Розвиток методів розрахунку формозміни металу та енергосилових параметрів прокатки в калібрах з урахуванням перехрещення валків в горизонтальній площині

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

Спеціальність 05.03.05 «Процеси та машини обробки тиском»

УДК 621.771

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗВИТОК МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ФОРМОЗМІНИ МЕТАЛУ ТА ЕНЕРГОСИЛОВИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОКАТКИ В КАЛІБРАХ З УРАХУВАННЯМ ПЕРЕХРЕЩЕННЯ ВАЛКІВ В ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ

ЄФІМЕНКО ОЛЕКСІЙ

ЮРІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України (НМетАУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, завідувач кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Ніколаєв Віктор Олександрович, професор Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України, м.Запоріжжя,

- кандидат технічних наук Лохматов Олександр Павлович, старший науковий співробітник Інституту чорної металургії НАНУ ім. З.І. Некрасова, Національна академія наук України, м.Дніпропетровськ.

Захист відбудеться «_16_»__червня_2009р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 із захисту дисертацій в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 4.

Автореферат розіслано «_13_» ___травня__2009р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Способом сортової прокатки в калібрах отримують значну частину готової продукції металургійного виробництва. Існуючі технології і устаткування дозволяють виробляти готові вироби придатної якості. Тим не менш, на сучасному рівні техніки і технології прокатного виробництва досить поширені дефекти прокату - “скручування” та “вигин” (“серпіння”), які не завжди піддаються виправленню. Операція виправлення потребує додаткових енергосилових витрат. Однією з причин виникнення такого роду дефектів є непаралельність (перехрещення) осей валків у вертикальній і горизонтальній площинах.

З практики відомо виникнення осьових сил, що діють вздовж осей валків і спричиняють поломки підшипників, коливання енергосилових параметрів прокатки. Перехрещення осей валків призводить до виникнення дефектів прокату, виникнення осьових сил, додаткових енергосилових витрат на процес. Теоретичного методу оцінки осьових сил при прокатці від перехрещення осей валків досі не існувало.

В системі “станина-валки-підшипники-подушки-шпинделі” шпинделі мають відносно велику масу і впливають на взаємодію деталей робочої кліті. Відомо, що у вертикальній площині сила взаємодії шпинделя з валком може сягати значних величин, в залежності від конструкції і параметрів стана, і порівняна з силою прокатки. Взаємодія шпинделів з робочими валками прокатного стана призводить до неконтрольованого перехрещення валків, до змін геометрії осередку деформації. Задачу взаємодії шпинделів і робочих валків в горизонтальній площині не було вирішено.

Відсутність уявлень про вплив перехрещення валків в горизонтальній площині на параметри осередку деформації не дозволяє оцінити в повній мірі формозміну металу в умовах прокатки в калібрах, що призводить до виникнення подовжніх дефектів прокату.

Тому робота, що спрямована на розвиток методів розрахунку параметрів осередку деформації в калібрах з урахуванням перехрещення валків в горизонтальній площині, розвиток методів розрахунку енергосилових параметрів процесу прокатки, розрахунку впливу устаткування на кінематику процесу прокатки, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках програми та відповідної тематики науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском (ОМТ) НМетАУ ДР № 0103U003217, №0106U002225. Автор був виконавцем цієї роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є: на основі виявлення закономірностей формозміни металу при прокатці в калібрах в умовах перехрещення робочих валків в горизонтальній площині розвинути методи розрахунку формозміни металу та розрахунку енергосилових параметрів процесу прокатки в калібрах з урахуванням перехрещення робочих валків в горизонтальній площині.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі:

· дослідити вплив перехрещення валків в горизонтальній площині на зміни геометрії осередку деформації в калібрах;

· експериментально дослідити вплив перехрещення валків в горизонтальній площині на формозміну металу;

· розробити метод розрахунку енергосилових параметрів процесу прокатки з урахуванням перехрещення валків в горизонтальній площині;

· розробити метод оцінки впливу шпиндельних з'єднань на параметри процесу прокатки, геометрію осередку деформації;

· удосконалити конструкцію шпиндельних з'єднань з метою зменшення впливу на процес прокатки та покращення стабільності процесу прокатки;

· експериментально дослідити контактну взаємодію деталей у шарнірі шпинделя;

· удосконалити метод розрахунку шарніра шпинделя;

· використати розробки у виробництві та у навчальному процесі.

Об'єкт дослідження. Процес прокатки в калібрах.

Предмет дослідження. Закономірності впливу перехрещення валків в горизонтальній площині на параметри деформації в калібрах.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском і теоретичної механіки. Експерименти проводилися в лабораторних умовах на стані 150 сортової прокатки. При проведенні досліджень використано сучасні методи дослідження деформованого стану, статистичної обробки даних із застосуванням комп'ютерної техніки, програмного забезпечення фізичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну мають такі перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень:

1. Вперше теоретично і експериментально отримано закономірності впливу перехрещення робочих валків в горизонтальній площині на формозміну металу в умовах прокатки в калібрах.

Вплив перехрещення робочих валків в горизонтальній площині в умовах прокатки в калібрах на формозміну металу раніше не було досліджено.

Отримані дані щодо формозміни дозволили пояснити виникнення подовжніх дефектів (“скручування”, “вигин”) в процесі прокатки в калібрах, розробити теоретичний метод визначення впливу перехрещення валків в горизонтальній площині на виникнення подовжніх дефектів прокату, розробити рекомендації щодо зменшення та запобігання появи дефектів прокату “скручування” та “вигин”.

2. Отримав подальший розвиток теоретичний метод оцінки умов появи подовжніх дефектів прокату “скручування” та “вигин” в процесі прокатки в калібрах.

Розробка відрізняється урахуванням впливу перехрещення осей валків в горизонтальній площині на геометричні параметри осередку деформації в калібрах в умовах усталеного процесу прокатки.

Це дало можливість зробити оцінку схильності різних типів калібрів до виникнення подовжніх дефектів прокату (“скручування”, “вигин”) під час усталеного процесу деформації металу.

3. Отримав подальший розвиток метод розрахунку силових параметрів прокатки в калібрах.

Розробка відрізняється урахуванням перехрещення робочих валків в горизонтальній площині та пов'язаного з тим виникнення ковзання металу відносно поверхні валків.

Це дало можливість уточнити розрахунки силових параметрів прокатки, розрахувати осьові сили при перехрещенні валків, моменти, що призводять до появи дефектів прокату, оцінити та мінімізувати непродуктивні енергетичні витрати.

4. Отримав подальший розвиток метод теоретичної оцінки впливу шпиндельних з'єднань на кінематику процесу прокатки в калібрах.

Розробка відрізняється урахуванням впливу шпиндельних з'єднань на перехрещення робочих валків в горизонтальній площині та геометрію осередку деформації.

Це дозволило зробити теоретичну оцінку впливу шпиндельних з'єднань на кінематику процесу прокатки, геометрію осередку деформації, оцінити кут перехрещення осей валків в горизонтальній площині внаслідок впливу шпинделів.

Практична цінність отриманих результатів. Теоретичні та експериментальні дослідження, виконані в роботі, дозволили:

· оцінити вплив перехрещення робочих валків на геометрію осередку деформації в калібрах;

· пояснити процеси виникнення подовжніх дефектів (“скручування” та “вигину”) при прокатці в калібрах;

· оцінити схильність різних типів калібрів до утворення подовжніх дефектів (“скручування” та “вигину”);

· розробити заходи та рекомендації щодо зменшення та регулювання

процесів скручування та вигину при прокатці в калібрах;

· оцінити вплив шпиндельних з'єднань на перехрещення робочих валків та геометрію осередку деформації;

· розробити заходи та рекомендації щодо виключення негативного впливу шпиндельних з'єднань на процес прокатки;

· удосконалити метод розрахунку шарніра шпинделя на тілах кочення;

· розробити нову конструкцію шпиндельного з'єднання, що покращить стабільність процесу прокатки.

Запропонований в дисертаційній роботі уточнений метод розрахунку шарніра шпинделя, метод розрахунку енергосилових параметрів прокатки з урахуванням перехрещення валків передані для використання на ВАТ “ДМЗ ім.Петровського” (довідка від 22.07.2008р.). Отримано патент на винахід “Універсальний шарнір на тілах кочення” (UA 28864 ).

Розробки, що були виконані в дисертації, використовуються в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ в рамках курсу “Устаткування цехів обробки металів тиском”, при виконанні студентами дипломних проектів і випускних магістерських робіт. Розроблено і використовуються у навчальному процесі методичні вказівки “Розрахунок шпиндельних з'єднань з використанням ПЕОМ” (довідка від 19.01.2009р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, що були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1] - розробка математичної моделі процесу прокатки в системі координат, що рухається, математичний аналіз рівнянь; [2] - структурний аналіз моделі взаємодії шпинделя з валком, математичний аналіз, розрахунки, висновки; [3] - планування, реалізація і обробка експерименту [4] - розробка методу розрахунку моментів, що скручують при перехрещенні валків, висновки, [5] - теоретичний аналіз кінематики взаємодії деталей шарніра.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на: VІ Міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2002); Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 2003); та на об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 4 статтях у спеціалізованих виданнях. Отримано патент на винахід (корисну модель) (UA 28864 ).

Структура й обсяг роботи. Робота складається зі вступу, 4 розділів і висновків по роботі, викладена на 129 сторінках; містить: таблиць 31, рисунків 78, список використаних джерел з 79 найменувань, додатків - 4 .

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми, визначена мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів.

Закономірностям формозміни металу при прокатці в калібрах присвячено багато робіт. Трофімчук В.Д. називає причини виникнення скручування та серпіння - перехрещення осей валків в горизонтальний площині, осьовий сдвиг валків, нерівний обтиск та інші, але не визначає закономірностей виникнення такого роду дефектів. Шеногін В.М. вирішує задачу осьової жорсткості робочої кліті для виключення скручування круглого профілю. Данченко В.М., Григоренко В.У. дослідили умови втрати стійкості і виникнення скручування, звалювання, закономірності стійкості круглої заготовки під час задавання в калібр. Алексеєнко Г.Я. дослідив виникнення осьових сил при прокатці несиметричних сортових профілів. Комаров О.М. вирішив задачу впливу шпиндельних з'єднань на параметри процесу прокатки у вертикальній площині.

В роботі зроблено аналіз дефектів прокату та факторів, що впливають на виникнення подовжніх дефектів прокату - “скручування” та “вигин”. Виявлено, що закономірності впливу перехрещення валків в горизонтальній площині на формозміну при усталеному процесі прокатки в калібрах не досліджено. Також виявлено, що конструктивні особливості робочих клітей, деталей головної лінії прокатного стана, їх взаємодія та функціональний вплив на процес прокатки в горизонтальній площині не було досліджено.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПЕРЕХРЕЩЕННЯ ВАЛКІВ В ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ НА ПАРАМЕТРИ ПРОКАТКИ В ПРОСТИХ КАЛІБРАХ

За допомогою комп'ютерного моделювання в програмному середовищі “T-Flex” (розробник “Топ Системы”, Россия, г.Москва, ліцензія належить НМетАУ), досліджено зміни геометрії осередку деформації, перерозподіл площ контакту заготовки з валками в системах “квадрат-овал”, “квадрат-ромб”, “ромб-квадрат” та “овал-круг” в умовах перехрещення валків в горизонтальній площині. Розглядались окремо “ліва” (Fл) і “права” (Fп) складові площі, які розділені центральною віссю, що співпадає з віссю прокатки. Отримано закономірності зміни площі контакту від кута перехрещення валків Х, зміни співвідношення параметрів lд/bд по "лівій" і "правій" складових контактної площі відповідно. Зміни площ від перехрещення осей валків оцінено коефіцієнтом KX. Зміни співвідношення параметрів lд/bд оцінено коефіцієнтом Klb:

KX = Fл/Fп , (1) Klb = lд/bд.

Отримано функціональні зв'язки (рівняння регресії):

система “квадрат - овал” ,

система “квадрат - ромб”,

система “овал - круг” ,

система “ромб - квадрат” .

Показано, що перехрещення робочих валків в горизонтальній площині призводить до несиметричного перерозподілу площ контакту та їх горизонтальних проекцій, зміну співвідношення lд/bд, що спричиняє зміщення точок прикладання рівнодіючих тиску і виникнення пари сил, які створюють момент, який скручує профіль.

Проведено експериментальне дослідження впливу перехрещення робочих валків на геометрію осередку деформації та виконання профілю в системах витяжних калібрів (рис.1). В умовах перехрещення валків в осередку деформації виникає перерозподіл контактних площ, зміна взаємодії металу з валками порівняно з ідеальним процесом прокатки. В роботі експериментально досліджено виникнення подовжніх дефектів готового профілю, що спричинені перехрещенням валків в горизонтальній площині в умовах прокатки в калібрах. Скручування профілю відносно подовжньої вісі оцінювалось тангенсом кута скручування: tg ш = lоб/L, де lоб - довжина дуги, що пройшла точка на поверхні профілю, L - довжина профілю, що прокатаний.

Отримано емпіричні функції (рівняння регресії), що дозволяють оцінити величини скручування Ш профілю по куту перехрещення валків Х.

Скручування для овального калібру (заготовка - квадрат):

,

скручування для круглого калібру(заготовка - овал):

скручування для ромбічного калібру(заготовка - квадрат):

,

скручування для квадратного калібру(заготовка - ромб):

.

Експериментальна прокатка показала, що внаслідок перехрещення валків проявляються дефекти прокату “скручування” і “серпіння”. В калібрах зі співвідношенням b/h=1 (“квадрат”, “круг”) в більшій мірі проявився дефект “скручування”, а в калібрах зі співвідношенням b/h>1 (“ромб”, “овал”) в більшій мірі проявився дефект “серпіння”. Подовжній вигин в горизонтальній площині (“серпіння”) оцінені стрілою прогину Д(мм) на одиницю довжини.

Таким чином, показано, що виникнення подовжніх дефектів прокату скручування і вигин обумовлено перехрещенням валків в горизонтальній площині.

ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГОСИЛОВИХ І КІНЕМАТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОКАТКИ В УМОВАХ ПЕРЕХРЕЩЕННЯ ВАЛКІВ В ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ

Проведено теоретичне дослідження перерозподілу сил і моментів прокатки в умовах перехрещення робочих валків.

В умовах перехрещення валків в горизонтальній площині в осередку деформації вектор швидкості металу та вектори лінійної швидкості поверхонь робочих валків не співпадають в загальному випадку. Як наслідок, виникає ковзання металу відносно валків:

,

Vск - вектор швидкості відносного ковзання; Vв - вектор лінійної швидкості валка; Vм - вектор лінійної швидкості металу.

Це призводить до розкладання вектора сили прокатки на корисну складову, яка утворює момент прокатки, що діє в напрямку прокатки (вісь x), і складову, яка відхилена від напрямку прокатки і спрямована уздовж вісі валка (вісь z) та утворює момент, який скручує метал і призводить до втрати потужності.

Отримано рівняння щодо визначення кута відносного ковзання металу tgвЦ:

,

де Х - кут перехрещення валка; Ц - поточний кут, що визначає перетин осередку деформації; h1 - кінцева товщина штаби; R - радіус валка; S - випередження;

швидкості відносного ковзання Vск:

,

де цм - кут між вектором швидкості металу та віссю прокатки;

дотичної осьової сили Tz , що діє вздовж вісі валка і визначається з урахуванням кута відносного ковзання вЦ :

де f - коефіцієнт тертя; рср - нормальне контактне напруження; В - ширина штаби; R - радіус валка; вЦ - поточний кут відносного ковзання.

Показано, що в умовах перехрещення робочих валків виникає осьова сила Tz, яка утворює момент, що скручує профіль:

,

де hср = (h0+h1)/2 - середня висота штаби.

Виконано аналіз співвідношення осьової сили Tz до сили прокатки:

.

Сила Tz спрямована вздовж вісі валка і впливає на підшипники, подушки, та інші деталі робочої кліті. В залежності від кута перехрещення валків в горизонтальній площині, геометрії осередку деформації, коефіцієнту тертя на контакті в осередку деформації сила Tz сягає до 20% від сили прокатки P (рис.2). деформація метал шпиндельний прокатка

Силові умови виникнення скручування металу оцінено перерозподілом сил в осередку деформації, моментом, що скручує:

,

де Pл = рср Fл - частка сили прокатки, що діє в “лівій” частини калібру;

Pпр = рср Fпр - частка сили прокатки, що діє в “правій” частини калібру;

aX = bк/2 - плече моменту, що скручує,

і параметром “момент, що утримує”:

,

де Pпр - сила прокатки, Wпрпл - момент опору пластичний, Fк - площа контакту металу з валком; а також співвідношенням: Ks=Мскр /Мутр (рис. 3). (19)

Аналіз показав, що момент, який скручує, утворюється з двох складових - від сили тертя (15) та від перерозподілу площ (17), які діють в одному напрямку.

Порівняльний аналіз змін параметру Ks та експериментальних даних по скручуванню профілю (tg ш) в залежності від кута перехрещення валків показав, що між ними існує кореляційний зв'язок : для систем ”ромб - квадрат” 0,986; “овал - круг” 0,977; “квадрат-ромб” 0,859; “квадрат-овал” 0,646 відповідно. Параметр Ks відображає відносний рівень моменту, що скручує і може бути використаний для опосередкованої оцінки величини скручування металу в даному калібрі.

Для оцінки схильності конкретного калібру до скручування металу в умовах перехрещення валків в горизонтальній площині пропонується коефіцієнт Km :

,

де KX - коефіцієнт несиметричності площі контакту від перехрещення валків;

aX - плече моменту, що скручує; Fпп - площа поперечного перерізу штаби; Kbh - коефіцієнт співвідношення b/h калібру; Wскр - момент опору пластичний.

В кожній системі “заготовка-калібр” коефіцієнт Km сягає певного рівня і дозволяє уточнити величину скручування металу в даному калібрі.

РОЗРОБКА ЗАХОДІВ ЩОДО ЗМЕНШЕННЯ НЕКОНТРОЛЬОВАНОГО ПЕРЕХРЕЩЕННЯ ВАЛКІВ В ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ

Проаналізовано причини перехрещення робочих валків. Виявлено, що наряду з іншими причинами (збільшення зазорів, ударні навантаження, абразивне зношення в деталях) суттєвим є вплив шпиндельних з'єднань.

Аналіз існуючих конструкцій шпиндельних з'єднань показав (рис.4), що всі відомі конструкції мають недолік - внаслідок збільшення зазорів в місцях посадки на хвостовиках робочих і шестерних валків, на відстанях с1, с2, виникають "хибні" шарніри, що призводить до виникнення ексцентриситету р вала шпинделя, биття шпинделів і виникнення сил, які діють на хвостовики робочих валків. Вказані явища призводять до зрушень валків в межах монтажних (експлуатаційних) зазорів та пружних деформацій деталей робочої кліті. В системі “станина-валки-підшипники-подушки-шпинделі” шпинделі мають порівняно велику масу та спричиняють перехрещення робочих валків. Зрушення валків призводять до зміни геометрії осередку деформації, перерозподілу контактної площі між валками і металом. У зв'язку з цим виникає потреба визначення впливу шпиндельних з'єднань на перехрещення робочих валків (з урахуванням взаємодії деталей робочої кліті в межах пружних деформацій), на геометрію осередку деформації, визначення параметрів процесу прокатки з урахуванням перехрещення робочих валків, розробки конструкції шпиндельних з'єднань, які зменшують вказані негативні явища. Теоретично досліджено і визначено вплив параметрів шпиндельних з'єднань на робочі валки та умови виникнення перехрещення робочих валків у горизонтальній площині. Внаслідок виникнення ексцентриситету на шпинделі виникає відцентрова сила:

,

що діє перпендикулярно вісі вала шпинделя, яку можна розкласти на складові Pцy і Pцx. Складова Pцy відцентрової сили діє на хвостовики робочих і шестерних валків і призводить до зрушень валків в межах експлуатаційних зазорів і пружної деформації деталей робочої кліті (станини), що викликає перехрещення робочих валків.

Вирішена задача визначення руху робочих валків (перехрещення валків) в горизонтальній площині від впливу шпинделів (рис.5).

Вирішено рівняння Лагранжа 2-го роду відносно кута перехрещення валка:

.

Враховано mш - маса шпинделя, aц - доцентрове прискорення, - кут повороту валка, щ - швидкість обертання валка, t - час;

миттєві переміщення хвостовиків валка:

x1 = l1 Ч ,(23); x2 = (L- l1) Ч

де L - довжина робочого валка, l1 - відстань до центра перехрещення;

сили пружності в опорах:

Fупр1 = с x1 , (25);Fупр2 = с x2 .

де с - жорсткість станин у горизонтальному напрямку,

Сили тертя в опорах:

,(27); ,

де fтропор - коефіцієнт тертя в опорах.

Реакції опор:

, .

,

де , , .)

Отримано функціональний зв'язок, який дозволяє оцінити кут повороту вісі робочого валка Ч в горизонтальній площині (перехрещення валка) в залежності від параметрів шпиндельного з'єднання (маси, швидкості обертання, ексцентриситету), маси робочого валка, параметрів робочої кліті (жорсткість станини). Рішення рівняння щодо визначення кута повороту вісі робочого валка X в горизонтальній площині описує періодичний коливальний рух робочого валка в горизонтальній площині. Рух робочого валка має складний характер і складається з вимушених коливань більшої амплітуди і власних коливань меншої амплітуди (рис.6). Отримані результати підтверджуються відомими експериментальними даними щодо переміщень деталей (подушок) робочої кліті в горизонтальний площині, а також отриманими в лабораторії ОМТ НМетАУ.

Проведено експериментальне дослідження взаємодії на контакті між тілом кочення та циліндричним пазом в шарнірі шпинделя.

Прогресивною на теперішній час конструкцією шпиндельних з'єднань є шпиндельні з'єднання з шарнірами на тілах кочення (УКШ - універсальний кульовий шарнір, і УРШ - універсальний роликовий шарнір), в яких обертовий момент передається контактними парами “тіло кочення (куля або ролик) - циліндричний паз”. Від фактичної величини площі контакту, що утворюється при взаємодії тіл кочення з пазами, залежить рівень напруг в деталях, розміри, маса, кількість тіл, що входять у взаємодію, навантажувальна спроможність шарніра шпинделя, загальна маса шпинделя. Для розрахунків контактної взаємодії досі застосовувалась теорія Герца. Теорія Герца передбачає навантаження тіл, що контактують по нормалі до площі контактної взаємодії, та симетричну контактну поверхню (симетричний еліпс). Але відомо, що в реальному шарнірі типу УКШ/УРШ характер навантаження тіл кочення відбувається нецентрально, під кутом близько 30є, та контактна площа взаємодії не є симетричною. Теорії для розрахунку напружень на контакті при нецентральному навантаженні досі не розроблено. Для оптимізації конструкції шпинделів типу УКШ/УРШ з метою зменшення впливу шпинделів на робочі валки, зменшення маси шпинделя, потрібен уточнений розрахунок контактної взаємодії тіл кочення з циліндричними пазами. З метою уточнення методики розрахунку контактної взаємодії тіл у шарнірі шпинделя експериментально досліджено контактну взаємодію тіл кочення в циліндричному пазу. Тіла кочення, кулі та ролики трьох типорозмірів (утворюючий радіус 30 мм, 50 мм, 76,2 мм) були навантажені силою,спрямованою нормально до контактної площини, та зімітовано навантаження силою, спрямованою під кутом 30є. Отримано симетричні та несиметричні відбитки площі контакту, відповідно. При нецентральному навантаженні площа контакту розповсюджувалась на край циліндричного паза і не утворювала симетричний еліпс. Розраховано середні контактні напруження. У випадку нецентрального навантаження, під кутом 30є, відповідно, контактні напруження зростали більш інтенсивно порівняно з центральним навантаженням. Розраховані по площам середні контактні напруження перевищували напруження, визначені з використанням теорії Герца.

Отримано поправочний коефіцієнт відмінності контактних напружень для нецентрального навантаження Kp, який показує що контактні напруження при нецентральному навантаженні в середньому на 32% більші, чим теоретично визначені з використанням теорії Герца. Коефіцієнт Kp введено в уточнений метод розрахунку шарнірів шпинделів, що дозволило розробити нову конструкцію шпиндельних з'єднань.

Розроблена нова конструкція шпинделів (рис. 7), шарніри яких забезпечують регульовану обертову пружність (патент № UA 28864). Розроблені рекомендації щодо налаштування устаткування робочих клітей прокатних станів з метою виключення виникнення подовжніх дефектів прокату - скручування та вигину, в простих калібрах. Розроблена конструкція шпинделів нової кінематичної схеми, яка виключає виникнення ексцентриситету шпинделя, та пов'язаного з цим биття шпинделів. Нова конструкція передбачає шарніри, що розташовуються безпосередньо на хвостовиках робочих і шестерних валків. Розроблено рекомендації щодо зменшення впливу роботи шпинделів на процес прокатки.

ВИСНОВКИ

В дисертації отримано теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у розвитку методів розрахунку формозміни металу та енергосилових параметрів процесу прокатки в калібрах з урахуванням перехрещення валків в горизонтальній площині, а також методів оцінки впливу параметрів шпиндельних з'єднань на параметри процесу прокатки. Вирішення поставленої науково-технічної задачі дає можливості уникнення появи подовжніх дефектів прокату (“скручування”, “серпіння”), покращення стабільності процесу прокатки, зменшення долі браку готової продукції прокатного виробництва, зменшення енергосилових витрат на отримання бездефектної продукції.

1. На основі аналізу існуючого рівня теорії, технології і практики процесу прокатки в калібрах встановлено, що дослідження, які спрямовані на визначення закономірностей формозміни металу при прокатці в калібрах в умовах перехрещення валків в горизонтальній площині, розрахунок енергосилових параметрів процесу прокатки в калібрах з урахуванням перехрещення валків, визначення впливу параметрів і роботи устаткування (шпиндельних з'єднань) на кінематику процесу прокатки, є актуальними.

2. Вперше теоретично і експериментально визначено закономірності впливу перехрещення робочих валків в горизонтальній площині на формозміну металу в осередку деформації в умовах прокатки в калібрах. Отримані дані дозволили пояснити виникнення процесів скручування і вигину профілю в процесі прокатки в калібрах. Так, встановлено, що на процеси перерозподілу деформацій в калібрах впливають перерозподіл площ контакту металу з валками та співвідношення параметру lд/bд по “лівий” і “правій” частинах калібру. При перехрещенні валків 2є, скручування профілю, оцінене тангенсом кута скручування tgш, в калібрах “круг” і “ребровий квадрат” становило 0,166 і 0,204 , відповідно, і в калібрах “овал” і “ромб” 0,052 і 0,013, відповідно.

3. Отримав подальший розвиток теоретичний метод оцінки умов появи процесів скручування та вигину для усталеного процесу прокатки в калібрах. Розроблено рекомендації щодо зменшення та запобігання прояви дефекту прокатки “скручування” та “вигин” (“серпіння”). Так встановлено, що до процесів скручування більше схильні калібри з співвідношенням осей b/h = 1 (круг, ребровий квадрат). До “серпіння” більше схильні калібри з співвідношенням осей b/h >1 (овал, ромб).

4. Отримав подальший розвиток метод розрахунку енергосилових параметрів прокатки в калібрах. Розроблено метод розрахунку моментів, що призводять до виникнення подовжніх дефектів прокату “скручування” і “вигин” в умовах перехрещення валків в горизонтальній площині. Запропоновані коефіцієнти Ks=Мскр/Мутр , Km, що дали можливість зробити оцінку схильності різних типів калібрів до скручування та вигину профілю. Розроблено метод розрахунку осьових сил, що виникають в умовах перехрещення валків. Так, теоретично розрахована величина осьової сили, що виникає внаслідок перехрещення валків в горизонтальній площині, сягає 20% від сили прокатки, що підтверджується практичними даними.

5. Отримав подальший розвиток метод теоретичної оцінки впливу параметрів шпиндельних з'єднань на кінематику процесу прокатки в калібрах. Це дозволило зробити теоретичну оцінку впливу роботи і параметрів шпиндельних з'єднань на кінематику прокатки, геометрію осередку деформації, оцінити кут перехрещення осей валків, перерозподіл контактної взаємодії металу й інструмента (сил, площ) в осередку деформації внаслідок впливу шпинделів. Так розрахунок за запропонованою методикою показує, що в залежності від конструкції прокатного стана, мас вузлів і деталей головної лінії, швидкісного режиму прокатки кут перехрещення валків в горизонтальній площині може коливатись в межах 0є...2є.

6. Отримани нові експериментальні дані по контактній взаємодії тіл подвійної кривизни в умовах роботи шарніру шпинделя на тілах кочення прокатного стана. Отримані дані показують, що напруження на контакті тіла кочення в реальному шарнірі шпинделя, в середньому, на 32% більші від теоретично розрахованих з використанням теорії Герца. Це дозволило уточнити метод розрахунку напружень на контакті і навантажоспроможності тіла кочення шарніра шпинделя прокатного стана, розробити конструкцію шпиндельного з'єднання з новою кінематичною схемою, що виключає негативний вплив на кінематику процесу прокатки (патент № UA 28864 ) .

7. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, у тому числі уточнена методика розрахунку шарнірів шпинделя, розрахунок енергосилових параметрів прокатки з урахуванням перехрещення валків, нова конструкція (проект) шпиндельного з'єднання, передані для використання на ВАТ "ДМЗ ім. Петровського" (довідка від 22.07.2008р.).

8. Результати роботи використані на кафедрі ОМТ НМетАУ у навчальному процесі (довідка від 19.01.2009р.)

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО В РОБОТАХ

1. Комаров А.Н. Определение момента прокатки при перекошенных валках / А.Н.Комаров, А.Ю.Ефименко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - №4. -С.60-61.

2. Чигиринский В.В. Исследование влияния работы шпинделей на механические колебания отдельных деталей рабочей клети / В.В.Чигиринский, А.Ю.Ефименко, А.А.Самсоненко // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - №8-9. - С.244-248.

3. Ефименко А.Ю. Экспериментальное исследование влияния перекоса рабочих валков и перемещений деталей рабочей клети в полях зазоров на геометрию и выполнение профиля при сортовой прокатке / А.Ю.Ефименко // Сучасні проблеми металургії. - 2005. - Т.8. - С.370-371.

4. Єфіменко О.Ю. Силові умови виникнення повздовжніх дефектів прокату / О.Ю.Єфіменко, Л.Ф.Машкін, В.М.Данченко // Металл и литьё Украины. - 2008. - №11-12. - С.65-68.

5. Патент № (19)UA 28864 Україна, МПК В 21 В 35/14 (2006.01). Універсальний шарнір на тілах кочення / Галіцкий В.П., Машкін Л.Ф., Єфіменко О.Ю.; заявник і патентовласник Національна металургійна академія України. №UA 2007 09053; зявл. 06.08.2007; опубл. 25.12.2007, Бюл. №21.

АНОТАЦІЯ

Єфіменко О.Ю. Розвиток методів розрахунку формозміни металу та енергосилових параметрів прокатки в калібрах з урахуванням перехрещення валків в горизонтальній площині. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертація присвячена визначенню закономірностей формозміни металу в осередку деформації при прокатці в калібрах в умовах перехрещення валків в горизонтальній площині, впливу роботи і параметрів шпиндельних з'єднань на параметри процесу прокатки, удосконаленню методів розрахунку енергосилових параметрів прокатки, параметрів шпиндельних з'єднань. Використання визначених закономірностей дозволить виключити виникнення дефектів прокату “скручування” та “вигин” та невиробничі енерговитрати, пов'язані з такими дефектами, удосконалити конструкцію шпиндельних з'єднань, зменшити вплив шпинделів на процес прокатки, покращити стабільність процесу прокатки.

Ключові слова: прокатка в калібрах, перехрещення валків, подовжні дефекти прокату, шпиндельні з'єднання, контакт, напруження.

Ефименко А.Ю. Развитие методов расчета формоизменения металла и энегросиловых параметров прокатки в калибрах с учетом перекрещивания валков в горизонтальной плоскости. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2009.

Диссертация посвящена определению закономерностей формоизменения металла в калибрах, влияния перекрещивания рабочих валков в горизонтальной плоскости на геометрию очага деформации, влияния работы и параметров шпиндельных соединений на геометрию очага деформации, развитию методов расчета энергосиловых параметров прокатки, а также усовершенствованию метода расчета шпиндельных соединений. Использование полученных закономерностей позволит исключить появление дефектов проката "скручивание" и "серпение" и непроизводительных энергосиловых затрат, связанных с такими дефектами, усовершенствовать конструкцию шпиндельных соединений, снизить их влияние на процесс прокатки, улучшить стабильность процесса прокатки, стабилизировать параметры процесса прокатки.

В теоретической части исследовано влияние перекрещивания валков на геометрию очага деформации в условиях прокатки в калибрах, влияние параметров шпиндельных соединений на кинематику очага деформации, взаимодействие деталей в системе "шпиндели - рабочие валки - станины" прокатного стана. Также разработан метод расчета силы и момента прокатки в условиях перекрещивания валков с учетом появления вектора скольжения металла относительно валков.

В экспериментальной части исследовано влияние перекрещивания валков в горизонтальной плоскости на формоизменение металла в калибрах (квадрат, ромб, овал, круг), появление продольных дефектов проката.

Также проведено исследование контактного взаимодействия тела качения с цилиндрическим пазом в условиях нецентрального нагружения. Уточнен расчет контактной задачи взаимодействия тел двойной кривизны.

Полученные результаты позволили объяснить процессы скручивания и изгиба профиля в процессе прокатки в калибрах, дать рекомендации по их минимизации, оценить влияние шпиндельных соединений на геометрию очага деформации и параметры процесса прокатки, рассчитать енергосиловые параметры прокатки с учётом возможного перекрещивания валков в горизонтальной плоскости, оптимизировать конструкцию шарнира шпинделя, разработать новую конструкцию шпиндельного соединения.

Ключевые слова: прокатка в калибрах, перекрещивание валков, продольные дефекты прокатки, шпиндельные соединения, контакт, напряжения.

Yefimenko A.Y. Improving of metal deform and force-power parameters calculation methods on horizontal crossing rolls on groove rolling. - Manuscript

The dissertation on competition of a scientific degree of the Candidate of Engineering Science on a speciality 05.03.05. - Processes and machines of forming. National metallurgical academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2009.

The dissertation is devoted to determination metal forming in groove rolling in conditions of rolls crossing, interaction of spindles on rolling stand, rolls, and rolling process, adjusting construction of spindles, that increased accuracy of rolling.

A conditions of longitudinal defects (“screwing” and “sagging”) appearance are researched. An action of rolls crossing, due to spindles influence, on geometry of metal deformation volume and geometry of rod in groove rolling is researched.

An interaction of parts in system "spindles- rolling bearings-rolls boxes - rolls- stand", and action (influence) of spindles on metal deformation volume has researched. Rolling force and moments calculation with rolls crossing worked out is improved in theoretical section.

A contact stress interaction of dual curved bodies in spindles in non central loading is researched in experimental section. Method of calculation of spindle bearing is adjusted.

A providing results make possible adjusting construction of spindles, that dismiss run-out moving (play) of spindles, negative interaction with rolls and increase accuracy of rolling process, let make determination of spindles-rolls interaction, calculate force and moment of rolling with crossing rolls.

Key words: rolling, groove rolling, crossing of rolls, linear defects, spindles, contact, stress.

Размещено на Allbest.ru