ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НИЖНІК Наталія Володимирівна

УДК 621.771.06: 621.82/85

ПІДВИЩЕННЯ БЕЗВІДМОВНОСТІ УНІВЕРСАЛЬНИХ ШПИНДЕЛІВ

НА ПІДСТАВІ ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОЇ МОДЕЛІ ГОЛОВНОЇ

ЛІНІЇ РОБОЧИХ КЛІТЕЙ ПРОКАТНИХ СТАНІВ

Спеціальність 05.05.08 - “Машини для металургійного виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Руденко Володимир Іванович,

доцент кафедри “Механічне обладнання заводів чорної металургії” Донецького національного технічного університету.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шевченко Феофан Леонтійович, завідуючий кафедрою “Опір матеріалів” Донецького національного технічного університету (м. Донецьк);

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лєєпа Ігор Іванович, завідуючий кафедрою “Механічне обладнання металургійних заводів” Дніпродзержинського державного технічного університету (м. Дніпродзержинськ).

Провідна установа:

Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автоматизовані металургійні машини та обладнання” (м. Краматорськ).

Захист відбудеться “23” червня 2005 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 в Донецькому національному технічному університеті (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навчальний корпус, ВАЗ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навчальний корпус).

Автореферат розісланий “19” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.01.

доктор технічних наук, професор В.І. Алімов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Пріоритетними вимогами при виробництві прокату є низька собівартість готової продукції і зниження експлуатаційних витрат. Це обумовлює необхідність забезпечення безвідмовної роботи прокатного устаткування і, зокрема, головної лінії робочих клітей. Для забезпечення і підвищення безвідмовності прокатного устаткування доцільно проводити дослідження, спрямовані на вдосконалення існуючих і розробку нових конструкцій машин і механізмів, що проектуються з урахуванням динамічних навантажень, які виникають в умовах нестаціонарних режимів прокатки. При проектуванні прокатного устаткування необхідно використовувати сучасні методи моделювання навантажень, що діють на елементи машин і механізмів, а також методи розрахунку їх на міцність.

Актуальність теми. Безвідмовна робота робочих клітей прокатних станів значною мірою обумовлюється працездатністю головної лінії, зокрема, з'єднань шпинделів, відмови яких призводять до простоїв устаткування. Найбільше розповсюдження в головних лініях отримали універсальні шпинделі з вкладишами ковзання. Основним видом раптових відмов шпинделя є руйнування елементів його шарнірів – вкладишів, вилки і лопаті – внаслідок дії високих динамічних навантажень, що виникають у момент захвата прокату робочими валками. Появу відмов універсальних шпинделів можна частково пояснити невідповідністю між розрахунковими і реальними навантаженнями. Так, математичні моделі, що використовуються в даний час для описання динамічних навантажень в головній лінії прокатного стана, не враховують масово-інерційні характеристики шпинделя, порівняні з характеристиками прокатного валка, а це не дозволяє на етапі проектування встановити реальні навантаження, що діють на шпиндель. Також не існує єдиної думки про характер розподілу тиску на контактних поверхнях елементів шарніра шпинделя, що є основоположним аспектом при їх розрахунку на міцність. В даний час при розрахунку на міцність елементів шарніра шпинделя використовують трикутний і трапецеїдальний закони розподілу тиску, хоча багато дослідників відзначають, що реальній схемі навантаження відповідає нелінійний закон.

Конструкція універсального шпинделя з вкладишами ковзання не дозволяє працювати при істотному зносі вкладишів, що призводить до збільшення зазорів і появи ексцентриситету між осями, що з’єднуються шарніром. Унаслідок цього виникають додаткові динамічні удари в головній лінії прокатного стана і відцентрова сила інерції, порівняна із силою прокатки, що знижує безвідмовність універсальних шпинделів.

На підставі вищевикладеного є актуальним усунення ексцентриситету, що виникає в головній лінії, а також розробка нової математичної моделі, що дозволяє на етапі проектування визначити реально діючі навантаження в елементах шпинделя для умов нестаціонарних режимів прокатки. Дана модель повинна враховувати як дискретні, так і розподілені (континуальні) маси елементів головної лінії. Важливою задачею є визначення характеру розподілу тиску на контактних поверхнях шарніра шпинделя. Таким чином, розвиток і уточнення науково-методичних основ динамічних розрахунків та розрахунків на міцність елементів шпиндельних сполучень забезпечить підвищення його безвідмовності на етапі проектування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконана в рамках наукового напрямку кафедри “Механічне обладнання заводів чорної металургії” (МОЗЧМ) Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) підвищення надійності устаткування для металургійного виробництва і є складовою частиною НДР Н-5-04, здобувач є ії виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток методів розрахунку універсальних шпинделів для підвищення їх безвідмовності за рахунок уточнення динамічних навантажень на основі дискретно-континуального моделювання нестаціонарних режимів навантаження головної лінії робочих клітей прокатних станів.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

–

–

–

–

- розробити методику оцінки безвідмовності універсального шпинделя і рекомендації по її підвищенню.

Об'єкт дослідження. Універсальний шпиндель з вкладишами ковзання головної лінії робочої кліті прокатного стана.

Предмет дослідження. Методи і моделі розрахунку навантажень, що діють на елементи шарніра універсального шпинделя в умовах нестаціонарних режимів роботи.

Методи дослідження. Динамічна розрахункова схема головної лінії прокатного стана представлена рядною лінійною дискретно-континуальною системою. Аналітичне дослідження нестаціонарних режимів системи здійснювалося методами математичної фізики шляхом розв’язання хвильового рівняння методом Фур’є. Розрахункові значення власних частот і динамічних моментів, отримані за допомогою дискретно-континуальної моделі, порівнювались із результатами дискретного моделювання і розрахунку за допомогою метода скінченних елементів. При визначенні напружено-деформованого стану вкладишів шарніра універсального шпинделя використовувалися метод фотопружності із заморожуванням об'ємних зразків і метод скінченних елементів, аналіз характеру деформації вкладишів проводився методом штучних баз.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше отримано частотне рівняння, що дозволяє визначити повний спектр власних частот головної лінії прокатного стану з індивідуальним приводом як дискретно-континуальної системи. На відміну від дискретних моделей дане рішення дозволяє отримати нескінченну множину частот власних коливань, на підставі яких можна оцінити ступінь раціональності пружно-масових параметрів системи.

2. Вперше отримана залежність, що описує крутильні коливання, які виникають в головній лінії прокатного стана в момент захвата металу валками на основі дискретно-континуального представлення головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом. Отримана залежність дозволяє визначити розрахункові навантаження в довільному перерізі валопроводів головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом в умовах нестаціонарних процесів прокатки.

3. Експериментально встановлено, що розподіл тиску по площині контакту вкладиша з лопаттю має нелінійний характер і адекватно описується поліноміальною залежністю третього ступеня. При використовуванні отриманої залежності в розрахунку на міцність елементів універсального шпинделя розрахункові напруження, що виникають у вкладиші, збільшуються на 48-51%, в порівнянні з напруженнями, отриманими при використовуванні лінійних законів, що обґрунтовує рівень безвідмовності.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені програмні засоби і математичні моделі для оцінки власних частот і моментів внутрішніх зусиль при дискретно-континуальному представленні головної лінії. Отримано частотне рівняння, що дозволяє визначати повний спектр власних частот головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом.

Проведене дослідження нестаціонарних режимів розширює уявлення про хвильові процеси, що протікають в головній лінії прокатного стана. Використовування дискретно-континуальної моделі дозволяє уточнити розрахункові навантаження, що діють на елементи універсального шпинделя. Отримана поліноміальна залежність дозволяє визначити напружено-деформований стан елементів шарніра шпинделя для оцінки безвідмовності універсальних шпинделів прокатних станів по критеріях міцності. Використовування поліноміальної залежності при розрахунку на міцність елементів шарніра шпинделя уточнює значення і плече рівнодіючої сили. Аналіз напружено-деформованого стану вкладишів дозволив встановити більш раціональний спосіб розміщення змащувальних канавок на його плоскій поверхні.

Встановлено, що вірогідність безвідмовної роботи універсального шпинделя з додатковим вузлом, що центрує, знаходиться в межах необхідного рівня безвідмовності (0,9-0,95), що вище за рівень безвідмовності шпинделя з сухарем.

Результати дисертаційної роботи у вигляді програмних продуктів і практичних рекомендацій до проектування шпиндельних пристроїв і визначення динамічних навантажень, що діють на елементи головної лінії, передані для використовування на ЗАТ “НКМЗ” (м. Краматорськ) і впроваджені на кафедрі МОЗЧМ ДонНТУ в рамках викладання спеціальних дисциплін і при виконанні курсових проектів і магістерських робіт студентами спеціальності 8.090218 “Металургійне устаткування”.

Особистий внесок здобувача. Здобувач виконав теоретичне дослідження нестаціонарних процесів у головній лінії прокатних станів і експериментальне дослідження характеру взаємодії елементів шарніра. Розроблена дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана, проведені розрахунки на міцність елементів шарніра універсального шпинделя прокатного стана, виконана оцінка безвідмовності універсального шпинделя на етапі проектування. При виконанні дисертаційної роботи було використано авторське свідоцтво на конструкцію шарніра шпинделя зі сферичним вузлом, що центрує, розроблену на кафедрі МОЗЧМ ДонНТУ колективом авторів. Здобувачем проведено теоретичне обґрунтування раціональності використовування запропонованої конструкції універсального шпинделя зі сферичним вузлом, що центрує, в порівнянні з традиційною конструкцією з позиції безвідмовності універсального шпинделя по критеріям міцності.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на міжнародній науково-технічній конференції “Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве” в м. Старий Оскол 15-16 вересня 1999 р., на 2-й міжнародній науково-технічній конференції “Вибрация машин: измерение, снижение, защита” в м. Донецьку 25-26 травня 2004 р., на 12-й міжнародній конференції “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики” в м. Ялта 20-24 вересня 2004 р., на міжнародній науково-технічній конференції “Теория и практика производства листового проката” в м. Липецьку 8-9 лютого 2005 р., на науково-технічному семінарі відділу головного конструктора прокатного устаткування (ВГК ПУ) ЗАТ “НКМЗ” (м. Краматорськ), на розширеному семінарі кафедри МОЗЧМ ПДТУ (м. Маріуполь), на розширеному семінарі кафедри МАМВ НМетАУ (м. Дніпропетровськ), на розширеному семінарі кафедри прокатки ЛДТУ (м. Липецьк), на науково-технічних семінарах і конференціях професорсько-викладацького складу ДонНТУ (1998-2004 рр.).

Публікації. Основні наукові положення роботи представлені в 9 статтях, з них 6 статей у фахових наукових виданнях і 3 статті в наукових збірках праць конференцій. 7 статей опубліковано в співавторстві з науковим керівником доц. Руденком В.І.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи - 215 сторінок тексту, у тому числі 150 сторінок основного тексту, 60 ілюстрацій, з них 12 на 12 сторінках, 12 таблиць, з них 2 на 1 сторінці тексту, списку використаних джерел із 220 найменувань на 23 сторінках, 8 додатків на 42 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В розділі 1 “КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ І МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ УНІВЕРСАЛЬНИХ ШПИНДЕЛІВ РОБОЧИХ КЛІТЕЙ ПРОКАТНИХ СТАНІВ” міститься огляд робіт, присвячених конструктивним особливостям, видам відмов, методам розрахунку шарнірів універсальних шпинделів, а також дослідженню нестаціонарних режимів роботи головної лінії прокатного стана. Аналіз існуючих конструкцій універсальних шпинделів показав, що при всій різноманітності конструктивних рішень шарніра основний недолік універсального шарніра - істотний вплив зазорів, що виникають через знос вкладишів, на роботу з'єднання шпинделя - не усунений. Проблема виключення ексцентриситету між осями валів, що сполучаються шарніром при обертанні шпинделя, вирішена винаходом універсального шпинделя з додатковим вузлом, що центрує , розробленим колективом авторів на кафедрі МОЗЧМ ДонНТУ.

Аналіз відмов шпиндельних сполучень прокатних станів встановив, що показники безвідмовності універсальних шпинделів нижче необхідного рівня. Підвищення вірогідності безвідмовної роботи шпинделя можна добитися шляхом збільшення напрацювань на відмову, значення яких визначаються фактичними навантаженнями. Тому особливу важливість при оцінці безвідмовності прокатного устаткування на етапі проектування набуває задача вдосконалення методів визначення навантажень. Аналіз існуючих методів розрахунку на міцність елементів шарніра дозволив встановити, що відносно законів розподілу тиску між контактними поверхнями немає єдиної думки. Дослідження по уточненню закону розподілу контактного тиску проводилися М.Я. Бровманом, А.Н. Комаровим, В.В. Суглобовим, Л.В. Коноваловим, С.С. Даниловим, П.Я. Скичко, А.П. Потапенковим. Більшість авторів стверджують, що характер розподілу контактного тиску між вкладишем і лопаттю нелінійний, проте спеціальні дослідження з цього питання не дозволили встановити його вигляд.

Одне з найважливіших питань при вдосконаленні і розробці конструктивних параметрів елементів універсальних шпинделів є вивчення режимів навантаження в нестаціонарних процесах прокатки. В практиці світового і вітчизняного динамічного моделювання нестаціонарних режимів роботи різних машин використовуються дискретні розрахункові моделі. Значний внесок в розвиток основ аналітичного моделювання і експериментальних досліджень перехідних процесів в приводах прокатних станів належить фахівцям наукової школи динаміки важких машин чл.-корр. АН УССР С.Н. Кожевникова, а також наукової школи проф. С.Л. Коцаря. Велику наукову і практичну цінність мають роботи, що базуються на методиках і промислових дослідженнях, створених провідними фахівцями в області механіки металургійних машин, серед них: доктори технічних наук В.І. Большаков, С.Л. Коцарь, В.К. Цапко, Ф.К. Іванченко, В.П. Полухін, П.І. Полухін, В.М. Гребінник, І.І. Лєєпа, М.Я. Бровман, В.В. Суглобов і кандидати технічних наук В.В. Веренев, О.М. Ленський, П.Я. Скичко, В.І. Хоменко.

В розділі 2 “РОЗРОБКА ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОЇ МОДЕЛІ І АНАЛІЗ ЧАСТОТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГОЛОВНОЇ ЛІНІЇ” розроблена і обґрунтована динамічна розрахункова схема однієї трансмісії головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом, отримано частотне рівняння і виконано визначення спектра власних частот головної лінії робочої кліті прокатних станів.

Динамічний аналіз головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом проведений на прикладі кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)” (далі по тексту кліті 950) з метою оцінки режимів навантаження шарніра універсального шпинделя. Динамічна розрахункова схема однієї трансмісії головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом представлена трьома зосередженими масами, відповідними шарніру з боку привода JП, ротору двигуна Jдв, а також прокатному валку, приведеному до подовжньої осі шпинделя з шарніром з боку робочої кліті J (рис. 1). Вал шпинделя, а також вал двигуна представлені пружними валами з розподіленими осьовими моментами інерції (відповідно iшп та iв).

Рис.1. Розрахункова схема головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом

На рис. 1 прийняті наступні позначення: lв – довжина вала привода; lшп – довжина вала шпинделя; - кут нахилу осі шпинделя до осі вала привода; x і - поточні координати вала шпинделя і вала двигуна, відповідно.

При виконанні аналітичного дослідження нестаціонарних режимів рядної лінійної системи використана методика розв’язання хвильового рівняння, розроблена Ф.Л. Шевченком і Г.М. Улітіним, що описує рух дискретно-континуальних систем, методом Фур’є

, (1)

де (x,t) - функція кутів закручування поперечних перерізів валів;

с - фазова швидкість крутильних коливань.

Розв’язання хвильового рівняння полягає в розкладанні за власними функціями (функції кутів закручування при одиничній амплітуді). Власні функції для дільниці вала шпинделя і дільниці вала двигуна, відповідно, мають вигляд

, (2)

, (3)

де kn – хвильові числа;

Jршп, Jрдв - полярні моменти інерції вала шпинделя і вала двигуна.

Із граничних умов рівності крутного моменту внутрішніх зусиль на початку кожної ділянки моменту сил інерції зосередженої маси, було отримано частотне трансцендентне рівняння (4), яке дозволяє визначити значення хвильових чисел kn, а також нециклічної n і циклічної n частот власних коливань нескінченного числа гармонік n

. (4)

Корені частотного трансцендентного рівняння дозволяють визначити спектр власних частот головної лінії з індивідуальним приводом. В таблиці 1 наведені перші 11 частот для головної лінії робочої кліті 950.

Таблиця 1.

Спектр власних частот головної лінії кліті 950

n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | k | 0,041 | 0,167 | 0,315 | 0,628 | 0,824 | 0,943 | 1,257 | 1,570 | 1,592 | 1,885 | 2,199 | n, Гц | 20,665 | 84,922 | 160,130 | 318,998 | 418,482 | 479,076 | 638,469 | 797,611 | 808,745 | 957,727 | 1117,306 | n, с-1 | 129,84 | 533,581 | 1006,128 | 2004,316 | 2629,394 | 3010,121 | 4011,619 | 4990,797 | 5068,394 | 5992,462 | 6993,185 |

Коректність виконаних аналітичних перетворень обґрунтована модальним аналізом, проведеним методом скінченних елементів (МСЕ). При проведенні модального аналізу була використана програма ANSYS 6.0 (ліц. №152780) і виконано два розрахунки з використанням двох різних типів скінченних елементів: двовузлового балочного елемента BEAM 188 і шістнадцятивузлового циліндричного елементу PIPE 16. У результаті скінченно-елементного аналізу головної лінії кліті 950 отримані частоти і форми власних коливань. Порівняння спектра власних частот, отриманого на підставі аналітичного методу і МСЕ показало, що розбіжність між ними складає 0,5%, а це підтверджує достовірність аналітичних викладок при виведенні частотного трансцендентного рівняння (3) і коректність визначення спектра частот головної лінії кліті 950.

Проведене порівняння отриманого спектра частот головної лінії при її дискретно-континуальному представленні з дискретними дво- і тримасовими моделями дозволило встановити, що дискретні моделі дають завищені значення частот, а це у свою чергу призводить до похибки при визначенні внутрішніх силових факторів, що діють в головній лінії.

Отримана аналітична залежність склала основу розробленої частотної моделі головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом. Використовування частотної моделі дозволило отримати власні частоти, значення яких близькі до експериментальних і нижчі на 9% значень, установлених за допомогою дискретних моделей.

В розділі 3 “МОДЕЛЮВАННЯ НЕСТАЦІОНАРНИХ ПРОЦЕСІВ В ГОЛОВНІЙ ЛІНІЇ ПРОКАТНОГО СТАНА НА ОСНОВІ ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОЇ ДИНАМІЧНОЇ МОДЕЛІ” на підставі розробленої частотної моделі головної лінії проведені дослідження крутильних коливань головної лінії прокатного стана внаслідок надання системі початкової кутової швидкості і ударного прикладення моменту прокатки.

Для визначення динамічних навантажень, що виникають в головній лінії робочих клітей прокатних станів, яка розглядається як дискретно-континуальна система, і розв’язування хвильового рівняння (1) руху системи необхідно з'ясувати умови прикладення зовнішнього навантаження. При моделюванні загальноприйнято, що зовнішнім навантаженням на головну лінію прокатного стана є момент прокатки, що змінюється по певному закону, і момент двигуна. Удар метала об валки враховується наданням системі початкової кутової швидкості. Ударне прикладення навантаження приводить до розкладання задачі визначення динамічних навантажень на дві – збурення від раптового надання системі швидкості і прикладення навантаження. Для систем, в розрахунковій схемі яких враховані розподілені параметри, надання системі початкової кутової швидкості враховується однорідним хвильовим рівнянням (1), або рівнянням вільних коливань, а зовнішнє збудження - неоднорідним хвильовим рівнянням, або рівнянням вимушених коливань.

З метою пошуку розв’язання хвильового рівняння дискретно-континуальних систем необхідно досягти умови ортогональності власних функцій. Даний етап є найбільш трудомістким для дискретно-континуальних систем, і ця обставина послужила перешкодою для розвитку такого підходу до динамічних моделей. Доведено, що власні функції (1) і (2) не ортогональні для дискретно-континуальних систем, це обумовлено наявністю в розрахунковій схемі зосереджених мас, проте власні функції є ортогональними з вагою. Визначена вагова функція і квадрат норми власних функцій 2n для дільниць валів шпинделя та двигуна.

Далі було розглянуто власні коливання головної лінії прокатного стана, що виникають унаслідок надання їй кутової швидкості через удар прокату об валки, визначено функції кутів закручування

(5)

і крутних моментів внутрішніх зусиль, що виникають в тілі шпинделя при наданні масі кутової швидкості

, (6)

де G- модуль пружності при зсуві;

t – час нестаціонарного процесу прокатки.

Отримані залежності входять в розроблену модель власних коливань головної лінії, що описує рух системи при наданні масі кутової швидкості.

Вимушені коливання головної лінії розглядалися при лінійному характері зміни моменту прокатки, і було отримано залежності, що описують абсолютні кути закручування вала шпинделя та крутні моменти внутрішніх зусиль, що виникають при вимушених коливаннях від дії навантаження при захваті металу валками

, (7)

, (8)

де - момент прокатки;

t0 - час захвата металу валками.

Таким чином, розроблена в роботі дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана включає залежності, що описують її частотні властивості, власні і вимушені крутильні коливання, і дозволяє отримати значення сумарних кутів закручування ( і ) шпинделя і крутних моментів внутрішніх зусиль ( і ), що виникають на валу шпинделя. На рис. 3 наведені сумарні поверхні кутів закручування (рис. 3а) і крутних моментів (рис. 3б) для вала шпинделя кліті 950.

Рис. 3. Поверхні кутів закручування (а) і крутних моментів (б) на валу шпинделя

Коректність дискретно-континуальної моделі головної лінії і отриманих результатів розрахунку динамічного моменту для кліті 950 доведена визначенням динамічного відгуку системи на навантаження за допомогою МСЕ. Момент внутрішніх зусиль, отриманий на основі аналізу методом скінченних елементів відрізняється на 1,46% від моменту, розрахованого за допомогою дискретно-континуальної моделі головної лінії. На підставі проведеного розрахунку можна також визначити динамічний коефіцієнт для довільного перерізу вала шпинделя у будь-який момент часу. Так, наприклад, у момент часу захвата 0,117 с в місці з'єднання шпинделя з прокатним валком крутний момент приймає максимальне значення з боку робочої кліті 1,37 МН·м, а динамічний коефіцієнт складає .

Дискретне моделювання за допомогою лінійної механічної системи дає значення динамічного коефіцієнта, занижене на 23% в порівнянні з розрахованим за дискретно-континуальною моделлю.

На підставі аналізу отриманого характеру розподілу крутного моменту по довжині вала шпинделя можна призначити найбільш оптимальне місце розміщення тензодатчиків при проведенні вимірювань.

В розділі 4 “ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ВКЛАДИША УНІВЕРСАЛЬНИХ ШПИНДЕЛІВ” наведені результати експериментального дослідження напружено-деформованого стану вкладишів з метою уточнення закону розподілу контактного тиску.

Для проведення досліджень розроблена лабораторна установка шарніра шпинделя, яка дозволила дослідити напружено-деформований стан вкладишів для шарніра у двох виконаннях: з сухарем і з вузлом, що центрує.

На підставі експериментального лабораторного дослідження деформованого стану низькомодульних і високопластичних моделей вкладиша, а також проведеного промислового експерименту методом штучних баз на кліті 950, встановлено, що закон зміни деформацій носить лінійний характер. Для визначення закону розподілу тиску по поверхні контактуючих елементів шарніра універсального шпинделя необхідно проаналізувати об'ємний напружено-деформований стан вкладишів.

Результати промислового і лабораторного дослідження деформованого стану вкладишів послужили основою скінченно-елементного аналізу їх напружено-деформованого стану, при цьому у якості навантаження були задані деформації. В результаті встановлено, що характер розподілу тиску, який діє на контактній поверхні вкладиша з лопаттю, має нелінійний характер і описується поліноміальною залежністю

(9)

де а, b, с - коефіцієнти полiномiальної залежності;

x – координата довжини вкладиша.

Коефіцієнти полiномiальної залежності розподілу тиску на контактних поверхнях шарніра визначаються наведеним в роботі методом, який базується на умовах рівноваги вкладиша. Графіки розподілу тиску на контактних площинах шарнірів двох конструкцій представлені на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Функції контактного тиску між вкладишем і лопаттю:

а) для шарніра з вузлом, що центрує;

б) для шарніра з сухарем.

Експериментальне дослідження напружено-деформованого стану вкладишів, спрямоване на встановлення характеру його взаємодії з лопаттю, було проведено за допомогою поляризаційно-оптичного експерименту на розробленій лабораторній установці за допомогою вкладишів, виготовлених з фотопружних матеріалів. Поляризаційно-оптичний експеримент проводився на об'ємних зразках методом заморожування. Результатом експерименту виявились поля напружень на контактній поверхні вкладиша з лопаттю.

З метою перевірки адекватності опису закону розподілу контактних напружень за допомогою встановленої поліноміальної залежності був проведений аналіз напружено-деформованого стану моделі вкладиша за допомогою МСЕ. Результати цього дослідження було порівняно з результатами поляризаційно-оптичного експерименту. Встановлено якісний збіг картини полів напружень, отриманих у результаті поляризаційно-оптичного експерименту з скінченно-елементним дослідженням моделі вкладишів шарніра в двох виконаннях (з сухарем і з вузлом, що центрує), виражене в наявності смуги нульових напружень біля проточки під головку шпинделя.

Кількісне порівняння результатів визначення напружень за поляризаційно-оптичним експериментом і методом скінченних елементів встановило розбіжність 9%.

З використанням поліноміальної залежності для вкладишів кліті 950 був проведений скінченно-елементний аналіз об'ємного напружено-деформованого стану вкладишів. Поля напружень в тілі вкладишів наведені на рис.5. Результати розрахунку вкладишів, навантаження на поверхні яких мало вид поліноміальної залежності (рис.5.а), було порівняно з результатами скінченно-елементного аналізу напружено-деформованого стану вкладишів, навантаження для яких було задано за лінійним законом розподілу контактного тиску (поля напружень на рис.5.б).

Рис. 5. Поля еквівалентних напружень в тілі вкладишів, навантажених тиском, розподілених за поліноміальним законом (а) і за лінійними законами (б)

Порівнюючи результати розрахунків, вирішено, що нульова лінія 0, яка встановлена за результатами поляризаційно-оптичного експерименту, спостерігається лише при моделюванні навантаження на поверхні вкладиша з використанням поліноміального закону і не виявляється при лінійному законі розподілу тиску. Це підтверджує достовірність опису контактних напружень по площині контакту вкладиша з лопаттю поліномом третього ступеня. Запропонований поліноміальний закон розподілу контактного тиску дозволяє уточнювати значення і плече рівнодіючої сили тиску для проведення розрахунку на міцність елементів універсального шпинделя.

На рис. 5 наведено характер зміни напружень в тілі вкладишів, який якісно не міняється для двох конструкцій шарніра. Значення максимальних еквівалентних напружень max на периферійних дiльницях вкладишів наведені в таблиці 2. Кількісне порівняння еквівалентних напружень з урахуванням різних законів зміни контактного тиску (табл. 2) показує, що при описанні контактного тиску лінійними законами значення напружень в тілі вкладиша нижче практично в два рази в порівнянні з поліноміальним законом. Цим може бути пояснена занижена безвідмовність вкладишів.

Таблиця 2

Порівняння максимальних еквівалентних напружень (МПа) з урахуванням різних законів зміни контактного тиску

Конструкція

шарніра |

Закон зміни контактного тиску

Поліноміальний | Трикутний | Трапецеїдальний

шарнір з сухарем | 252,1 | 145,72 | 110,3

шарнір з вузлом, що центрує | 198,35 | 108,98 | -

На підставі проведеного аналізу напружено-деформованого стану вкладишів було встановлено, що вкладиш шарніра з вузлом, що центрує менш навантажений (до 25% знижуються максимальні еквівалентні напруження в тілі вкладиша), ніж вкладиш шарніра з сухарем. Це пояснюється меншою площею контакту через проріз в лопаті під сухар шарніра. Для підвищення терміну служби у роботі приведені рекомендації по розміщенню отвору і розводки змащувальних канавок на поверхні вкладиша, що контактує з лопаттю, з лінії нульових напружень.

В розділі 5 “ОЦІНКА БЕЗВІДМОВНОСТІ УНІВЕРСАЛЬНИХ ШПИНДЕЛІВ І РЕКОМЕНДАЦІЇ ПО ПРАКТИЧНОМУ ВИКОРИСТОВУВАННЮ ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ” обґрунтовано можливість використовування моделі “несуча здатність–навантаження” для оцінки вірогідності безвідмовної роботи універсального шпинделя. Виконана кількісна оцінка безвідмовності шпинделів двох конструкцій: шарніра шпинделя з сухарем і шарніра шпинделя з вузлом, що центрує, на прикладі кліті 950.

Знайдене значення максимального крутного моменту, використовувалося для знаходження коефіцієнтів поліноміальної залежності, що описує розподіл тиску на контактній поверхні вкладиша з лопаттю і розрахунку плеча рівнодіючої сили. Визначення напружень у вилці, лопаті і валу шпинделя здійснювалося по традиційній методиці і з урахуванням коефіцієнта експлуатації ke, що дозволяє врахувати вплив зазорів і умови тертя в шпинделі.

Універсальний шпиндель можна розглядати як систему з послідовним з'єднанням елементів, тобто безвідмовність шпинделя визначається безвідмовністю його елементів – вилки Рв, лопаті Рл, вкладиша Рвкл і валу Рвл:

(10)

При оцінці вірогідності безвідмовної роботи по моделі “несуча здатність – міцність” прийнято, що закон розподілу (розрахункових) напружень – нормальний. Встановлено, що вірогідність безвідмовної роботи конструкції універсального шпинделя з вузлом, що центрує вище, ніж в конструкції шпинделя з сухарем, і відповідає необхідному рівню безвідмовності прокатного устаткування 0,9-0,95. Показано, що зміна конструкції шпинделя дозволяє підвищити його вірогідність безвідмовної роботи на 58 %.

Розроблено алгоритм пошуку напрямів підвищення безвідмовності шпинделя, що базується на використовуванні дискретно-континуальної моделі опису навантажень головної лінії прокатної кліті; поліноміальної залежності, що описує розподіл тиску на поверхні контакту вкладиша і лопаті та моделі “несуча здатність – навантаження” для оцінки вірогідності безвідмовної роботи шпинделя. Першочерговою задачею в алгоритмі є розробка і практичне застосування науково-обґрунтованих методів розрахунків надійності устаткування на стадії проектування. Алгоритм може виступати логічною основою автоматизованої системи проектування шпинделів і дозволяє обґрунтовано ухвалювати конструктивні рішення на етапі проектування шпинделів, відповідаючи необхідному рівню безвідмовності.

ВИСНОВКИ

В роботі проведено моделювання нестаціонарних процесів в головній лінії прокатного стана на підставі розробленої дискретно-континуальної моделі, встановлено характер розподілу зусиль на елементи шарніра, проведена оцінка безвідмовності універсального шпинделя по критерію міцності і призначені шляхи по її підвищенню.

1. На підставі проведених аналітичних досліджень головної лінії робочих клітей прокатних станів з індивідуальним приводом, представленої схемою з дискретними і розподіленими масами, розроблена дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом, що дозволила дати оцінку частотним властивостям головної лінії і визначити внутрішні силові фактори, що виникають в головній лінії прокатного стана в умовах нестаціонарних режимів прокатки.

2. На підставі розробленої дискретно-континуальної моделі визначені власні частоти головної лінії кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)”. Встановлено, що перші частоти, отримані на підставі дискретно-континуальної моделі близькі до експериментальних значень і на 9% нижчі в порівнянні з частотами, отриманими на підставі дискретних моделей.

3. Використовуючи дискретно-континуальну модель, визначено крутний момент внутрішніх зусиль, що виникає в головній лінії кліті 950. Встановлено, що найбільший крутний момент виникає на шарнірі з боку робочої кліті і його значення для часу захвату металу валками досягає 1,37 МН·м, чому відповідає динамічний коефіцієнт .

4. Виконаний експериментальний аналіз характеру розподілу тиску на контактних поверхнях шарніра універсального шпинделя двох конструкцій: традиційної з сухарем і вдосконаленої з вузлом, що центрує. На підставі експериментально встановленого закону розподілу деформацій вкладиша методом скінченних елементів встановлено, що закон розподілу контактних напружень описується поліномом третього ступеня, коефіцієнти якого визначаються з умови рівноваги вкладиша.

5. Експериментально поляризаційно-оптичним методом досліджені поля напружень, що виникають у вкладиші. Проведено скінченно-елементне дослідження моделей вкладишів, навантаження на поверхні яких задано поліноміальним і лінійними законами. Встановлено, що якісний збіг результатів експерименту з результатами скінченно-елементного дослідження виявився тільки для вкладиша, навантаженого тиском, розподіленим за поліноміальним законом (наявність нульової лінії). Кількісне порівняння даних поляризаційно-оптичного експерименту з результатами скінченно-елементного моделювання показало, що якнайменша погрішність (близько 9%) виникає при поліноміальному характері опису контактного тиску.

6. Результати аналізу напружено-деформованого стану вкладишів, на підставі найбільшого крутного моменту внутрішніх зусиль, що діє на шарнірі з боку робочої кліті, визначеного за допомогою дискретно-континуальної моделі головної лінії кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)” і поліноміального закону розподілу контактного тиску, показали, що найбільші еквівалентні напруження виникають у периферії вкладишів. Для шарніра з вузлом, що центрує їх значення становить 198,35 МПа, що на 21,3% нижче, ніж для шарніра з сухарем (252,1 МПа). Використовування шарніра з вузлом, що центрує дозволяє підвищити безвідмовність вкладишів і шпинделя в цілому.

7. Наведені рекомендації до розрахунку і проектування вкладиша ковзання, спрямовані на зниження напружень в тілі вкладиша і дозволяючи підвищити його термін служби шляхом застосування обґрунтованого способу розміщення змащувальних канавок на його поверхні контакту з лопаттю. Встановлено, що вірогідність безвідмовної роботи конструкції шарніра шпинделя з вузлом що центрує вище, ніж в конструкції шарніра шпинделя з сухарем, і відповідає необхідному рівню безвідмовності прокатного устаткування 0,9-0,95. Показано, що напрямами підвищення безвідмовності є заміна матеріалу шпинделя і зміна його конструкції. Заміна матеріалу шпинделя для конструкції шпинделя з шарніром з сухарем дозволяє підвищити вірогідність безвідмовної роботи майже в 2-2,5 рази. Зміна конструкції шпинделя дозволяє підвищити вірогідність його безвідмовної роботи на 58%.

8. Розроблено алгоритм пошуку напрямів підвищення безвідмовності шпинделя, що базується на використанні дискретно-континуальної моделі опису навантажень головної лінії прокатної кліті; поліноміальної залежності, що описує розподіл тиску на поверхні контакту вкладиша і лопаті та моделі “несуча здатність – навантаження” для оцінки вірогідності безвідмовної роботи шпинделя. Алгоритм може виступати логічною основою автоматизованої системи проектування шпинделів і дозволяє на етапі проектування обґрунтовано приймати конструктивні рішення, відповідаючи необхідному рівню безвідмовності.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Основний зміст дисертації опубліковано в періодичних виданнях, затверджених ВАК України, а також в збірках робіт конференцій:

1. Руденко В.И., Нижник Н.В. Гармонический анализ главной линии прокатного стана с индивидуальным приводом // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. научн. тр. – Донецк: ДонГТУ, 2002. - Вып. 23. - С. 116-122.

2. Руденко В.И., Нижник Н.В. Теоретическое исследование крутильных колебаний главной линии прокатного стана с индивидуальным приводом как системы с распределенными параметрами // Наукові праці Донецького національного технічного университету. Серія:”Металургія”.- Донецк: ДонГТУ, 2002.- Вип.66.- С. 113-121.

3. Руденко В.И., Нижник Н.В. Исследование характера взаимодействия элементов шарнира универсального шпинделя скольжения // Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. – Мариуполь, 2003.- Вып. 7.- С. 40-44.

4. Руденко В.И., Нижник Н.В. Анализ нестационарных процессов главной линии прокатного стана как системы с распределенными параметрами // Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. – Мариуполь, 2005. - Вып. 5.- С. 19-23.

5. Руденко В.И., Нижник Н.В. Уточнение закона распределения давлений между контактными поверхностями универсального шпинделя // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. научн. тр. – Донецк: ДонНТУ, 2005.- Вып. 29. – С. 154-159.

6. Руденко В.И., Нижник Н.В. Распределение давлений между контактными поверхностями шарнира скольжения универсального шпинделя // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2005.-№2.-С. 89-91.

7. Нижник Н.В. Модальный анализ главной линии прокатного стана // Вибрация машин: измерение, снижение, защита: Материалы 2-й международной научно-технической конференции в г. Донецке, 25-26 мая 2004 г.- Донецк, 2004.- С.21-25.

8. Нижник Н.В. Моделирование нестационарных режимов работы главной линии прокатного стана // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Материалы 12-й международной научно-технической конференции в г. Ялта, 20-24 сентября 2004 г.- Ялта, 2004.- С.21-25.

9. Руденко В.И., Нижник Н.В. Определение нагрузок в главной линии прокатного стана при нестационарных режимах работы // Теория и практика производства листового проката: Сб. научн. тр. – Липецк: ЛГТУ, 2005.- Ч. 2. – С.109-116.

Особистий внесок здобувача в публікаціях, надрукованих в співавторстві

[1] – розробка скінченно-елементної моделі модального аналізу і розрахунок власних частот коливань, [2] – розв’язання хвильового рівняння, розрахунок внутрішніх силових факторів в тілі шпинделя при крутильних коливаннях, [3], [6] – отримана залежність розподілу тиску на підставі експериментальних і скінченно-елементних дослідженнь характеру взаємодії елементів шарніру, [4] – досліджені зміни закону розподілу тиску на контактних площинах шарніру шпинделя, [5], [9] – виконано моделювання динамічних навантажень, визначені внутрішні силові фактори.

АНОТАЦІЯ

Нижнік Н.В. Підвищення безвідмовності універсальних шпинделів на підставі дискретно-континуальної моделі головної лінії робочих клітей прокатних станів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена розробці дискретно-континуальної моделі головної лінії робочих клітей прокатних станів і оцінці фактичних навантажень на елементи універсального шпинделя для підвищення його безвідмовності.

Визначення внутрішніх силових факторів у дискретно-континуальній системі проводилось шляхом розв’язання хвильового рівняння руху системи методом Фур’є. Отримано частотне рівняння, що дозволяє визначати нескінченну множину власних частот. Встановлені залежності для визначення крутних моментів, на підставі яких можна визначати навантаження у функції довжини валу шпинделя. Проведене зіставлення отриманих значень з експериментальними даними і результатами скінченно-елементного розрахунку свідчить про коректність розробленої моделі головної лінії.

Проведено експериментальне дослідження напружено-деформованого стану вкладиша для двох конструкцій шарнірів універсальних шпинделів: з сухарем і з вузлом, що центрує. Встановлено, що характер розподілу тиску на контактних поверхнях шарніра нелінійний і описується поліномом третього ступеня. Отримана залежність дозволяє уточнювати значення і плече рівнодіючої контактного тиску.

Запропоновані методи визначення фактичних навантажень, а також характеру їх розподілу на контактних поверхнях шарніра виявились основою для проведеної оцінки безвідмовності універсальних шпинделів.

Ключові слова: універсальний шпиндель, динамічні навантаження, крутильні коливання, дискретно-континуальна модель, напружено-деформований стан вкладиша, закон розподілу контактного тиску, безвідмовність.

АННОТАЦИЯ

Нижник Н.В. Повышение безотказности универсальных шпинделей на основе дискретно-континуальной модели главной линии рабочих клетей прокатных станов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.08 - Машины для металлургического производства. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена разработке дискретно-континуальной модели главной линии рабочих клетей прокатных станов и оценке фактических нагрузок на элементы универсального шпинделя для повышения его безотказности.

Расчетная схема главной линии прокатного стана с индивидуальным приводом впервые представлена дискретно-континуальной системой с распределенными и дискретными массами. Определение внутренних силовых факторов в упругих валах главной линии осуществлялось путем решения волнового уравнения движения