Разработка математической модели энергосиловых параметров клети "кварто" стана холодной прокатки и ее компьютерное исследование

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Металлургический факультет

Кафедра МАМЗ

Курсовая работа

по дисциплине:

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБЪЕКТОВ МЕТАЛЛУРГИИ»

На тему:

«РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ КЛЕТИ «КВАРТО» СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ И ЕЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ»

Выполнил: студент группы 9ОМ-31

Гвоздев Д.С.

Проверил: преподаватель

Болобанова Н.Л.

г. Череповец

2009 г.

Тема исследования: провести исследование модели энергосилового расчета клети «кварто» для разных схем привода (через рабочие и опорные валки) и двух вариантов соотношений диаметров бочек валков / на равном режиме прокатки действующего пятиклетьевого стана 1700 ЧерМК ОАО «СеверСталь».

3 вариант.

Режим прокатки полосы размерами 08ПС (и )

Клеть №	Vi,м/с	hi-1,мм	hi ,мм		,МПа	,МПа	,%	,%
1	6,67	2	1,5	0,051	60	171	25	25
2	9,52	1,5	1,05	0,032	171	183	30	47,5
3	13,61	1,05	0,735	0,032	183	196	30	63,3
4	19,44	0,735	0,515	0,031	196	202	29,9	74,3
5	25	0,515	0,4	0,045	202	40	22,3	80

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Особенности клетей «кварто» традиционных конструкций

2. Тенденции развития конструкций рабочих клетей станков холодной прокатки

3. Разработка математической модели энергосиловых параметров четырехвалковой клети холодной прокатки

3.1 Исходные данные

3.2 Параметры, подлежащие определению

3.3 Анализ расчетных схем сил и моментов, действующих на валки 4-ехвалковой клети

3.4 Уравнение равновесия сил и моментов для каждого из валков при двух альтернативных вариантах привода

3.5 Выражения для определения энергосиловых параметров 4-ехвалковой клети для разных схем привода

3.6 Определение параметров двигателя главного привода клети

4. Исследование модели энергосилового расчета 4-ехвалковой клети

4.1 Определение энергосиловых параметров

4.2 Определение моментов мощности двигателей

4.3 Построение гистограмм. Анализ вариантов привода и определение оптимальных соотношений диаметров бочек рабочих и опорных валков

4.4 Исследование условий пробуксовки в межвалковом контакте

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Холоднокатаный стальной лист был и остается одним из видов сортамента черной металлургии, на который сохраняется большой спрос в автомобильной, пищевой промышленности, в строительной индустрии, сельскохозяйственной и других отраслях машиностроения. Однако в структуре этого спроса за последние десятилетия произошли значительные изменения: существенно выросла потребность в особо тонких конструкционных листах (толщиной 0,2 - 0,4 мм) при одновременном ужесточении требований к их качественным показателям - механическим свойствам, чистоте и микрогеометрии поверхности, плоскостности, разнотолщинности. Эти изменения стимулировали выполнение научно-исследовательских и конструкторских работ, направленных на повышение эффективности широкополосных станов холодной прокатки.

Изменения произошли в конце 20 века. Но они лишь частично затронули крупнейшие отечественные широкополосные станы. Для решения этой проблемы необходимо совершенствовать методы расчета и конструирования оборудования, обеспечив их пригодность для определения параметров рабочих клетей нового поколения. Наиболее распространенные в конструкторской практике методики учитывают ряд существенных изменений в конструкции рабочих клетей. В частности, в клетях с приводными опорными валками передача вращения холостым рабочим валкам осуществляется за счет действия между их бочками сил контактного трения 1-го рода (трения покоя), методика расчета которых отсутствовала, т.к. уделяли внимание лишь межвалковому трению 2-го рода (трению качения), а трение 1-го рода (трение скольжения) учитывали только в очаге деформации. В результате не были сформулированы условия, исключающие пробуксовку валков. Поскольку в клетях с холостыми рабочими валками пробуксовка вызывает прекращение процесса прокатки и создание аварийной ситуации, условие недопущения пробуксовки должно быть обязательным элементом энергосилового расчета рабочих клетей нового поколения.

К числу проблем, оказывающих влияние на качество поверхности холоднокатаных полос и эффективность работы широкополосных станов, относятся вибрационные процессы в рабочих клетях, вызываемые резонансными колебаниями отдельных узлов.

Процесс технологии и оборудования станов холодной прокатки требует изменение подхода к профилированию валков. Одна из актуальных задач - сокращение количества используемых шлифовочных профилировок, их унификация для увеличения межперевалочных кампаний, сокращение простоев и стабилизации режимов прокатки.

Прокатка на широкополосных станах очень тонких полос с использованием новых видов СОЖ существенно изменила интенсивность тепловых процессов и характер теплообмена между полосой, валками и охлаждающей жидкостью, что потребовало совершенствования известных методов моделирования теплового режима и определения эффективных параметров систем охлаждения станов холодной прокатки.

1. ОСОБЕННОСТИ КЛЕТЕЙ «КВАРТО» ТРАДИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Основой оборудования широкополосных станов холодной прокатки являются рабочие клети «кварто» с опорными валками большого диаметра () и рабочие валки меньшего диаметра () и массивными станинами закрытого типа, отличающимися большой жесткостью.

На рисунке 1 представлена упрощенная схема клети «кварто». В клетях традиционной конструкции главный привод осуществляется через рабочие валки.

На рисунке 1 бочки рабочих валков 1 контактируют с бочками опорных валков 2, воспринимающими усилие прокатки, возникающее в контакте рабочих валков 1 с полосой 3.

Реактивные силы, уравновешивающие усилие прокатки, возникают между подшипниками 4 верхнего опорного валка 2 и нажимным устройством 5, а также между подушками 6 нижнего опорного валка 2 и механизмом их установки 7. В результате, подшипники и шейки опорных валков воспринимают эти реактивные силы, а шейки рабочих валков оказываются разгруженными от вертикальных сил, вызванных усилием прокатки, и воспринимают горизонтальные силы - силы натяжения полосы, которые на 2 порядка меньше усилия прокатки и уравновешиваются горизонтальными реактивными силами, возникающими в контакте подушек с вертикальными опорными плоскостями 8 отверстий и окон в станинах 9.

Описанная схема обеспечивает клетям «кварто» принципиальные преимущества перед двухвалковыми клетями: с одной стороны - высокую жесткость вертикальной плоскости, создаваемую массивными опорными валками, что позволяет прокатывать полосы с минимальными допусками по толщине, профилю и форме; с другой стороны - возможность прокатывать полосы минимальной толщины благодаря применению рабочих валков с малым диаметром бочки.

Конструкция клетей «кварто», используемых для холодной прокатки, имеет ряд особенностей:

1 Твердость бочки. Рабочие и опорные валки принадлежат к разным группам твердости. Рабочие валки имеют бочку с особо твердым поверхностным слоем (твердость по шкале Шора HSh=90-105 ед.), характеризуемым минимальным износом и незначительными упругими деформациями, без чего невозможна точная прокатка тонких полос. Опорные валки имеют бочку с твердым поверхностным слоем (60-85 HSh) и более мягкой и вязкой сердцевиной. Считается, что соотношение твердости бочек опорного и рабочего валков 0,6-0,8 является оптимальным и наиболее приемлемым при эксплуатации клетей «кварто».

2 Малая жесткость валкового узла горизонтальной плоскости, так как в этой плоскости бочка рабочего валка не имеет опоры. В результате, даже небольшие зазоры между подшипниками, подушками и окнами станин, вызванные допусками подвижных посадок и износом, приводят к горизонтальным смещениям вертикальной осевой плоскости рабочих валков относительно опорных, т.е. рабочие валки оказываются в неустойчивом положении, а их оси могут перекашиваться. Это приводит к негативным последствиям работы клети «кварто»: в валковом узле возникают повышенные вибрации, размер межвалкового зазора подвергается непрогнозируемым колебаниям. Для устранения этих негативных явлений в валковом узле уже на стадии конструирования предусматривают горизонтальное смещение вертикальных осевых плоскостей опорных и рабочих валков относительно друг друга, величину которого необходимо учитывать в энергосиловом расчете.

3 Работа пары «рабочий валок - опорный валок» происходит по принципу фрикционной передачи, в которой одно звено ведущее (приводное), а второе - ведомое (холостое), причем передача вращения от приводного валка к холостому осуществляется силами межвалкового трения 1-го рода - трения покоя. Если силы сопротивления вращению холостого валка превысят силы трения покоя, начинается пробуксовка (трение покоя переходит в трение скольжения), что для стана холодной прокатки является аварийной ситуацией. Учитывая эту особенность работы валкового узла, при расчете главного привода клети «кварто» необходимо определять момент, требуемый не только для осуществления процесса прокатки, но и для вращения без пробуксовки относительно холостого валка.

Кроме того, разработку параметров технологического процесса необходимо вести с проверкой режима прокатки по условию недопущения пробуксовки.

Непрерывные станы холодной прокатки оснащены системами и средствами регулирования толщины, профиля и формы полос. Существуют: системы автоматического регулирования профиля и формы полос (САРПФ), исполнительными механизмами которых служат гидравлические цилиндры изгиба рабочих валков («гидроизгиб»). Основное преимущество гидроизгиба по сравнению с тепловым воздействием секционного охлаждения валков - в его быстродействии, однако при большой длине бочки гидроизгиб достаточно эффективен при исправлении волнистости, но значительно менее эффективен при устранении коробоватости, т.к. усилие гидроизгиба Q слабо воздействует на упругие деформации средней части по длине бочки рабочих валков. Кроме того, секционное регулирование теплового профиля валков с помощью СОЖ, хотя и более инерционно по сравнению с гидроизгибом, однако, в отличие от него, обеспечивает устранение местных искажений профиля и формы полосы на локальных участках, расположенных между серединой и боковыми кромками; система CVC - непрерывно изменяемая кривизна.

2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ КЛЕТЕЙ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Технический прогресс средств регулирования профиля и формы полос происходил параллельно с развитием и совершенствованием конструкций рабочих клетей.

Сейчас существует возможность прокатывать с высокой точностью полосы толщиной до 0,2-0,3 мм, снизились энергозатраты, однако требуется существенное изменение в конструкции рабочих клетей.

Важнейшее из них - перенос главного привода с рабочих валков на опорные, что диктовалось двумя причинами.

В связи с уменьшением в 2-3 раза диаметра бочки соответственно уменьшился диаметр шеек и приводных концов рабочих валков; это привело к существенному росту касательных напряжений от передаваемых крутящих моментов.

Оснащение рабочих валков механизмами встречной осевой сдвижки усложнило конструктивное исполнение деталей и узлов, передающих валкам момент главного привода.

Перенос главного привода на опорные валки решил обе эти проблемы: разгрузил шейки рабочих валков от касательных напряжений, упростил конструкцию их концевых частей, связанных с механизмами осевой сдвижки.

Другое существенное изменение конструкции рабочих клетей заключалось в оснащении их устройствами горизонтальной стабилизации рабочих валков.

Логика совершенствования оборудования станов холодной прокатки, рабочие клети которых оснащены системами осевой сдвижки и горизонтальной стабилизации рабочих валков, привела к появлению, наряду с клетями «кварто», шестивалковых клетей, в которых между опорными и рабочими валками установлен промежуточный валок с диаметром причем . Это позволило уменьшить диаметр бочки рабочих валков до мм , увеличив соотношение свыше 7.

Шестивалковая клеть позволяет прокатывать с высокой точностью стальные полосы толщиной до 0,1-0,15 мм и обладает более широким диапазоном воздействия на форму полосы, чем клети «кварто», но требует больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ 4-ЕХВАЛКОВОЙ КЛЕТИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

3.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходя из конструктивного представления валкового узла, можно составить расчетные схемы сил и моментов, действующих на рабочие валки [схема 3.1] и на опорные валки [схема 3.2].

Указанные расчетные схемы являются основой математической модели взаимосвязанных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров клети «кварто».

Направление и величины межвалковых сил и моментов, составляющие содержание расчетной схемы, существенным образом зависят от схемы главного привода. Клети данного типа приводятся чаще всего через рабочие валки. В 4-ехвалковых клетях с диаметром рабочих валков не более 200-300 мм, главный привод через рабочие валки не применяют, т.к. в шейках этих валков при передаче моментов прокатки возникают опасные для их прочности напряжения кручения. В соответствии с этим, необходимо рассматривать и анализировать 2 альтернативные рабочие схемы [схема 3.1 и схема 3.2]. На этих схемах, относящихся к режиму работы клети с постоянной скоростью, приняты следующие обозначения, являющиеся исходными данными для расчета силы моментов, действующих на валки.

Группы:

1 Конструктивные пары:

- диаметр рабочих и опорных валков соответственно;

- длины бочек. = 1700мм, = 1600мм;

- радиусы кругов трения подшипников рабочего и опорного валков.

 ; ;

, - коэффициенты трения подшипников рабочего и опорного валков, определяемые типом подшипников и свойствами смазки.

,- рабочие диаметры подшипников рабочего и опорного валков.

Подшипники прокатных валков воспринимают высокую опорную нагрузку. В настоящее время для холодной прокатки принимают подшипники 2 видов:

- подшипники жидкостного трения (ПЖТ) (для опорных валков);

- подшипники качения (для рабочих валков).

Под рабочим диаметром подшипников качения подразумевают диаметр условной окрестности, проходящей через оси тел качения или пересекающие эти оси.

Под рабочим диаметром ПЖТ подразумевают диаметр цилиндрической поверхности, по которой происходит скольжение втулки цапфы относительно втулки вкладыша.

Диаметр шейки валков с подшипниками качения и ПЖТ:

- диаметр бочки.

Тогда рабочий диаметр подшипника (по каталогу):

- величина горизонтального смещения рабочего валка по направлению прокатки (5мм).

Зная смещение, геометрически вычисляется угол наклона к вертикальной плоскости, проходящей через оси рабочего и опорного валков: .

2 Технологические параметры:

- толщина полосы на входе и на выходе из валков соответственно.

- скорость полосы на выходе из клети (max=2530м/с).

,- силы заднего и переднего натяжения полосы.

- коэффициент трения в очаге деформации, определяемый функцией свойств смазочно-охлаждающей жидкости, шероховатости валков и режима прокатки.

3 Энергосиловые параметры:

Р - усилие прокатки; N_пр. - мощность прокатки.

- плечо усилия прокатки;

- угловая скорость рабочего валка.

К исходным данным относятся: плечо m - плечо трения качения между рабочим и опорным валками. Это расстояние, на которое смещается точка приложения межвалковой силы от середины площадки контакта валков в сторону, противоположную направлению их вращения.

, b-половина ширины площадки контакта между рабочим и опорным валками; k-коэффициент плеча трения качения; k=0,020,1

Формула Беляева-Герца:

модули упругости; - коэффициент Пуассона; ;

= 0,3.

Погонная нагрузка: ; P=0,06-0,14; коэффициент трения покоя в межвалковом контакте, характеризующий способность приводного валка осуществлять без пробуксовки вращение холостого валка по принципу фрикционной передачи.

3.2 ПАРАМЕТРЫ, ПОДЛЕЖАЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЮ

- межвалковая сила, действующая между рабочим и опорными валками;

- угол наклона межвалковой силы к линии, соединяющей оси рабочего и опорного валков.

- момент главного привода, приведенный к оси рабочего валка (половина суммарного приведенного момента рабочей клети);

плечи межвалковой силы относительно рабочего и опорного валков;

- суммарное усилие, действующее на шейки рабочего и опорного валков в качестве реакций, возникающих в подушках и подшипниковых опорах под влиянием рабочих нагрузок, как было показано при описании [п.1] конструкции клети, сила направлена горизонтально, а сила .

воспринимается опорными плоскостями стоек стана, а - нажимными устройствами.

3.3 АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ СИЛ И МОМЕНТОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ВАЛКИ 4-ЕХВАЛКОВОЙ КЛЕТИ

При анализе равновесия валков следует учитывать ряд положений, касающихся направлений действия усилий прокатки Р межвалковой силы и опорной реакции .

Сила , действующая со стороны полосы на рабочий валок в очаге деформации, представляет собой равнодействующую двух сил: усилия прокатки Р и разности сил заднего и переднего натяжения: . При этом усилие прокатки остается вертикальным, а отклоняется от вертикали сила .

В зависимости от того, какие валки являются приводными - рабочие или опорные, сила направлена с разных сторон относительно оси вращения каждого валка. Это вытекает из анализа равновесия приводного и холостого валков: для холостого валка сила является движущей, а для приводного - одной из рабочих нагрузок.

В клети с приводными рабочими валками сила , действующая на опорный валок, является для него движущей силой, следовательно, при постоянной скорости прокатки она проходит по касательной к кругу трения в его подшипниках, создавая момент . При этом реактивная сила , возникающая в подшипниках холостого опорного валка, направлена по линии действия силы противоположно этой силе, так как только такое направление обеспечивает выполнение условия равновесия опорного валка.

3.4 УРАВНЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ СИЛ И МОМЕНТОВ ДЛЯ КАЖДОГО ИЗ ВАЛКОВ ПРИ ДВУХ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТАХ ПРИВОДА

Исходя из выше изложенного, уравнения равновесия сил и моментов для каждого из валков имеют вид, представленный в таблицах 3.1 и 3.2.

Межвалковая сила направлена так, чтобы обеспечивался процесс прокатки. Межвалковая сила для рабочего валка является движущей. Это полезная нагрузка. А для опорного валка - рабочей нагрузкой.

Таблица 3.1 (при приводных рабочих валках)

вид уравнения	рабочий валок	опорный валок
равновесие моментов
равновесие горизонтальных сил
равновесие вертикальных сил

Таблица 3.2 (при приводных опорных валках)

вид уравнения	рабочий валок	опорный валок
равновесие моментов
равновесие горизонтальных сил
равновесие вертикальных сил

3.5 ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ

4-ЕХВАЛКОВОЙ КЛЕТИ ДЛЯ РАЗНЫХ СХЕМ ПРИВОДА

С помощью уравнений равновесия и расчетных схем можно получить выражение для определения энергосиловых параметров. Эти выражения приводятся в таблицах 3.2 и 3.3 в последовательности, определяющей алгоритм нахождения энергосиловых параметров для приводных рабочих и опорных валков.

Таблица 3.2 (приводные валки - рабочие)

1 Угол наклона силы к плоскости, проходящей через оси опорного и рабочего валков:

2 Величина межвалковой силы и реактивной силы в подшипниках опорного валка:

3 Плечо силы относительно оси рабочего валка:

4 Плечо силы относительно оси опорного валка:

5 Реакция в подшипниках рабочего валка:

6 Момент, необходимый для вращения приводного валка:

7 Условия отсутствия пробуксовки валков:

Таблица 3.3 (приводные валки - опорные)

1 Угол наклона силы к плоскости, проходящей через оси опорного и рабочего валков:

2 Величина межвалковой силы и реактивной силы в подшипниках опорного валка:

3 Плечо силы относительно оси рабочего валка:

4 Плечо силы относительно оси опорного валка:

5 Реакция в подшипниках рабочего валка:

6 Момент, необходимый для вращения приводного валка:

7 Условия отсутствия пробуксовки валков:

клеть кварто станок прокатка энергосиловой

3.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ ГЛАВНОГО ПРИВОДА КЛЕТИ

Для определения параметров двигателя главного привода клети вычисляют момент на валу двигателя:

где - суммарный рабочий момент, необходимый для вращения двух приводных валков с постоянной скоростью, равный или . Зная и , определяем из 6-го пункта таблицы (выражение энергосиловых параметров) и передаточное число редуктора главного привода, передачи от главного привода к валкам.

- момент холостого хода; - динамический момент.

Мощность двигателя связана с моментом соотношением:

Изложенные выше расчетные схемы и формулы в совокупности представляют собой математическую модель энергосиловых параметров клети «кварто», которую можно использовать для расчета клетей и технологических режимов работы в составе НШХСП.

С помощью этой модели можно определить оптимальное соотношение диаметров бочек рабочих и опорных валков, смещение вертикальной осевой плоскости рабочего валка, распределения обжатий и межклетевых натяжений и другие конструктивные и технологические параметры.

Размещено на Allbest.ru