.35.а) - до 1150 °С в печах, в которых лента после нагрева с транспортируемыми изделиями охлаждается в специальной камере или на загрузочном (разгрузочном) конце. Для ленты без бортов с шагом 14.5 мм минимальный диаметр барабана рекомендуется принимать равным 190 мм, а для ленты с бортами и шагом 23 мм - 525 мм. Масса 1 пог. м безбортовой ленты (в кг) равна 0,019В, а ленты с бортами — 0,035В, где В —ширина ленты в мм.
2) Панцирные с литыми звеньями (рис. 2.35.6) - до 900 °С в печах, в которых лента в процессе работы находится почти при постоянной температуре, не вызывая значительных тепловых потерь, для изделий с массой до 3 кг. Соединение звеньев исполнения I друг с другом и передача тягового усилия от звена к звену осуществляется при помощи стержней, проходящих через поперечные отверстия (проёмы) в звеньях; звеньев исполнения II - при помощи имеющихся у каждого звена боковых цапф и отверстий. Стержни, проходящие через полые цапфы, служат для предохранения звеньев от возможных смешений. Звенья исполнения I применяют в печах с длиной рабочего пространства до 4,0 м, а исполнения II - более 4,0 м. Звенья лент исполнения I выполняют с шагом 76 мм, исполнения II - с шагом 76 и 100 мм. Минимальный диаметр барабана 245 мм для звеньев с шагом 76 мм и 325 мм для звеньев с шагом 100 мм. Масса 1 пог. м ленты со звеном исполнения I составляет (в кг) 0,1В, а исполнения II – (0,12 – 0,13)B.
3) Панцирные со штампоканными звеньями (рис. 2.35.в) - до 700 °С в тех же печах, что и проволочные ленты либо до 900 ºС в тех же печах, что и ленты с литыми звеньями, но с уменьшенной в 2...3 раза нагрузкой на 1 м2 ленты по отношению к лентам с литыми звеньями. Минимальный диаметр барабана равен 275 мм, масса I пог. м ленты с шагом звеньев 60 мм - 0.05В, кг.
4) Пластинчато-стержневые (рис. 2.35.г) - до 700 °С для крупных изделий (бухт проволоки, листов). Выполняются с шагом звеньев 100 мм. Масса 1 пог. м ленты 0,075В, кг.
5) Цепные (рис. 2.35.д) - до 700 ºС для транспортировки поддонов, слитков и т. п., а в вертикальных печах – для перемещения ковшей, подвесок и т.д. Применяются также как подвижные опоры в проволочных конвейерах в зонах повышенных температур для увеличения срока службы последних. Выполняются с шагом звеньев 100 мм. Масса I пог. м цепи типа д (по рис.) - 16 кг, типа б - 28 и 60 кг.
6) Подвесные — для транспортировки изделий в подвешенном состоянии. Рекомендуемые размеры по ширине лент (В) — 60, 100, 200 и далее через 200 до 2000 мм.
Детали (оси, звенья и т. п.) конвейерных лент, работающие при температуре до 350 °С, изготовляются из хромистых сталей, выше 350 "С — из жаростойких хромоникелевых сталей.
Собранная лента натягивается на барабаны, устанавливаемые на приводном и натяжном валах. Барабаны отлиты из хромоникелевой стали и на внешней поверхности имеют зубья, предназначенные для зацепления с конвейерной лентой или тяговым элементом в виде цепи. Ведущий барабан, расположенный, как правило, со стороны выгрузки, жестко крепится на приводном валу, и при вращении тянет ленту с лежащими на ней деталями. Барабан на натяжном валу установлен свободно, может вращаться и имеет небольшое осевое перемещение. Это дает возможность натяжному валу принять наиболее точное положение, обеспечивающее надёжную работу конвейера.
Конструкция опорной части конвейерной ленты оказывает весьма существенное влияние на надёжность и долговечность работы ленты и теплообмен в печи.
Существует два вида опорных частей: неподвижная (рис. 2.36.а) в виде металлических (рис. 2.36.б) либо керамических плит или балок, закладываемых в футеровку (рис. 2.36.в), и подвижная (рис. 2.37.а) в виде приводных (рис. 2.37.6) либо неприводных (рис. 2.37.в) роликов или приводных цепей (рис. 2.37.г).
В печах с низкой температурой опоры (подшипники) роликов обычно размещают внутри рабочей камеры, а в высокотемпературных — на внешней стороне каркаса печи. Линейная скорость приводных роликов (цепей), как правило, несколько (на 3...5 %) превышает скорость ленты. Вращение роликов (цепей) и конвейерной ленты осуществляют одним общим приводом.
Применение подвижной опорной части позволяет значительно разгрузить ленту, а следовательно, повысить надёжность и долговечность работы печи. Вместе с тем, расход металла и тепловые потери возрастают, и затрудняется герметизация печи.
Материал опор выбирают с учётом жаростойкости в печной атмосфере и участков прочности при рабочей температуре, а также с учетом коэффициента трения и износостойкости конвейерной ленты. Так, если в низкотемпературных печах (до 350 °С) широко используют углеродистую сталь и чугун, то в печах на 700, 1000 и 1150 °С обычно применяют жаропрочные хромоникелевые сплавы и карборунд.
Рис. 2.36. Неподвижная опорная часть конвейера
Рис. 2.37. Опорная часть конвейера в виде роликов (а,б,в) и цепей (г)
Выбор вида опор зависит от многих факторов и прежде всего от нагрузки на ленту, рабочей температуры печи, длины конвейера, типа печной атмосферы. Принятый вариант должен обосновываться минимальными единовременными и эксплуатационными затратами на материалы (включая ленту), на электроэнергию, на обслуживание и т. п. при одинаковом качестве термообработки и производительности.
В отечественном печестроении в закалочных печах с удельной производительностью 150...200 кг/м2 применяют подвижную опорную часть в виде приводных роликов только при длине рабочего пространства более 4 м.
На криволинейных участниках опорная часть выполняется либо в виде вращающегося на оси барабана, звёздочек или блоков (рис 2.38.а), либо в виде криволинейном неподвижной направляющей шины (рис. 2.38.6) или батарей роликов, расположенных на криволинейной шине (рис. 2.38.в).
Рис. 2.38. Схема криволинейных участков
Рис. 2.39. Схемы натяжения конвейерных лент: а - с помощью противовеса; б - с помощью винтов или гидропневмоцилиндров; в - система трех роликов
Натяжные устройства обеспечивают натяжение тяговых элементов в процессе эксплуатации
конвейера. Существуют три наиболее распространённые системы натяжения (рис 2.39).
В печах с большим относительным удлинением конвейерных лент применяются противовесы
(рис. 2.39.а), в печах с небольшой длиной лент и малым относительным удлинением используются винтовые натяжители с провесом нижней ветви конвейера (рис. 2.39.б). Для проволочных (сетчатых) безбортовых лент применяется система трех барабанов (рис. 2.39.в).
Наиболее распространённым видом привода конвейера является привод, состоящий из электродвигателя постоянного тока и редуктора. Кинематическая схема для конвейерной печи может включать в себя электродвигатель, клиноременную передачу, вариатор скорости, редуктор, цепную передачу и приводной бара6ан.
В отдельных случаях в кинематическую схему вводятся храповые редукторы, которые сообщают конвейеру прерывистое движение. Приводные барабаны изготавливают из чугуна или углеродистой стали при работе до 300 °С и жаропрочных материалов при более высокой температуре. В отдельных случаях валы барабанов охлаждают водой.
Поддерживающие конструкции составляют силовые элементы, на которых крепятся отдельные узлы конвейера. В термическом оборудовании они часто составляют единое целое с силовым каркасом установки.
При расчёте находят производительность транспортирующего устройства, тяговое усилие и мощность двигателя привода. Производительность установок непрерывного транспорта, в том числе конвейеров, определяется двумя факторами: количеством груза, приходящегося на единицу длины транспортного устройства, то есть погонной нагрузкой, и величиной скорости движения груза (рабочей скорости).
При погонной нагрузке q, кг/м и рабочей скорости v, м/с производительность равна qv, кг/с или
(2.29).
Если детали перемещаются на поддонах или в корзинах ёмкостью i (дм3) с коэффициентом заполнения φ, удельным весом деталей γ (г/м3) и шагом между поддонами или корзинами а (м), то погонная нагрузка
(2.30),
а часовая производительность
(2.31).
Если перемещаются штучные грузы массой G, кг каждый, отдельно или партиями по г шт., а шаг между грузами или партиями грузов равен а, м, то
(2.32)
или
(2.33),
а часовая производительность
(2.34)
или
(2.35)
При интервале времени между партиями грузов τ часовая производительность
(2.36)
Производительность устройств непрерывного транспорта, перемещающих штучные грузы, можно измерить количеством штук в час. Интервал времени между единичными грузами
и производительность
(2.37).
Если G - масса отдельного груза, то часовая производительность
(2.38)
При транспортировке насыпных изделия производительность ленточных сетчатых и пластинчатых конвейеров определяют по формуле
(2.39),
где ν - скорость движения ленты, м/с; F — условная величина плошали, на которой распределяется транспортируемое изделие, м2; для плоской ленты F = 0.042В2, где В - ширина ленты, м; р - насыпная масса транспортируемых изделий, кг/м3; т — коэффициент неравномерности (m = 1,0…3,0).
Расчет тягового усилия конвейера и мощности привода
Для определения тягового усилия конвейера контур, образуемый конвейерной лентой, разбивают на последовательные прямолинейные и криволинейные участки, а также на участки, резко отличающиеся по температуре, и нумеруют точки сопряжения этих участков. Выполняя последовательный обход контура по точкам, определяют натяжение в набегающей и сбегающей ветвях конвейерной ленты у привода, по которым находят общее тяговое усилие.
Обход контура начинают с точки сбегания тягового элемента с приводного барабана или с точки наименьшего натяжения конвейерной ленты (часто эти точки совпадают). При движении по ходу конвейера натяжение конвейерной ленты в каждой точке контура равно сумме натяжения в предыдущей точке и сопротивления на участке между этими точками:
(2.40),
где Si, и Si-1 - натяжение в точках i-1 и i; W(i-1)…t сопротивление на участке между этими точками.
Тяговое усилие
(2.41),
где Sсб - натяжение в сбегающей с приводного барабана ветви; Sнб – натяжение в набегающей ветви.
С учетом сопротивления на приводном (ведущем) барабане Wпр
(2.42).
Требуемая мощность электродвигателя конвейера
(2.43),
где νл - скорость ленты; η - к.п.д. привода, характеризующий потерн в передачах от вала электродвигателя до приводного барабана; Кn = 1,06…1,20 — коэффициент, учитывающий трение в подшипниках приводного барабана.
Сопротивление движению ленты на прямолинейных участках конвейера:
- при движении гружёной ветви ленты по неподвижной опорной части
(2.44);
- для участка без изделий (обратной ветви)
(2.45);
- для гружёных участков с неприводными роликовыми опорами
(2.46),
где qл и qм - вес ленты и транспортируемого материала на 1 м длины ленты, Н/м; f - коэффициент трения скольжения ленты по неподвижной опорной части конвейера (см. табл.); Lг и Lв - длины соответственно горизонтальной и вертикальной проекции участка, м (знак «плюс» перед L относится к движению вверх, «минус» - к движению вниз); G - вес ролика, Н; l - шаг между роликами, м; D и d— диаметры ролика и его цапфы, f’- коэффициент трения в подшипниках ролика (для подшипников скольжения f’ = 0,15…0,25, для подшипников качения f’ = 0.01...0,03); k - коэффициент трения качения.
Сопротивление движению обратной ветви ленты по неприводным роликовым опорам определяют по (2.46), исключив нагрузку qм.
На горизонтальных участках αв = 0.
Для вертикальных конвейеров
(2.47),
На участках с приводными роликовыми или цепными опорами возможны три варианта соотношений линейной скорости конвейерной ленты νл и линейной спорости роликов (цепей) v0:
Поскольку первый вариант не обеспечивает уменьшения натяжения ленты, а осуществить второй вариант сложно, то применяют третий вариант, принимая v0 = (1,03... 1,05) νл.
При νл< v0 натяжение груженой ленты на участке приводных опор длиной Lпр уменьшается на тяговое усилие опор:
(2.48)
где Sр' и Sр" — натяжение до и после участка приводных роликопар.
Сопротивление движению ленты на криволинейных участках:
— при огибании отклоняющего (ведомого) барабана
(2.49)
(меньшее значение принимают при более низкой температуре);
— при огибании приводного (ведущего) барабана
(2.50);
— при огибании лентой неподвижной криволинейной опорной части (шины) путём скольжения
(2.51),
где f - коэффициент трения скольжения между лентой и шиной; φ - угол охвата лентой шины;
— при огибании батареи роликов на криволинейной шине
(2.52),
где c = (2k-fd)*D; D и d - диаметры ролика и его оси, м; f –коэффициент трения на цапфах роликов.
Общее тяговое усилие
(2.53),
где Wi -cсопротивления на участках.
Минимальное натяжение ленты в точке сбегания с приводного барабана при зубчатом барабане и наличии опорной части для обратной ветви, сбегающей с барабана без заметного провисания, рекомендуется принимать минимальное значение равным 15...20 % сопротивления на участке обратной ветви между ведущим и натяжным барабанами.
При движении обратной ветви без опорной части
(2.54),
где l — расстояние между точками сбегания ленты с ведущего барабана и набегания на ведомый барабан, м; h — провис ленты (А < 0,1*l).
Натяжение конвейерной ленты путём провисания обратной ветви позволяет упростить конструкцию натяжного устройства ведомого вала. С целью уменьшения натяжения обратной ветви, находящейся при высокой температуре, она перемещается по направляющей, длину которой принимают не менее одной трети расстояния между ведущим и ведомым барабаном. В этом случае принимается, что ветви ленты касательны к направляющим, и расчет натяжений (рис. 2.40) в правой и левой от опорной направляющей ветвях ведётся по формулам:
(2.55);
(2.56),
где Sk + qπ*l12 = 2c — натяжение правой ветви в точке касания с направляющей: с к l1 — расстояние по вертикали и горизонтали между точками касания ленты с барабаном и направляющей; l+2l1 — условно принимается длина квадратной части направляющей.
Рис. 2.40. Схема натяжения конвейерной ленты
Натяжение Sсб должно составлять не более 20% сопротивления верхней ветви ленты. Длину левой или правой ветви определяют по формуле:
(2.57).
Натяжение ленты в точке сбегания с приводного гладкого бара6ана при отсутствии дополнительного прижатия ленты к барабану прижимным роликом определяется из уравнения:
(2.58);
при прижатии ленты к приводному барабану дополнительным роликом или барабаном:
(2.59),
где μ — коэффициент трения ленты по o6oдy барабана (для стали μ = 0,15…0,20, для резины μ = 0,35...0,40, для дерева μ = 0,30); φ — угол охвата барабана лентой, рад: P1 — усилие прижатия ролика к приводному барабану; kз = 1,15…1,25 — коэффициент запаса.
Натяжение ленты в точке сбегания её с барабана можно довести до нулевого значения при
(2.60).
Диаметр гладкого барабана должен составлять не менее (10...15)t или не менее (800... 1200)δ, где t — шаг звена ленты; δ — толщина сплошной стальной ленты Большие значения отвечают большим числу перегибов или скорости ленты.
Мощность на валу приводного барабана
(2.61),
где νл — скорость ленты, м/с; kn = 1,06...1,20 — коэффициент, учитывающий трение в подшипниках ведущего вала конвейера; ω0 — общее усилие, кг.
При прижатии ленты к приводному барабану дополнительным роликом с усилием P1,кг
(2.62)
Мощность приводного двигателя
(2.63).
где η0 — общий к.п.д. привода.
Приблизительный расчёт конвейерного механизма (рис. 2.41) может быть выполнен в следующей последовательности.
Рис. 2.41. Схема тяговых усилий на ленте конвейера
Величину натяжения S1 (сбегающего усилия) тягового элемента принимаем, исходя из условия обеспечения постоянного прилегания набегающего участка тягового органа к ведущему барабану. При зубчатом ведущем барабане для сетчатых несущих элементов S1 = 49...98 Н; для пластинчатых и цепных конвейеров, в зависимости от их массы, S1 = 147...588 Н; для цепных подвесных конвейеров S1 ≥ 490 Н. В первом приближении натяжение S1 можно принять равным весу одного метра тягового и несущего элементов. При гладком ведущем барабане натяжение S1 определяется из уравнения:
(2.64),
где L1 и L2 — длина нагруженной и холостой ветвей конвейера, м; f1 и f2— коэффициенты трения нагруженной и холостой ветвей конвейера (f1 принимается в условиях скольжения при температурах 800...900°С равным 1,0, а f2 в условиях возврата ленты при температурах 700...800ºС — равным 0,8...0,9); q0 — масса одного метра несущего элемента, кг/м; q — масса загрузки на один метр конвейера, кг/м; μ — коэффициент трения ленты о барабан (μ = 0,6...0,9), φ — угол охвата барабана несущим элементом, рад.
Величина натяжения
(2.65).
Усилие в сбегающей ветви у ведомого барабана
(2.66),
где k — коэффициент, учитывающий трение при перегибе тяговых и несущих элементов, а также трение в опорах ведомого барабана (k == 1,1... 1,2).
Вес натяжного груза определяется из уравнения:
(2.67),
где Smp — усилие на преодоление трения в натяжном устройстве, Н; Sк — усилие оттягивания ведомого барабана, Н.
Величина натяжения набегающего усилия для зубчатого ведущего барабана определяется из уравнения:
(2.68);
для гладкого ведущего барабана:
(2.69).
По разности набегающего и сбегающего усилия на ведущем барабане определяют величину окружного усилия на ведущем барабане
(2.70).
Полезная мощность конвейера определяется из уравнения:
(2,71),
где ν — скорость движения конвейера, м/мин.
Затем определяют мощность электродвигателя
(2.72),
где η — коэффициент полезного действия привода, определяемый произведением к.п.д. отдельных передаточных механизмов (к.п.д. клиноременной передачи равен 0,95; ременноколодочного вариатора, с учётом потерь в опорах, — 0,85; открытой цепной передачи — 0,9; двухступенчатого червячного редуктора, с учётом потерь в опорах — 0,36; пары подшипников скольжения ведущего барабана — 0,98; пары цилиндрических зубчатых колёс — 0,98; пары подшипников качения —0,99).