Для термической обработки мелких и средних деталей (болтов, гаек, роликов, скоб и т. п.) используют печи с пульсирующим (вибрирующим) подом. Пульсирующий под представляет собой металлическую плиту на опорных роликах или шарнирных подвесках. Максимальная длина пода (в печах с температурой до 1000°С) 6м.
Кинематическая схема механизма пульсирующего пода представлена на рис. 2.44. Пульсацию пода обеспечивает механизм кулачкового типа. Под медленно оттягивается в сторону загрузки, затем пружины быстро посылают его вперед в сторону разгрузки до резкой остановки масляным амортизатором. Изделие при остановке продвигается вперёд по инерции.
Кулачок 6 при вращении своей профильной поверхностью передвигает влево с постоянной скоростью ролик 7, а вместе с ним и под 2 с лежащими на нём деталями После прохождения роликом 7 высшей точки кулачка 6 пружина 8 рывком отбрасывает под вместе с деталями вправо до соприкосновения упора 4, находящегося на поде, с буфером 5.
Во время мгновенной остановки пода лежащие на нём детали по инерции передвигаются вперёд. Под перемещается вдоль оси печи по роликам 3. Пружина 8 правым концом прикреплена к стойке, а левым проходит через выступ пода, на который опирается гайка 1, регулирующая натяжение пружины. Пружина обеспечивает постоянный прижим ролика 7 к профильной поверхности кулачка б.
Рис. 2.44. Кинематическая схема механизма пульсирующего пода
Расчёт механизма пульсирующего пода сводится к определению силы разгона N, обеспечивающей нужное перемещение изделий по плите за полный ход плиты (цикл), и характеристик движителя, обеспечивающих необходимую силу N, при заданных производительности, температуре печи, выбранных размерах плиты и нагрузке на 1 м длины пода.
Для наиболее распространённого пружинного движителя, показанного на рис. 2.44, сила разгона определяется по формуле:
(2.76),
где λ — растяжение пружины при ходе плиты влево, м (λ = 0,05...0,1 м); l — перемещение изделий по плите за один полный ход плиты, мм (l = 5... 15 мм); f — коэффициент трения покоя (сцепления) между изделиями и плитой внутри печи (см. табл.); Gп — вес плиты, Н; Gизд — вес изделий, размещённых на плите, Н; х ≤ 0.5 λ — ход плиты до соприкосновения с буфером, м (х = 0,02...0,05 м).
Вычисленная по формуле (2.43) сила N должка быть проверена по формуле:
(2.77),
где fmin — коэффициент трения покоя между изделиями и загрузочной («холодной») частью плиты (fmin = 0,2...0,4); Р — статическое сопротивление плиты с изделиями, Н.
Чтобы изделия при разгоне плиты не проскальзывали назад, ускорение движения плиты должно быть
(2.78),
где g — ускорение силы тяжести.
Шнековые механизмы
Шнековые механизмы или винтовые конвейеры по конструктивному оформлению делятся на две группы; собственно шнеки и транспортирующие трубы. В шнеке транспортировки осуществляют посредством вращения винта, установленного в центре неподвижной трубы. Такие устройства применяют в термических цехах для транспортировки дроби, твердого карбюризатора и т.п. В транспортирующих трубах перемещение изделий осуществляется вращением трубы, на внутренней стенке которой смонтирована металлическая спираль. Такие механизмы используют для перемещения изделий сферической или близкой к сферической формы через барабанные печи, баки и другое оборудование.
Как правило, в механизмах барабанных закалочных печей шнек отливается вместе с барабаном из жаропрочной стали. Раздельное изготовление шнека и барабана нерационально, так как в силу тепловых деформаций может иметь место заедание шнека в барабане в процессе работы.
Рис. 2.45. Типовые конструкции цельнолитого (а), сварного для химико-термической обработки (б) и сварного для термической обработки (в) муфелей барабанных печей
Выбор конструкции и материала муфеля обуславливается рабочей температурой и назначением печи. В высокотемпературных печах муфель выполняется литым (рис. 2.45.а) или сварным (рис. 2.45.6). По принятой сетке типоразмеров муфель высоко- и среднетемпературных печей для обработки мелких деталей выполняют с внутренним диаметром 0,25, 0,4 и 0,6 м. Барабаны низкотемпературных печей — 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 м. Длина активной части муфелей для обработки деталей не превышает 3,5 м. Шаг витков муфеля должен быть приблизительно в 3 раза больше максимального размера обрабатываемых изделий и находится в пределах 0,14...0,25 м.
Цельнолитой муфель (рис. 2.45.а) состоит из цилиндрического барабана 2 с винтообразными витками, образующими рабочую часть муфеля, и приваренными к нему конусообразными отливками 1 и 3. Конус 3 со стороны выгрузки имеет теплоизоляционную пробку.
Сварной муфель (рис. 2.45.6) состоит из двух полубарабанов 4 и 5 и концевой разгрузочной части 3. По оси муфеля располагается центральная труба, к которой примыкают винтообразные витки.
Хорошие эксплуатационные характеристики имеет муфель, сваренный из ряда цилиндрических секций (рис. 2.45.в). Секции 7 и 8 собирают в замок и затем сваривают. К загрузочному окну муфеля приваривается обечайка 6. Торцы муфелей высокотемпературных печей обычно выводят за пределы рабочего пространства и устанавливают на регулируемые роликовые опоры. Привод муфеля чаше всего располагают со стороны разгрузки.
Основными размерами шнекового механизма (рис. 2.46) являются диаметр трубы D, м, и шаг винта S, м. Они связаны между собой следующим соотношением:
(2.79).
Чем мельче транспортируемые изделия, тем меньше отличается величина шага от диаметра.
Рис 2.46. Схема шнекового механизма: а — шнеки, б - транспортирующие трубы
Производительность шнекового механизма может быть определена из уравнения:
(2.80),
где V— объёмная производительность, м3/ч; γ — насыпная масса перемещаемых деталей, т/м3; S — шаг винта, м; h — скорость вращения шнека, об/мин; φ — коэффициент заполнения несущего органа (принимается равным 0,2...0,4); с — коэффициент, учитывающий заполнение в зависимости от угла наклона механизма (для горизонтальных с ~ 10, для расположенных под углом 10° с = 0,8, для расположенных под углом 20° с = 0,65).
Мощность двигателя у горизонтальных шнековых механизмов
(2.81),
где Q — производительность, т/ч; L — длина перемещения, м; η — к.п.д. привода механизма; w — коэффициент сопротивления, учитывающий трение материала о желоб и винт, трение в упорном и поддерживающих подшипниках и сопротивления от частичного неравномерного скопления материала по длине желоба (для мелких деталей шаровидной формы w = 2,0...4,0).
Для наклонного шнекового механизма, расположенного под небольшим углом β к горизонту,
(2.82).
Элеваторные механизмы
Элеваторные механизмы предназначены для подъёма или опускания изделий с одного уровня на другой. Их применяют, например, для транспортировки изделий через нагревательные и охлаждающие среды. Схематические изображения наиболее употребительных в термических цехах элеваторных устройств приведены на рис. 2.47.
Элеваторный механизм с подъемной решётчатой платформой (рис. 2.47.6) применяют для погружения и подъёма крупных изделий типа штамповок, поковок, штампов и т. п. в закалочные баки. Элеваторный механизм с двумя опускающимися траверсами (рис. 2.47.в) предназначен для транспортировки изделий на поддонах через закалочный бак. Поддон из печи опускается в бак с помощью левого элеваторного устройства. Платформа этого устройства имеет форму гребёнки. Правое элеваторное устройство, также имеющее форму гребёнки, находится в этот момент в нижнем положении. При опускании левого элеваторного устройства происходит перегрузка изделий на правое устройство. После соответствующей выдержки правое элеваторное устройство выдаёт поддон из бака для совершения следующей технологической операции. Элеваторные механизмы, изображённые на рис. 2.47.г, предназначены для подъёма и опускания изделий в баках, а также для перемещения их в горизонтальной плоскости. Так, например, механизм, изображённый на рис. 2.47 г, позволяет опустить изделия в охлаждающую среду, повернуть их относительно вертикальной оси на 180°, поднять на прежнюю высоту и с помощью толкателя переместить на следующую операцию. Привод может быть гидравлическим, пневматическим или электрическим.
Номинальная мощность электродвигателя элеваторного механизма определяется по формуле:
(2.83),
где Q — производительность механизма, т/ч; h — высота подъёма, м; η — к.п.д механизма привода.
Рис. 2.47. Схемы элеваторных механизмов: а — с ковшевым подъёмником, б—с подъёмной решётчатой платформой; в — со скиповым подъёмником; г, д — с подъёмными и поворачивающимися платформами
Карусельные механизмы
Карусельные механизмы в термических цехах применяют для вращения тарельчатого или кольцевого пода печей с вращающимся подом; для перегрузки изделий в кольцевых агрегатах, составленных из печей-ванн, баков и других устройств и т. п.
На рис. 2.48 приведены схемы карусельных механизмов, применяемых для указанных целей. Карусельный механизм с центральной осью (рис. 2.48 а) применяют, как правило, для небольших печей. Карусельный механизм с фрикционным скоплением между кольцевым рельсом и опорными роликами (рис 2.48.6) применяют для вращения пода печей малых и средних размеров (диаметром до 4,0 м). Механизм с зубчатым ободом (рис. 2.48.в) используют в основном для вращения пода печей большого диаметра.
Карусельные механизмы, предназначенные для агрегатов, состоящих из печей-ванн (рис. 2.48.г, д, е) аналогичны по своему устройству. Подъём изделий чаще всего осуществляется с помощью пневмо- или электро-, а вращение — с помощью электропривода. Первые две схемы пригодны для одновременного поднятия всех завесок с изделиями (одинаковая выдержка во всех печах и баках), а третья позволяет осуществлять разновременное поднятие завесок с изделиями (разная выдержка).
Существенным недостатком карусельных механизмов является необходимость применения в них редукторов с большим передаточным числом. Чтобы избежать этого, вращение пода можно осуществлять с большой скоростью, но прерывисто — за счет периодического включения и выключения электродвигателя или применения храповых редукторов.
В качестве примера рассмотрим особенности расчёта механизмов вращения кольцевых (вращающийся под в форме кольца) и карусельных (вращающийся под дискообразный) печей.
Рис. 2.48. Схемы карусельных механизмов: а — с центральной осью; б — с фрикционным сцеплением; в — с зубчатым ободом; г, д,е — механизм для агрегатов, состоящих из печей-ванн
Конструкция механизма вращения пода зависит от размера и массы садки печи. Механизм вращения состоит из дэух частей: центрирующего устройства и собственно механизма вращения.
Карусельный под изображён на рис. 2.49. Под центрируют с помощью пяты 1, представляющей собой литое основание с упорным роликоподшипником, в котором свободно вращается стержень, приваренный снизу к металлоконструкции пода. Вращающийся под в виде диска свободно лежит на трёх опорных конических роликах 2, один из которых (5) приводной (рис. 2.49.6). Привод механизма фрикционный. Конический ролик 5 насажен на приводной вал 7, который лежит в подшипниках 8 и приводит в движение коническое опорное кольцо 6, приваренное к металлоконструкции пода. Привод 4 механизма вращения пода состоит из редуктора я электродвигателя. Щель между вращающимся подом и стенами печи уплотнена с помощью водяного или песочного затвора 3.
Кольцевой под центрируют с помощью бочкоофазных роликов 1, расположенных вокруг центрального столба 2. Ролики 1 перекатываются по металлической опоре 5, прикреплённой к центральному столбу 2 (рис. 2.50.а, б). Кольцевой под выполнен с двумя рядами концентрически расположенных с интервалом 15...18° цилиндрических роликов 3 (может быть один либо три ряда роликов). Ролики 3 свободно вращаются на конических роликоподшипниках вокруг неподвижных осей, закрепленных в опорах. Привод 4 пода — зубчатый реечный. Он представляет собой шестерню, находящуюся в зацеплении с кольцевой зубчатой рейкой 6, набранной из отдельных секторов, прикрепленных к металлоконструкциям пода. Шестерня через вал соединена с приводом, состоящим из цилиндрического редуктора, тормоза и электродвигателя.
Кольцевой под можно центрировать и с помощью устройства, расположенного между опорными роликами первого от центра ряда (при трёх рядах роликов) или с помощью устройства, расположенного между рядами роликов (рис. 2.50.в). Устройство представляет собой
Рис. 2.49. Карусельный под
Рис. 2.50. Кольцевой под
бочкообразные ролики 1, которые прижаты к зубчатой рейке 6. Под перекатывается на двух рядах опорных роликов 3 при ширине кольцевого пода до 4 м, а при большей ширине — на трёх рядах.
Мощность привода карусельных и кольцевых печей выбирают в зависимости от сопротивления вращению пода на опорных роликах с учётом сопротивления в центрирующих устройствах.
Для всех рассмотренных схем момент сопротивления вращению пода от трения в опорных роликах
(2.84),
где К — коэффициент, учитывающий добавочное трение в центрирующем устройстве; Q — суммарный вес пода, роликов и максимально возможной садки, Н; D1, D2 — диаметры осей окружностей, на которых расположены опорные ролики, м; d — средний диаметр подшипника оси ролика, м; d1 — диаметр бочки ролика по кругу качения, м; f1, f2 — коэффициенты трения качения и скольжения подшипников качения роликов.
При двухрядном расположении роликов считают, что на первый внутренний ряд роликов приходится 55 %, а на второй — 45 % общей нагрузки. При трёхрядном: на первый — 45 %, на второй — 35 % и на третий — 20 %.
Так как при работе печи возникают дополнительные сопротивления в результате перекоса, коробления т. п., то максимальный момент определяют по формуле:
Мmax = k*М (2.85),
где k = 1,5...3,0 — поправочный коэффициент.
Необходимое окружное усилие в случае фрикционной передачи или зубчатой рейки составляет
(2,86),
где D — диаметр средней окружности опорного кольца или зубчатой рейки, м.
В случае фрикционной передачи приводной ролик 5 может передать опорному кольцу 6 усилие
(2.87),
где f — коэффициент трения приводного ролика по опорному кольцу; 1/3 — коэффициент, учитывающий долю общего веса, приходящуюся на приводной ролик; α — половина угла при вершине конуса катков.
Фрикционный механизм вращения пода применяется только в случае, если P1<P1‘.В противном случае можно применять только зубчатую передачу.
Необходимый крутящий момент на выходном валу редуктора
(2.88),
где d2 —диаметр круга катания фрикционного ролика или шестерни, м.
Потребная мощность электродвигателя
(2.89),
где nД — частота вращения вала двигателя, об/мин; i — передаточное число редуктора; η — к.п.д. передач привода.
Шагающие механизмы
Шагающие балки применяют в печах для нагрева при нормализация, закалке и отжиге крупногабаритных изделий (полос, профилей, проката, крупных слитков и пр.) до высоких температур (~ 1200 °С и выше), при которых другие механизмы практически неработоспособны.
Рис. 2.51. Шагающая подовая балка (а) и поперечный разрез (б)
В печах с шагающими балками изделия перемещаются при помощи специальных футерованных балок, движущихся по замкнутому контору в продольных щелях пода. Балки выполняют литыми или сварными из профильного металла и футеруют огнеупорным кирпичом. Во избежание заклинивания балок при высоких температурах ширина продольных щелей между ними должна составлять 20…30 мм, поэтому весьма важной является задача герметизации пода.
Траектория, описываемая подвижными балками, может иметь вид окружности, овала или прямоугольника, в зависимости от конструктивных особенностей механизма, с помощью которого балки приводятся в движение. Наиболее часто используются электромеханический и гидравлический приводы. При этом вертикальное и горизонтальное перемещение балки могут обеспечиваться как порознь своими приводами, так и совместно одним приводом с помощью эксцентрикового механизма.
Шагающая подовая балка показана на рис. 2.51, а схемы ряда шагающих механизмов приведены на рис. 2.52.
В случае применения гидропривода его цилиндр выбирают в зависимости от величины усилия, необходимого для перемещения балок (P1), если установлено два раздельных насоса соответственно для механизмов перемещения и подъёма подвижных балок. Если же установлен один общий цилиндр (механизмы работают последовательно), то расчет необходимой мощности для привода насосов производят по максимальным параметрам каждого механизма.
Рис. 2.52. Схемы шагающих механизмов с электромеханическим (а), гидравлическим (б) приводами и рычажной системой подъема балок (в)
Мощность, необходимая для привода насоса
(2.84),
где Q1 - производительность насоса, м3/с; р - давление, Н/м2; ν – скорость передвижения балок, м/с; ηп - полный к.п.д. насоса; ηр – к.п.д. распределителя; ηтр – к.п.д. трубопроводов от насоса до рабочего органа; ηг – к.п.д. гидроцилиндра.
В печах с шагающими балками наиболее распространен привод балок с помощью круглых эксцентриков (рис. 2.53). Вдоль печи проходит приводной 1, вращение от которого передается при помощи конических шестерен 2 ряду поперечных валиков 3 с насаженными на них эксцентриками 4. На них опираются через два ролика 5 подвижные балки 6. При вращении эксцентриков балки, двигаясь по замкнутой траектории, поднимают и опускают детали и сообщают им поступательное движение.
Для уменьшения давления на эксцентрики и снижения потребной мощности двигателя масса балок частично разгружается рычагами с противовесами, расположенными внизу печи.
Перемещение деталей на один ход — шаг l при одном обороте эксцентрика - происходит на протяжении угла поворота эксцентрика α, определяемого, как видно из рис. 2.54, по формуле:
(2.85),
где r — радиус окружности, описываемой точками эксцентриков, то есть эксцентриситет кулачков.
Высота подъёма шагающей балки определяется из уравнения:
(2.86),
Скорость вращения кулачков лимитируется условиями термообработки. Максимальная скорость подъема балки определяется из уравнения:
(2.87),
а максимальное ускорение
(2.88),
где h — путь подъема, м; τn — время подъёма, с.
На рис. 2.54.б неподвижный под печи обозначен через АА. Подъём и перемещение деталей начинаются в точке 4 и заканчиваются в точке 5. В начале подъёма детали получают скорость v4, которая при максимальном подъёме h достигает своего наибольшего значения.
Вращающий момент на валу кулачков
(2.89),
где β —текущий угол поворота от горизонтали; Q — масса балки; Q1 — масса деталей и поддонов. Максимальный момент имеет место при β = 0°, минимальный (Мк = 0) — при β = 90º.
Кривая моментов І представлена на рис. 2.54.г. Рабочая часть кривой для точек 4-5 ограничена линиями І-І и ІІ-ІІ. От линии кривая моментов убывает до точки О2 максимального подъема балка, после чего момент становится отрицательным.
Возрастающий отрицательный момент может превысить силы трения в кинематической цепи, и при имеющихся зазорах в механизмах произойдет мгновенный выбор этих зазоров — удар. Во избежание ударов механизм следует дополнить тормозящими или предотвращающими удар приспособлениями — масляными или другими амортизаторами (на схемах не приведены).
Как указывалось выше, для уравновешивания системы применяют противовесы, что обеспечивает более плавную работу механизма и снижает расход энергии привода. На рис. 2.54 кривая 2 является кривой вращающих моментов, созданных противовесами. Кривая 3 — результирующая кривая моментов, полученная как разность кривых 1 и 2. Кривые 1, 2 и 3 построены без учёта сил трения в обойме эксцентрика и массы Q1.При уравновешивании балки противовесами мощность электродвигателя необходима только для подъёма полезного груза.
Рис. 2.54. Схемы движения шагающих балок и кривая моментов
Мощность электродвигателя при длительной работе и отсутствии противовесов определяется из выражения:
(2.90),
где nэ — скорость вращения эксцентрика, об/мин; β— текущий угол в начале подъёма; η — к.п.д. механизма.
Шагающий механизм с электромеханическим приводом является достаточно надёжным в работе, так как имеет жёсткую характеристику передаточных механизмов. В гидроприводе при подъёме шагающих балок несколькими гидроцилиндрами жёсткость характеристики в процессе работы нарушается, и одновременность работы шагающих балок обеспечивается не всегда.
Оригинальный привод имеет двухбалочная печь, в которой шагающие балки опираются на коленчатые валики: чётные — на колена, находящиеся по одну сторону опоры, а нечётные — по другую. В силу этого подвижные балки взаимно уравновешивают друг друга. Попеременный подъём балок осуществляют, приводя коленчатые валики в колебательное движение. Горизонтальное перемещение балкам сообщается качающимся рычажно-шарнирным механизмом. Двухбалочная печь при ширине пода 1,5 м и длине 12 м имеет мощность привода 8 кВт. Изделия из печи выдаются приводными роликами.