Особенности выбора конструкционных материалов и кинематических схем для механизмов ЭТУ

Кинематические схемы и размещение оборудования механизмов ЭТУ стремятся выполнять таким образом, чтобы исключить влияние высоких температур и агрессивных сред на элементы механизмов и приводов. Однако во многих случаях этого сделать практически невозможно, так как для обеспечения требуемого технологического процесса механизм должен работать при высокой температуре. В первую очередь это характерно для печей сопротивления, где в процессе термообработки изделий требуется их перемещение в печи.
Наличие химически активных сред и высоких температур предъявляет дополнительные требования к конструкционным материалам. При высокой температуре в кислородной среде происходит окисление большинства металлов. Окислы металлов при высоких температурах могут быть летучими, например окислы молибдена, осмия, рутения. Разрушение этих металлов при высоких температурах происходит без пленкообразования. Другие металлы покрываются нелетучей окисной пленкой. В зависимости от скорости пленкообразования можно 'выделить три группы чистых металлов.
В первую группу входят металлы, окислы которых имеют меньший объем, чем металл, из которого они образовались. Скорость пленкообразования у них постоянна толщина окисной пленки; /е — постоянный коэффициент. К первой группе относятся также металлы щелочноземельной группы.
Металлы второй группы, в том числе и железо, покрываясь окисной пленкой большего объема, чем объем металла, из которого она образовалась, продолжают реагировать с кислородом, проникающим через пленку. Скорость окалинообразования определяется выражением — толщина окалины, изменяется по параболическому закону.
Третью группу составляют металлы, процесс окисления которых описывается экспоненциальными функциями. Согласно рис. 1.19 процесс окалинообразования этих металлов характеризуется кривой 3, ограниченной горизонтальной асимпготой, т. е. после образования окисной
пленки толщиной у — k/а процесс окалинообразования заканчивается, так как пленка этих металлов твердая, кислород через нее практически не проникает. Такая пленка называется защитной, и образуется она у кремния, хрома, алюминия.
Для получения стойких к химическому разрушению конструкций при их изготовлении используют стали, легированные хромом, никелем, алюминием. Способность конструктивных материалов противодействовать коррозионному разрушению при высоких температурах называется жаростойкостью, а конструктивные материалы, обладающие этим свойством, называются жаростойкими или жароупорными. Следует отметить, что процесс корродирования конструкционных материалов происходит и в восстановительных средах.
Каждый элемент механизма несет определенную механическую нагрузку. При действии высоких температур и длительных нагрузок график удлинения элемента механизма может быть представлен в виде рис. 1.20. Здесь отрезок OA характеризует удлинение, вызванное упругой деформацией. Далее следует начальный период ползучести АВ — необратимого удлинения в функции времени и нагрузки (явление крипа). Затем скорость ползучести на отрезке ВС длительное время остается неизменной, а после точки С наблюдается увеличение скорости ползучести вплоть до разрыва образца. С ростом нагрузок и температур отрезок ВС сокращается вплоть до исчезновения, т. е. сокращается время работы элемента без разрушения. Способность материала длительно находиться под расчетной нагрузкой при повышенных температурах называется его жаропрочностью.
Жаропрочность материалов тесным образом связана с жаростойкостью, так как уменьшение сечения материала вследствие коррозии при одних и тех же нагрузках увеличивает напряжения в элементе конструкции, т. е. снижает и его жаропрочность.
Отмеченные выше стали, легированные хромом, никелем и алюминием, обладают также и высокой жаропрочностью, которая оценивается однопроцентным пределом ползучести таким напряжением, которое за 10 000 ч действия при заданной температуре вызовет относительное удлинение элемента на 1 %. Вид графика изменения предела ползучести в функции температуры при Д/=1 % за 10 000 ч приведен на рис. 1.21. Существенные изменения предела ползучести таких сталей наступают при >600 К. Порядок расчета и рекомендации по выбору конструкционных материалов для механизмов ЭТУ по условиям жаростойкости.
Расчет геометрических размеров элементов, а также выбор структурной схемы механизма, предназначенного для работы при высоких температурах, проводят с учетом расширения тел при повышении температуры. Поскольку некоторые механизмы работают при температуре более 1300 К, то изменение геометрических размеров их элементов столь существенно, что не учет этого явления при проектировании и монтаже механизма может привести к его неработоспособности.
Значительное влияние на выбор кинематических схем и особенно двигателей печных приводов, работающих в условиях высоких температур, оказывает такое явление, как изменение коэффициента трения в соединениях кинематических пар. В табл. 1.3 приведены значения коэффициентов трения для стали при различных температурах.
Для выполнения одной и той же полезной работы при температуре более 1000 К мощность приводного двигателя из-за повышения коэффициентов трения нужно существенно увеличить по сравнению с его мощностью при работе в условиях нормальной температуры. При выборе двигателя по его пусковым свойствам следует учитывать возможность приваривания (прихватывания) находившихся неподвижно относительно друг друга деталей. Тогда требуемый пусковой момент двигателя по сравнению со статическим моментом при установившемся движении может увеличиться в к=2-т-4 раза, что должно быть также учтено при проектировании, особенно для механизмов прерывистого действия, в которых приваривание может происходить в период пауз.
Одной из особенностей некоторых механизмов ЭТУ, работающих в области высоких температур, является необходимость обеспечения их охлаждения в процессе работы. Например, обязательно охлаждение цапф роликов печных рольгангов, работающих при температуре более 1300 К. Это обстоятельство является существенным при конструктивном выполнении подобных механизмов.
Специфичными являются и режимы работы механизмов ЭТУ с малой скоростью рабочего органа, что связано с инерционностью тепловых процессов. Включение в кинематические цепи передач с большими передаточными отношениями снижает общий КПД привода.
Многие механизмы ЭТУ характеризуются кратковременным режимом работы. Например, механизм наклона дуговой сталеплавильной печи или механизм выката ванны печи работают всего несколько минут в перерыве между плавками, длительность которых измеряется часами. Некоторые приводы работают в режиме частых пусков и реверсов при повышенных требованиях к их динамике, что также определяет выбор как кинематической схемы, так и типа двигателя и регулятора.