Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

Лєєпа Ігор Іванович

УДК 621.771.251

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ МАШИН І АГРЕГАТІВ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА

ТОНКОГО ЛИСТА

05.05.08 – Машини для металургі йного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Механічне обладнання металургійних заводів” Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, член-кор. НАН України Большаков Вадим Іванович, Інститут чорної металургії НАН України, директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Богдан Кім Степанович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, старший науковий співробітник відділу автоматизації, м. Київ.

доктор технічних наук, професор Іщенко Анатолій Олексійович, Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедри "Механічне обладнання металургійних заводів", м. Маріуполь;

доктор технічних наук, професор Учитель Олександр Давідович, Криворізький металургійний факультет Національної металургійної академії України, декан, завідувач кафедри "Електро-механічне обладнання металургійних заводів", м. Кривий Ріг.

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Механічне обладнання заводів чорної металургії” (м. Донецьк).

Захист відбудеться “_22_”_червня_2003 р. о _12-30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.03 Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4, НМетА України, 1-й навч. корпус.

Автореферат розісланий “_17_”_травня_2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. У цей час істотно зростає доля листового прокату в загальному випуску прокатної продукції при значному розширенні його сортаменту, в тому числі при виробництві тонкого листа. Інтенсифікація процесу прокатки слябів, що являють собою вихідний напівпродукт для виробництва листа, вимагає скорочення часу посадки і видачі зливків з нагрівальних колодязів за рахунок збільшення швидкостей механізмів колодязних кранів, що призводить до травмування зливків, переобтяження конструкцій, до руйнування вузлів і механізмів колодязних кранів. Першорядне значення у такому разі мають знання дійсних процесів, що виникають в елементах устаткування безперервних станів холодної прокатки, причин виникнення значних динамічних навантажень, істотної різнотовщинності листа, питання вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів, що забезпечують високу точність листа, максимальну продуктивність і довговічність устаткування. Аварійні розладнання агрегатів безперервного відпалювання призводять до значних втрат полоси, що оброблена відпалюванням, через перехід її до некондиційного металу. При дресировці часто виникає дефект “ребристість” на поверхні полос та валків, котрий, не змінюючи геометричних параметрів листа, значно погіршує його товарний вигляд, не зникає при фарбуванні. Дефект “ребристість” має різне походження, залежить від типу привода стана, потребує вивчення і розробки заходів по його усуненню. Важливе значення має розв’язання проблеми підвищення точності довжин карток, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, підвищення їх виходу з рулона за рахунок усунення немірних довжин, скорочення поля допусків і витрат матеріалу покриття (олова, цинку) на фінішній стадії обробки.

Тому наукове обгрунтування раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа являє собою значну наукову проблему, що має важливе значення для країни.

Зв’язок теми дисертації з науковими програмами, планами університету. Робота виконана відповідно до Міжвузівської цільової науково-технічної програми НДР на 1986–90 р.р. "Метал", затвердженої наказом Мінвузу СРСР №599 від 18.08.86., по науково-дослідному плану Дніпродзержинського державного технічного університету, є складовою частиною наступних тем: №221/90/229 “Розробити і впровадити нову форму зливкозахватних кернів і нову конструкцію кліщей колодязного крана, що забезпечують надійність захвату нахилених зливків” державна реєстрація №0190.0061381, №222/85/25 ”Дослідження динамічних навантажень колодязних кранів вантажопідйомністю 32/50 тон з метою розробки заходів, що направлені на удосконалення конструкцій машин”, державна реєстрація №0185.0023718, №221/83/636 “Розробка і впровадження заходів по усуненню причин руйнування глобоїдних передач і підвищенню динамічної точності лінії приводу нажимних гвинтів стана 1700 холодної прокатки”, державна реєстрація №0183.0011847, №225/85 “Розробка, дослідження і впровадження заходів по удосконаленню устаткування агрегата безперервного відпалювання (АБВ) ЛПЦ–3 ММК”, державна реєстрація №0185.0045412, №223/83 “Дослідження динамічних навантажень у приводних лініях двоклітьового стана 1400”,

державна реєстрація №0183.0038208, №221/84/183 “Розробка заходів по підвищенню точності порізки холоднокатаних листів на агрегатах поперечної різки комбіната ім. Ілліча”, державна реєстрація №0184.0049257. У цих роботах автор приймав безпосередню участь і був їх науковим керівником.

Мета роботи полягає в науковому обгрунтуванні раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа на основі їх динамічного аналізу.

Об’єкт дослідження –удосконалення механічного устаткування для виробництва тонкого листа.

Предмет дослідження –параметри машин і агрегатів для виробництва тонкого листа.

Ідея роботи полягає у використанні методів динаміки складних систем для вибору розрахункових схем, на їх основі розкритті невідомих явищ в процесі формування зовнішніх навантажень, передачі внутрішніх зусиль у машинах і агрегатах при виробництві тонкого листа, спрямованих на підвищення їх ефективності.

Методи досліджень. Теоретичне дослідження взаємодії кернів кліщових захватів колодязних кранів зі зливками основане на теорії пластичності, експериментальне дослідження пластичного течіння матеріалу зливків при входженні кернів різного типу виконане на лабораторній установці, що моделює пластичні макропроцеси. Дослідження динаміки навантаження несучих конструкцій колодязних кранів основане на теорії коливань, виведенні диференціальних рівнянь руху, їх аналізі та розв’язанні. Дослідження динаміки листопрокатних і дресировочних станів комплексне, коли експериментально визначаються власні динамічні характеристики, форми коливань, по котрим вибирається розрахункова динамічна схема, розробляється математична модель. Дослідження агрегатів безперервного відпалювання основане на визначенні віброактивності пічних роликів методами динаміки складних систем, виборі параметрів пружної підвіски навісного привода методами будівельної механіки. Обгрунтування заходів по підвищенню точності довжин листів, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, базується на теорії гнучких, масивних, пружних ниток і теорії коливань. В основу експериментальних досліджень покладено тензометричний метод.

Наукові положення, які виносяться на захист:–

процес входження кернів у зливок являє собою неусталене пластичне формозмінення матеріалу з геометричною подібністю;–

для кожної маси зливка існує тип кернів і зусилля їх затиснення кліщовим механізмом, які забезпечують мінімальне травмування та безпечне транспортування зливка;–

для кожної конструкції колодязного крана і маси зливка існують умови надійного захвату, зона підвищеного ризику при транспортуванні зливка і верхня межа швидкості піднімання;–

надійність захвату зливка істотно підвищується при установленні у механізмі керування кліщами пружного блока; існує раціональне співвідношення між жорсткостями і масами моста і механізма піднімання колодязного крана, коли динамічні навантаження виявляються мінімальними;–

дійсні навантаження у головних лініях станів холодної прокатки при захватах полоси можуть бути визначені тільки при урахуванні проковзування робочих і опорних валків і додаткового момента, який витрачається двигуном на переборення пружних і інерційних сил при деформації кліті; існують раціональні величини попереднього розпору і обтиснень по клітях, при котрих динамічні навантаження у головних лініях будуть мінімальними;–

зниження динамічних навантажень у приводах нажимних гвинтів станів холодної прокатки, скорочення простоювання та підвищення ефективності системи струмного захисту устаткування досягаються установленням у приводі запобігаючої пружно-демпфіруючої системи, використанням спеціального способу гальмування нажимними гвинтами і усуненням зайвих зв’язків в упорному вузлі черв’яка;–

скорочення руйнувань пічних роликів, поривів і дефектів поверхні полоси у агрегатах безперервного відпалювання досягається установленням навісного привода пічних роликів з регульованим пружинним врівноважуючим пристроєм;

–

–

Наукова новизна роботи полягає в наступному:–

вперше установлено вплив динамічних процесів у механізмі піднімання на надійність захвату з урахуванням пластичного формозмінення матеріалу при входженні кернів у зливок і пружності кліщів, визначені умови надійного захвату, зона підвищеного ризику і верхня межа швидкості піднімання зливків, раціональне співвідношення параметрів механізмів керування кліщами, піднімання, металоконструкції моста;–

установлено, що максимальні динамічні навантаження, які діють на металоконструкцію моста, механізми піднімання і керування кліщами виникають при падінні і перехваті зливка, розроблена методика їх розрахунку;–

розроблена методика визначення динамічних навантажень у станах холодної прокатки, яка враховує динамічну взаємодію головної лінії, пружної системи кліті та зони деформації, а також можливість проковзування робочого і опорного валків і додатковий момент, який витрачається двигуном на переборення інерційних та пружних зусиль при деформації кліті;

установлено, що для рівномірного завантаження механічного устаткування і зниження пікових навантажень при захваті полоси у приводних лініях безперервних станів холодної прокатки необхідно прагнути до такого режиму роботи, коли відносні обтиснення у всіх клітях, окрім останньої, однакові, а в останній складають 10–15%;–

вперше установлено, що переобтяження у лінії приводу нажимних гвинтів, які викликають спрацювання запобігаючих муфт, руйнування і простоювання станів, обумовлені люфтами у кінематичних парах і особливостями гальмування самогальмуючого глобоїдного редуктора, а зниження ресурса глобоїдного редуктора відбувається через наявність зайвих зв’язків в упорному вузлі черв’яка; для їх усунення запропоновані та впроваджені принципово нові технічні рішення;–

установлено, що причиною поривів і травмування поверхні полоси, руйнування шийок пічних роликів у агрегатах безперервного відпалювання є віброактивність приводу їх обертання, усунення котрої досягається застосуванням привода з регульованою пружинною системою врівноважування;–

установлено, що недостатня кінематична точність зубчастого зачеплення у редукторі приводної лінії робочих валків дресировочного стана з індивідуальним редукторним приводом, автоколивання, котрі з’являються внаслідок виникнення замкнутого контуру в кінематичному ланцюгу дресировочного стана з груповим приводом, динамічна неврівноваженість роликового вимірювача натяжіння дресировочного стана з індивідуальним приводом через опорні валки є причинами "ребристості" на поверхні листів і валків, для усунення котрих розроблені нові технічні рішення;

–

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обгрунтована:–

застосуванням апробованих методів теоретичної механіки та динаміки машин з пружними ланками;–

достатнім співпадінням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, розбіжність не перевищує 22%.

Наукове значення роботи полягає в обгрунтуванні параметрів кернів кліщових захватів, що мінімально травмують зливки, в оптимізації конструктивних і режимних параметрів колодязних кранів за критерієм мінімальних динамічних навантажень при достатній надійності захвату зливка, у розкритті механізму високої віброактивності та переобтяжень механічного устаткування станів холодної прокатки, в установленні впливу пружного підвішування навісного привода на динаміку навантаження пічних роликів агрегатів безперервного відпалювання, у розкритті механізму виникнення “ребристості” валків і полос при обробці на дресировочних станах, у встановленні причин розбігу довжин карток, що відрізаються, в обгрунтуванні рішення, яке підвищує динамічну точність агрегатів поперечного різання.

Практичне значення роботи полягає в тому, що для зниження травмованості зливків запропоновані форми кернів та вузли їх рухомого закріплення у кліщевині; для підвищення надійності захвату зливків і зменшення віброактивності запропонований пружний блок механізму керування кліщами. Для натискних пристроїв безперервних станів холодної прокатки розроблена конструкція пружно-демпфіруючого пристрою, що дозволяє істотно зменшити жорсткість і загальний зазор у лінії приводу, підвищити її демпфіруючі характеристики; запропоновано спосіб керування нажимними гвинтами установочних механізмів прокатного стана і пристрій для реалізації способу, котрий виключає можливість заклинювання в самогальмуючій черв’ячній парі та істотно знижує динамічні навантаження в лінії приводу і в опорних вузлах черв’ячного вала редуктора; запропонована конструкція вузла упорних підшипників з самовстановлюючими елементами; маючи на увазі забезпечення надійності роботи механізмів обертання пічних роликів запропонована установка регульованих пружинних опор під навісні приводи; з метою усунення дефекту "ребристість" для дресировочного стана 2500 розроблена система віброізоляції робочих валків; на дресировочному стані 1700 запропонована схема приводу, яка виключає появу замкнутого механічного контура; для позбавлення від підвищеної віброактивності роликового вимірювача дресировочного стана 1400 розроблено три варіанти реконструкції підшипникових опор; з метою підвищення динамічної точності агрегатів поперечного різання запропоновані та упроваджені винаходи, котрі дозволили усунути немірні довжини, підвищити вихід карток з рулона і скоротити витрати олова при їх лудінні.

Практична реалізація роботи:–

впроваджена методика вибору раціональних параметрів механізма піднімання та керування кліщами колодязних кранів у проектному інституті при заводі „Сибтяжмаш”;–

на кліщовому колодязному крані слябінга 1150 Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджена пружна штанга у механізмі керування кліщами, вузол рухомого закріплення керна у кліщовині, а також керни зі сферичною робочою поверхнею, що скоротили руйнування устаткування і травмованість зливків;–

в НДІТЯЖМАШі Уральського машинобудівного завода в практику проектування станів холодної прокатки впроваджена методика розрахунку і конструктивна схема пружно-запобігаючої системи для приводу механізма установки валків;–

на стані 1700 холодної прокатки Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджені система амортизації і спосіб керування приводом установочного механізма четвертої кліті, котрі зменшили динамічні навантаження і підвищили точність прокатного профіля;–

у приводі установочного механізма п’ятої кліті стана 1700 холодної прокатки Карагандинського металургійного комбіната впроваджена пружно-запобігаюча система, яка дозволила підвищити точність профіля, що катається, і скоротити руйнування запобігаючих ланок та простої стана;–

на стані 1700 холодної прокатки Карагандинського металургійного комбіната впроваджені режими обтиснень по клітях, що забезпечують мінімальні навантаження в приводах клітей при захватах полоси;–

на дресировочному стані 2500 Магнітогорського металургійного комбіната впроваджені раціональні швидкісні режими дресировки, при котрих не виникає дефект „ребристість” на поверхні холоднокатаних полос;–

на дресировочному стані 1700 Карагандинського металургійного комбіната впроваджений режим дресировки з одним приводним валком, що дозволило позбавитись вібрацій, перенавантажень у шпинделях і скоротити витрати опорних і робочих валків;–

на двоклітьовому дресировочному стані 1400 Карагандинського металургійного комбіната впроваджені спосіб підбору робочих і опорних валків, а також раціональні швидкісні режими дресировки, при котрих істотно знижуються віброактивність стана, скорочуються витрати опорних і робочих валків, брак по дефекту „ребристість” на поверхнях полос та валків;–

на агрегатах поперечного різання тонких полос стана 1700 холодної прокатки Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджені пристрій для компенсації люфтів у приводі і стабілізатор прогину полоси, що дозволили підвищити точність листів, що відрізаються, і вихід карток з мінімальним допуском;–

на агрегатах поперечного різання цеху жесті Магнітогорського металургійного комбіната впроваджені пристрої, що дозволили підвищити точність і якість карток, що відрізаються, їх вихід з мінімальним допуском, скоротити витрати покрить при оздобленні.

Апробація роботи. Основні положення дисертації оприлюднені і отримали підтримку на VI Міжнародній нараді по теорії механізмів і машин (Ленінград, 1971 р.), на IV Міжнародному конгресі по теорії механізмів і машин (Англія, Ньюкасл, 1975 р.), на І Всесоюзному з’їзді по теорії механізмів і машин (Алма-Ата, 1982 р.), на ІІ Всесоюзному з’їзді по теорії механізмів і машин (Одеса, 1987 р.), на ІІ Всеукраїнській науковій конференції „Математичні проблеми технічної механіки” (Дніпродзержинськ, 2002 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (Дніпропетровськ, 2002 р.), на засіданні об’єднаного науково-технічного семінару в Дніпродзержинському державному технічному університеті (Дніпродзержинськ, 2003 р.), на засіданні об’єднаного науково-технічного семінару в Донецькому національному технічному університеті (Донецьк, 2003 р.), на засіданні об’єднаного семінару в Національній металургійній академії України (Дніпропетровськ, 2003 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 34 статті у фахових наукових виданнях, отримано 16 авторських свідоцтв на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з загальної характеристики роботи, шести глав, висновків, викладена на 298 сторінках машинописного тексту, містить 121 рисунок, 13 таблиць, список використаних джерел з 150 найменувань і 21 сторінку додатків. Загальний обсяг роботи – 465 сторінок.

Робота виконана у Дніпродзержинському державному технічному університеті. При виконанні досліджень автору була надана допомога з боку доцента кафедри „Механічне обладнання металургійних заводів” Бейгула О.О.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан проблеми, мета роботи, постановка задач досліджень

Операції по зняттю зливків з залізничних платформ, посадці їх у нагрівальні колодязі, вийняттю з колодязів і посадці у зливковоз виконують колодязні крани, які відрізняються від мостових кранів загального призначення підвісом вантажу і наявністю кліщового механізма для захвату і транспортування зливків. Загальні питання кранових конструкцій висвітлені з працях Олександрова М.П., Дукельського О.І., Іванченка Ф.К., Казака С.А., вантажозахватні пристрої – у працях Андреєва О.Ф., Вайнсона О.О., Четвертака О.М., Шиферштейна Е.І. Аналіз літературних джерел показав, що зниження навантажень відбувається в основному по шляху зміни жорсткості ланок машин. В цьому ж напрямку удосконалюються методи розрахунку на міцність металоконструкцій вантажопідйомних машин. Проектування вантажопідйомних машин з використанням методів, що враховують вплив співвідношення жорскостей і мас на динамічні навантаження багатомасових систем, не знайшло відповідного застосування на практиці.

У прокатному виробництві першорядне значення мають питання вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів, які дозволяють забезпечити високу точність листа, максимальну продуктивність стана. У сучасних умовах виробництво холоднокатаних листів відбувається на безперервних станах холодної прокатки, у яких формуються геометричні розміри і форма полос. Зростаючі вимоги до геометричної точності прокатки викликають необхідність значного підвищення швидкочинності установочних механізмів. У цьому напрямку відомі наукові праці Большакова В.І., Василева Я.Д., Іванченка Ф.К., Кожевникова С.М., Лєнського О.М., Мазура В.Л., Праздникова А.В., Саф’яна М.М., Чекмарьова О.М. Разом з тим аналіз відомих праць дозволяє заключити, що виконані дослідження не дають інформації про

природу дійсних процесів, що виникають у головних лініях листопрокатних станів, в них не запропоновані ефективні методи зниження динамічних навантажень, посилення затухання коливань у лінії приводу і зменшення різнотовщинності листа.

Для сучасного прокатного виробництва характерне впровадження безперервних процесів, у тому числі агрегатів безперервного відпалювання листового прокату у вертикальних протяжних пічах, до яких ставляться підвищені вимоги відносно надійності та довговічності, оскільки їх ремонт супроводжується тривалою зупинкою чи порушенням режиму роботи в цілому. Споріднені питання висвітлені у працях Іванової Н.І., Лаврентика І.І., Маковського В.А., Тимчака В.М.

На поверхні холоднокатаних листів поява “ребристості” приводить не тільки до погіршення зовнішнього вигляду кузова автомобіля, але і до зниження механічних властивостей таких листів при глибокій та складній штамповці. Виявленню причин “ребристості” присвячені праці Ананьєвського М.Г., Беняковського М.О., Файнберга Л.Б., Шварцмана З.М., де відзначається, що джерелом дефекту “ребристість” є коливання устаткування під час прокатки чи дресировки полоси. Разом з тим, вплив режимів роботи устаткування на якість поверхні листів, що дресируються, розглянуто недостатньо.

Різання полоси на мірні довжини робиться у холодному стані на агрегатах поперечного різання. Аналіз існуючої інформації свідчить про те, що практично відсутні рекомендації по підвищенню точності довжин карток, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, без спеціальних систем вирівнювання швидкостей полоси і ножів.

В зв’язку з наведеним сформульована наступна мета роботи: наукове обгрунтування раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа на основі їх динамічного аналізу. Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і розв’язані наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5 Дослідження динамічних процесів у агрегатах поперечного різання і обгрунтування заходів по підвищенню точності довжин холоднокатаних листів, що відрізаються.

Розділ 2. Дослідження динамічних процесів у механізмах кліщових колодязних кранів, розробка і впровадження заходів по підвищенню їх ефективності

Кліщові колодязні крани забезпечують посадку зливка у нагрівальні колодязі і видачу їх на технологічну лінію прокатки. Удосконалення кліщів колодязних кранів вимагає розв’язання цілого комплексу проблем, серед яких чільне місце посідає надійність захвату зливків. У цьому зв’язку виконано експериментальне дослідження процесу захвату зливка кернами на лабораторній установці, в тому числі моделювання цього процесу та планування експерименту.

Отримані аналітичні вирази, побудовані графіки залежностей зусиль зажиму від глибини проникання для клина і конуса

(1)

де Т – границя текучості при чистому зсуві, Па;

W – ширина клина, м.

– половина кута при вершині керна, рад;

– кут розхилу центрованого поля ліній ковзання, рад;

(2)

Отримані аналітичні вирази для визначення критичних тангенціальних зусиль для клина і конуса

(3)

(4)

установлені емпіричні залежності для обчислення зусиль, необхідних для проникання сферичних та зубчастих кернів на певну глибину

(5)

(6)

де D – діаметр сферичного керна, м;

п – число зубців зубчастого керна.

Критичні зусилля, які викликають проковзування зливка відносно сферичного та зубчастого кернів, з урахуванням перерозподілу площі контакту зі зливком:

(7)

(8)

Побудовані графіки залежностей глибини проникання кернів від маси зливків та зусиль зажиму від глибини проникання для сферичних, зубчастих, призматичних та конусних кернів.

Розглянуті динамічні процеси у механізмі піднімання з урахуванням пружності кліщів та їх впливу на надійність захвату зливків. Зроблено припущення, що намотка підйомних канатів на барабан відбувається з постійною швидкістю v0, а тертя у кулісному механізмі кліщів відсутнє.

На підставі розв’язання системи рівнянь отримані умови надійності захвату зливка:

(9)

(10)

де т1 – маса кліщового захвату, кг;

т2 – маса зливка, кг;

С1 – приведений коефіцієнт жорсткості канатів, Н/м;

Сп – приведений коефіцієнт жорсткості захватних важелів, Н/м

v – швидкість піднімання зливка, м/с.

З метою розробки математичного апарату для оцінки максимальних навантажень розглянуті процеси, що виникають у кінематичному ланцюгу механізму керування кліщами, в тому числі посування рухомих частин кліщового захвата при його розкритті, коли має місце слабина каната механізма керування кліщами. На першому етапі посування відбувається усунення зазору у вигляді слабини каната, на другому етапі починає рухатись маса рухомих частин кліщового захвата. Отримано вираз коефіцієнта переобтяження пружного зв’язку при замиканні кліщів для випадку падіння і перехвату зливка

, (11)

де – приведений зазор, м;

Fmax – максимальне динамічне навантаження пружного зв’язку, Н;

С – коефіцієнт жорсткості підвіски, Н/м.

Коефіцієнт переобтяження, що відповідає замиканню кліщів при падінні зливка, визначається підстановкою у формулу (11) маси рухомих частин кліщового захвату (т = ткз), коефіцієнта жорсткості каната механізма керування С і зазору , що обумовлений слабиною каната. Коефіцієнт переобтяження, що відповідає замиканню кліщів при перехваті зливка, для випадку h < визначається підстановкою у формулу (11) маси зливка (т = тс), коефіцієнта жорсткості підйомних канатів С1 і зміщення зливка h відносно кернів, а при h > – маси т = тс, коефіцієнта жорсткості каната механізма керування С і зазору .

Слабина каната механізма керування кліщами є необхідним експлуатаційним параметром, котрий забезпечує нормальні умови захвату при дозажатті зливка і виключає спонтанне відкриття кліщів при підніманні; у той же час зазор у кінематичному ланцюгу у вигляді слабини каната обумовлює динамічні навантаження у приводній лінії, котрі викликають руйнування елементів механізма керування кліщами. Враховуючи актуальність цього питання, виконано експериментальне дослідження навантаження механізма керування кліщами колодязного крана вантажопідйомністю 32/50 т з метою виявлення причин руйнування устаткування та розробки заходів по їх усуненню.

Оцінка динамічних навантажень, діючих на металоконструкцію моста і механізм піднімання, викликаних падінням чи перехватом зливка, виконується за допомогою двомасової розрахункової схеми (рис. 1) з наступним аналізом впливу деяких параметрів системи на величину навантажень у пружних зв’язках. До таких параметрів віднесені С1 – коефіцієнт поперечної жорсткості балок моста, т1 – сумарна маса моста і візка; С2 – коефіцієнт поздовжньої жорсткості канатів механізму піднімання, т2 – сумарна маса вантажу і вантажозахватного пристрою.

Рисунок 1 – Розрахункова схема кліщового колодязного крана

Для запропонованої розрахункової схеми система диференціальних рівнянь має наступний вигляд:

(12)

На підставі розв’язання системи рівнянь (12) отримані власні кругові частоти і максимальні зусилля у зв’язках

(13)

де

(14)

(15)

З формул (13) – (15) виходить, що власні кругові частоти р1, р2 і зусилля F1, F2 залежать від співвідношень коефіцієнтів жорсткості = С1/С2 та мас = т1/т2. Показано, що існує оптимальне співвідношення між жорсткостями і масами моста і механізма піднімання, коли динамічні навантаження виявляються мінімальними; для керування співвідношенням між жорсткостями моста і механізма піднімання з метою мінімізації динамічних навантажень запропоновано ввести у силову схему штанги і поліспасного блока амортизатор з регульованим коефіцієнтом жорсткості.

Вперше виконано експериментальне дослідження динамічних навантажень і характеру їх розподілу при сумісній роботі механізмів піднімання, керування кліщами і металоконструкції моста при виконанні операцій захвату та звільнення зливка, звільнення зливка у повітрі, а також зрив і перехват зливка з амортизатором і без амортизатора, встановленого у ланцюгу механізма керування кліщами, в результаті котрих установлено, що максимальні динамічні навантаження на міст і механізм піднімання виникають при перехваті зливка кліщами.

Виявлено, що основною причиною незадовільної роботи двомоторного приводу механізму пересування моста є різні величини зазорів у лівій і правій гілках приводу і ударне замикання зазорів, тому при пуску відбувається перекіс моста і підвищений знос реборд ходових коліс, а також виникають значні динамічні навантаження, для зменшення котрих запропоновані чотириступінчаста потенціометрична схема керування двигунами при пуску і гальмуванні та заміна зубчастої муфти на пружну.

Розділ 3. Дослідження динамічних процесів у приводних лініях тонколистових станів холодної прокатки, розробка і впровадження заходів по підвищенню їх ефективності

Дослідження динаміки приводних ліній тонколистових станів холодної прокатки виконано на прикладі стана 2800 комбінату „Запоріжсталь”, на якому найбільш яскраво проявляються характерні особливості механізма привода, тому отримані результати мають досить загальний характер і можуть бути використані для розуміння роботи інших листопрокатних станів. При проведенні експериментального дослідження на стані 2800 замірені наступні параметри: крутний момент на корінному валі, тиск металу на валки, струм у ланцюгу якоря двигуна, швидкість обертання робочого валка, швидкість обертання опорного валка, різниця швидкостей між робочим і опорним валками, зазор у силовій лінії, переміщення опорного валка у горизонтальній площині, переміщення робочого валка.

Динамічний аналіз і експериментальні дані показують, що розрахункова схема лінії приводу листопрокатного стана може бути представлена у вигляді тримасової електромеханічної системи з пружним, розривним фрикціонним зв’язком, котра навантажується моментом двигуна М1 і моментом сил опору М2 (рис. 2).

Рисунок 2 – Розрахункова схема приводу листопрокатного стану кварто

Момент М1 визначається рівняннями, що описують поведінку електродвигуна, а момент М2 – рівняннями, що описують заповнення зони деформації металом, змінюється в залежності від кута повороту робочого валка. Виведено рівняння напруженого стану в лінії передачі для випадку сумісного руху робочого та опорного валків

(16)

де

а для руху з проковзуванням

(17)

де

Умова сумісності руху робочого і опорного валків:

(18)

а умова проковзування має наступний вигляд:

(19)

Диференціальні рівняння (16) і (17) дозволяють визначати динамічні навантаження у лінії передачі системи у будь-який момент часу.

Отримані рівняння динаміки лінії приводу листопрокатного стана розв’язані методом електронного моделювання. Аналогова модель головної лінії стана 2800 комбіната „Запоріжсталь” побудована відповідно системі отриманих рівнянь, розв’язок її визначають наступні параметри: струм електродвигуна і, швидкість обертання якоря двигуна 1, момент сил пружності в лінії передачі М12, кутова швидкість робочого 2 і опорного 3 валків та їх різниця 23, а також деформація кліті. У відповідності з цим побудовані графіки залежностей динамічних навантажень у головній лінії від конструктивних і режимних параметрів.

На підставі нехтування ковзанням між полосою та валком, уяві про тиск металу на валки у період заповнення зони деформації, що дорівнює середньому тиску при усталеному процесі прокатки, отримано уточнений аналітичний вираз моменту сил опору при прокатці листів

(20)

де в – ширина полоси, м;

r – радіус робочого валка, м;

– початковий кут зустрічі валка з полосою, рад;

– частота обертання валків, 1/с;

– власна частота коливань системи “кліть-валки” при захваті полоси, 1/с.

З виразу (20) після деяких спрощень отримано вираз для максимального моменту прокатки

(21)

Маючи на увазі, що

коефіцієнт технологічного переобтяження дорівнює

(22)

або після перетворень

(23)

де Сп – жорсткість полоси у зоні деформації, Н/м;

Сk – приведена жорсткість кліті, Н/м;

п – Сп/Сk.

Виходячи з енергетичної концепції, отримано вираз для додаткового моменту, що підводиться з боку двигуна через лінію передачі до валків і затрачується на подолання пружних та інерційних сил при поступальному русі системи “кліть-валок”, а також для коефіцієнту статичного переобтяження

(24)

де Сnk = Ck + Cn – приведена жорсткість кліті з урахуванням жорсткості полоси у зоні деформації, Н/м.

(25)

Заміри крутних моментів у шпинделях робочих валків чотириклітьового стана 2500 Магнітогорського металургійного комбіната та п’ятиклітьового стана 1700 Карагандинського металургійного комбіната холодної прокатки показали, що при захватах полоси валками у приводних лініях виникають пікові навантаження, що в 1,2–2,0 рази перевищують навантаження у стаціонарному режимі прокатки. Значення коефіцієнтів статичного переобтяження для приводних ліній цих станів по результатам обробки експериментальних даних отримані наступними (№1–5–кліті):

Стан | №1 | №2 | №3 | №4 | №5

2500 ММК | 1,1–1,3 | 1,2–1,4 | 1,2–1,5 | 1,3–1,7–

1700КарМК | 1,1–1,2 | 1,2–1,5 | 1,6–1,9 | 1,1–1,3 | 1,2–1,4

Ці значення достатньо співпадають зі значеннями, розрахованими по формулі (25).

З метою виявлення частого спрацьовування муфт граничного моменту виконано експериментальне дослідження процесів, що виникають при прокатці у приводних лініях нажимних пристроїв другої та п’ятої клітів безперервного стана 1700 холодної прокатки КарМК. Виявлено, що при розгоні максимальні пікові навантаження істотно залежать від характеру змінення електромагнітного моменту двигуна. Введення при розгоні приступки у струмовій діаграмі двигуна знижує динамічні навантаження, але при цьому зменшується швидкочинність нажимних гвинтів і погіршується якість регулювання профілю.

З метою розробки математичного апарату для оцінки пікових навантажень і заходів для їх зниження розглянуті динамічні процеси, що виникають у пружній електромеханічній системі приводу нажимних гвинтів. В результаті аналізу конструкції механізма і його частотної характеристики, отриманої експериментально, виявлено, що розрахункова схема для дослідження динамічних навантажень лінії приводу нажимних гвинтів безперервного стана 1700 холодної прокатки КарМК може бути представлена у вигляді двомасової системи з пружним, розривним зв’язком.

Сформульована задача визначення величини і характеру динамічних навантажень, що виникають у пружному зв’язку розглянутої системи у будь-яку фазу руху приводної лінії. Отримана система диференціальних рівнянь, що описують коливання у лінії приводу

(26)

де 1, 2 – кути повороту першої і другої мас відповідно, рад;

І1, І2 – моменти інерції першої і другої мас відповідно, кгм2;

С12 – крутильна жорсткість валопроводу, Нм/рад;

М1, М2 – зовнішні моменти, що діють на першу і другу маси відповідно, Нм.

Для підвищення точності визначення зусиль у зв’язках система рівнянь (26) зведена до одного диференціального рівняння у відносних кутах повороту 12=1–2.

(27)

Приймаючи початкову умову такою, що зазор у лінії приводу розкритий наполовину, одержані наступні додаткові умови

(28)

Таким чином система рівнянь, що описують напружений стан у приводній лінії нажимних гвинтів з урахуванням затухання, має наступний вигляд:

(29)

Оскільки система (29) істотно нелінійна, її розв’язок виконано з залученням аналогової обчислювальної машини. Аналіз результатів електронного модулювання свідчить про те, що ефективне зниження пікових навантажень може бути досягнуто зменшенням жорсткості приводної лінії, зазорів у з’єднаннях кінематичних пар, збільшенням демпфіруючих властивостей приводної лінії та моменту інерції двигуна. На цій підставі розроблено і впроваджено пружно-демпфіруючий пристрій у лінії приводів нажимних гвинтів стана 1700 холодної прокатки КарМК.

Виконано дослідження впливу передач, що самогальмуються, на динамічні навантаження у лінії приводу нажимних пристроїв тонколистових станів на перехідних режимах, відповідна розрахункова схема зображена на рис. 3.

Рисунок 3 – Розрахункова схема привода установочного механізма

Під час гальмування зазор розкривається і з вхідного вала самогальмуючого глобоїдного редуктора раптово зникає момент двигуна, а оскільки передача руху від колеса на черв’як неможлива, то миттєво гальмується черв’ячна пара і виникає ударне замикання зазорів. Після ударного замикання зазору максимальний момент М сил пружності у приводній ділянці вала визначається диференціальним рівнянням

(30)

де

і – передаточне число черв’ячної пари.

Розв’язок рівняння (30)

(31)

де – величина зазору у приводному валі, рад.

Максимальний момент сил пружності у приводній ділянці вала

(32)

При постійному моменті гальмування коефіцієнт динамічності у приводі складає

(33)

Після замикання зазору, коли пружні коливання у лінії приводу затухають, на вхідний вал черв’ячного редуктора діє момент гальмування, котрий уповільнює механізм установки валків. При цьому у зчепленні черв’ячної пари виникають навантаження, оцінку котрим дають наступні рівняння:

1)

(34)

2)

(35)

де Pr – окружне зусилля черв’яка, Н;

Pk –окружне зусилля черв’ячного колеса, Н;

– кут тертя, рад;

– кут підйому гвинтової лінії черв’яка, рад.

3)

(36)

(37)

де Іk – момент інерції черв’ячного колеса і наступних мас, котрі обертаються на осі колеса, кгм2;

Ir – момент інерції черв’яка, кгм2.

У результаті сумісного розв’язання рівнянь (34)–(37) отримано динамічний момент на черв’ячному колесі

(38)

Розрахунковий момент на колесі дорівнює Мк, тоді коефіцієнт переобтяження передачі складає

(39)

Міцність передачі забезпечується, коли Кп 1, тобто має виконуватися умова

(40)

Досліджені навантаження упорних підшипників глобоїдного редуктора приводної лінії нажимних гвинтів стана 1700 холодної прокатки, розроблені нові конструкції упорних підшипникових вузлів, для яких характерне самоустановлення.

На рівні винаходу запропоновано спосіб керування нажимними гвинтами, що виключає можливість заклинювання у самогальмуючій парі.

Розділ 4. Дослідження і впровадження заходів по удосконаленню устаткування агрегатів безперервного відпалювання полос

З метою виявлення причин незадовільної роботи привода пічних роликів на діючому агрегаті проведено експериментальне дослідження навісного привода; в процесі дослідження проведені вимірювання перекидного моменту, напружень у опорному перетині пічного ролика з боку консолі, у небезпечному перетині консолі, а також струму електродвигунів штатної та нової конструкцій привода, які виявили, що причиною обривів, браку полоси, частого руйнування консолей роликів є високі навантаження від навісного привода обертання пічних роликів. Проведено синтез динамічної системи ролика з навісним приводом, на рівні винаходу розроблена конструкція пічного ролика з залученням пружного врівноважування консолі, визначені власні динамічні характеристики пічного ролика з різними типами привода. Динамічна задача розв’язується зворотним способом; виявлено, що пружна підвіска навісного привода істотно не впливає на власні динамічні характеристики пічного ролика. Перевірка на резонанс виявила, що ролики агрегата безперервного відпалювання, незалежно від типу підвішування навісного привода, працюють у дорезонансній зоні з великим запасом. Нова конструкція привода пічних роликів з пружинним врівноважуванням, що може регулюватися, під час промислових випробувань показала високу ефективність, у тому числі істотно скоротились руйнування шийок роликів, пориви і брак поверхні полоси.

Розділ 5. Дослідження динамічних процесів у приводних лініях дресировочних станів, розробка і впровадження заходів по зниженню їх віброактивності.

Установлено, що причини виникнення дефекту “ребристість” на поверхні холоднокатаних полос залежать від схеми приводу робочих валків і режиму дресировки, з метою їх виявлення виконані експериментальне і теоретичне дослідження дресировочних станів 2500 ММК з індивідуальним редукторним приводом, 1700 КарМК з груповим приводом, 1400 КарМК двоклітьового з безредукторним приводом через опорні валки. Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено, що зубчасте зчеплення у редукторі приводної лінії робочих валків дресировочного стана 2500 є джерелом збудження високочастотних ударних вібрацій, котрі призводять до появи дефекту “ребристість” на поверхні полоси і валків. Високочастотні ударні вібрації у редукторі виникають через циклічну погрішність окружного кроку зчеплення, що призводить при певній швидкості до періодичних розривів контакту між зубцями і його ударним замиканням. Отримані математичні залежності для визначення кругової частоти вібрації пр, при якій настає проковзування валка відносно полоси, та швидкості руху полоси Vnp:

, (41)

де пр – кругова частота вібрацій, при якій настає проковзування валка відносно полоси, 1/с;

Рсц – зусилля зчеплення між полосою та валком, приведене до шестерні, Н;

Рпр – зусилля прокатки, приведене до шестерні, Н;

тш – маса шестерні, кГ;

С – коефіцієнт жорсткості пружного зв’язку між валком та шестернею, Н/м.

Зв’язок між величиною пр і швидкістю руху полоси Vпр описується співвідношенням

(42)

де Rp – радіус робочого валка, м;

zш – число зуб’їв шестерні.

Розглянуто вплив ударної взаємодії зубчастих коліс редуктора приводної лінії робочого валка на виникнення дефекту “ребристість” на поверхні холоднокатаних листів. З умови стійкості віброударного процесу визначені