Компьютерное моделирование энергосиловых параметров и упругих деформаций широкополосных станов холодной прокатки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

клеть кварто холодный прокатка

Совершенствование оборудования широкополосного стана обуславливается увеличением спроса на листопрокатную продукцию и повышением требований к ее качеству.

Начиная с 80-х годов XX века конструкция рабочих клетей крупнейших тонколистовых станов ведущих металлургических предприятий ряда стран претерпела существенное изменение: они были оснащены новыми средствами воздействия на профиль и форму проката(системами осевой сдвижки выпуклых (цилиндрических и «S»- образных) валков), горизонтальной стабилизацией рабочих валков; начали применять шестивалковые клети, в которых между опорным и рабочим валками установлен промежуточный валок; изменилось соотношение между конструктивными параметрами рабочего и опорного валков путем уменьшения диаметра рабочего валка до 200 - 300 мм, позволившая сократить габариты рабочих клетей, уменьшив капитальное и энергетические затраты. Указанное изменение лишь частично затронули отечественные широкополосные станы. Обеспечение конкурентоспособности тонколистового проката и рост эффективной работы стана - факторы, влияние которых на развитие российской металлургии повышение актуальности реконструкции действующих широкополосных станов и создание новых станов. Для решения этих задач необходимо совершенствовать методы расчета, в общем.

В курсовой работе необходимо разработать математическую модель, выполнить расчет энергосиловых параметров и упругих деформаций клети «кварто» НШСХП и выявитьвлияния на эти параметры таких факторов, как соотношение диаметров бочек опорных и рабочих валков, перенос привода с рабочих валков на опорные, смещение рабочего валка, условия пробуксовки валков в межвалковом контакте.



1.Особенности клетей «кварто» традиционных конструкций

Металлургические предприятия РФ используют в основной массе широкополосные станы с традиционными клетями «кварто». К ним относятся клети разработанные в 60-е - 70-е годы XX века с опорными валками большого диаметра, с приводными рабочими валками меньшего диаметра и массивными станинами закрытого типа отличающейся большой жесткостью (D=400...600 мм). Размеры валков составляют D_р = (400?600) мм, D_оп= (1300?1600) мм.

В представленной схематически на рисунке 1.1 клети «кварто» 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 подушками 4верхнего 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, по преимуществу, горизонтальные силы, в частности - силы натяжения полосы, которые на 2 порядка меньше усилий прокатки и уравновешиваются горизонтальными реактивными силами, возникающими в контакте подушек с вертикальными опорными плоскостями 8 отверстий (окон) в станинах 9 [1].

Описанная схема взаимодействия элементов валкового узла и станин обеспечивает клетям «кварто» принципиальное преимущество перед двухвалковыми клетями: с одной стороны - высокую жесткость в вертикальной плоскости, создаваемую массивными опорными валками, что позволяет прокатывать полосы с минимальными допусками по толщине, профилю и форме; с другой стороны - возможность выкатывать полосы минимальной толщины (до 0,1 мм) благодаря применению рабочих валков с малым диаметром бочки.

Конструкция клетей «кварто», используемых для холодной прокатки, имеет ряд особенностей, которые должны учитываться при их расчете и эксплуатации [1].

Первая особенность клетей «кварто»- малая жесткость валкового узла в горизонтальной плоскости, поскольку 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 оказывается в неустойчивом положении, а их оси могут перекашиваться. Это приводит к негативным последствиям для работы клети «кварто»: в валковом узле возникают повышенные вибрации, осевые усилия, а размер межвалкового зазора подвергается непрогнозируемым колебаниям, что снижает точность прокатки.

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.

Вторая особенность конструкции клетей «кварто» заключается в том, что 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 первого рода - трение покоя. Если силы сопротивления вращения холостого валка превышают силы трения покоя, то начинается пробуксовка (трение покоя переходит в трение скольжение), что для прокатного стана является аварийной ситуацией. Поэтому этот фактор необходимо учитывать при расчете главного привода и при расчете параметров технологического привода.

Третья особенность относится к параметру валков - твердости бочки. Рабочие и опорные валки клетей «кварто» принадлежат к разным группам твердости. Рабочие валки имеют бочку с особо твердым поверхностным слоем (твердость по шкале ШораHSh (D) = 90 - 105 единиц), характеризуемым минимальным износом и незначительными упругими деформациями, без чего невозможна точная прокатка тонких полос. Опорные валки имеют бочку с твердым поверхностным слоем (60 80 HSh (D) и более мягкой и вязкой сердцевиной, что обеспечивает им повышенное сопротивление упругому изгибу, хотя и меньшую износостойкость.

Соотношение твердостей бочек опорного и рабочего валков в диапазоне 0,6-0,8 считается наиболее приемлемым для их эксплуатации в клетях «кварто», уменьшая вероятность появления поверхностных дефектов в контактно-усталостного характера.

Четвертая особенность связана с длиной контакта рабочих и опорных валков. В работе [3] показано, что если протяженность контакта рабочих валков с опорными совпадает с протяженностью контакта рабочих валков с полосой, то прогиб рабочего валка совпадает с прогибом опорного валка. Если же такого совпадения нет, то в клети «кварто» возникает изгибающей момент, действующий на рабочие валки от воздействия краевых участков опорных валков, находящихся за пределами ширины полосы. Условия совпадения протяженности контакта рабочих валков с опорными с протяженностью рабочих валков с полосой пытаются обеспечить применение скосов длиной (100?200) мм по краям опорных валков на некоторых станах холодной прокатки для предотвращения контакта торцевых участков бочек рабочих валков при прокатке полос минимальной ширины, помимо концевых скосов, бочка опорного валка изготавливалась короче на 100 мм рабочего. При изменении ширины прокатываемой полосы протяженность скосов следует изменять, а это осуществляется перевалкой валков. Один из путей решения этого вопроса на действующих станах холодной прокатки - отказ от скосов опорных валков путем изменения профилировки валков - увеличения выпуклости опорных и перерасчет профилировки рабочих валков.

Непрерывные станы холодной прокатки с самого начала их создания оснащали системами и средствами регулирования толщины, профиля и формы полос.

Станы, введенные в действие в 60 - 70-е годы ХХ века, оснастили системами автоматического регулирования профиля и формы полос (САРПФ), исполнительными механизмами которой служат гидравлические цилиндры изгиба рабочих валков («гидроизгиб»). Сущность воздействия гидроизгиба на очаг деформации схематически показана на рисунке 1.2. На схеме (рис. 1.2,а), называемой «противоизгиб», края бочки рабочих валков отгибаются от полосы, что способствует уменьшению обжатий и вытяжек участков у боковых кромок полосы и устранению дефекта «волнистость» (по заводской упрощенной терминологии - «волна»).

На схеме (рис. 1.2, б), называемой «дополнительный изгиб», происходит противоположное схеме (рис. 1.2, а) воздействие на полосу, способствующее уменьшению обжатий в среднем по ширине участка полосы и устранению дефекта «коробоватость» (по заводской упрощенной технологии - «короб»).

а) б)

Рисунок 1.2-Схемы гидравлического изгиба рабочих валков: а - противоизгиб;

б - дополнительный изгиб; Р - усилие прокатки; b - ширина полосы; q - погонное усилие прокатки (на единицу ширины полосы); Q - усилие гидроизгиба



2. Тенденции развития конструкций рабочих клетей станов холодной прокатки

Характерные тенденции развития мирового листопрокатного производства последних десятилетий 20 века, сохраняющиеся и в начале 21 века - увеличение выпуска особо тонких холоднокатаных полос, пользующихся наибольшим спросом в промышленности (автомобильный и конструкционный лист толщиной 0,3 мм и менее, жесть толщиной до 0,1 мм для консервной промышленности), при одновременном уменьшении допусков по планшетности, разнотолщинности и ужесточений требований по микрогеометрии и чистоте поверхности. В сортаменте холоднокатаных листов появились новые марки сталей, в том числе - с повышенными характеристиками прочности и пластичности. Эти тенденции привели к изменениям параметров оборудования и технологических режимов широкополосных станов, наиболее существенные из которых состоят в следующем.

Во-первых, рабочие клети «кварто», являющиеся основой оборудовании листовых станов, были оснащены новыми средствами воздействия на профиль и форму проката: системами HVC и CVC с осевой сдвижкой и горизонтальной стабилизацией рабочих валков, эффективными системами охлаждения с многозонным регулированием расхода смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) по длине бочки валков.

На рисунке 2.1 представлена схема горизонтальной стабилизации. Усилия Q_r, создаваемые плунжерами цилиндров, которые установлены в корпусах станин, оказывают воздействие на подушки 1 рабочего валка 2, тем самым обеспечивая сохранение заданного смещения е рабочего валка 2 относительно опорного валка 3.

Величина смещения е устанавливается предварительно путем раздельного регулирования хода плунжеров, расположенных слева и справа от подушек. Представленная схема (рисунок 2.1), исключая неустойчивое положение в клети подушек 1, не препятствует горизонтальному прогибу бочки рабочего валка, т.е. данная схема задачу горизонтальной стабилизации рабочих валков решает частично.

Рисунок 2.1-Схема горизонтальной стабилизации рабочих валков воздействием на их подушки

При прокатке тонких полос с особо жесткими требованиями к точности размеров и формы в клетях с диаметрами бочки рабочих валков менее 300 мм горизонтальную стабилизацию осуществляют с помощью боковых опорных роликов, на подушки которых гидроцилиндры воздействуют непосредственно (рисунок 2.2, а) или - для большей жесткости - через боковые опорные валки (рисунок 2.2, б).

Рисунок 2.2-Схемы горизонтальной стабилизации рабочих валков воздействием на их бочки боковыми опорными роликами

Во-вторых, получили распространение клети «кварто» с главным проводом через опорные валки, а так же шестивалковые клети с приводными промежуточными валками, при этом диаметры бочек рабочих валков были уменьшены с 400-600 мм до 180-300 мм, в результате чего соотношение диаметров бочек опорных и рабочих валков увеличилось с 2,5-3,5 до 4-5-7. Все это обеспечивает возможность прокатывать с высокой точностью широкие полосы толщиной до 0,2-0,3 мм, снижает энергозатраты, однако требует существенных изменений в конструкции рабочих клетей.

В-третьих, шестивалковые клети. В клетях данного типа между опорным и рабочим валками установлен промежуточный валок с диаметром , причем . Это позволило уменьшить диаметр бочки рабочих валков до D_р = 180200мм, увеличив соотношение D_оп/D_р свыше 7. Шестивалковая клеть обеспечивает возможность 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», однако она требует больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Из вышеперечисленных тенденций в данной работе будут исследоваться такие тенденции, как уменьшение диаметра рабочего валка и шестивалковые клети. В ходе работы так же будет разработана математическая модель энергосиловых параметров и проведен анализ МКЭ упругих деформаций рабочих клетей широкополосных станов холодной прокатки. В итоге будет сделан вывод о целесообразности применения этих тенденций на современных станах холодной прокатки.



3. Математическая модель энергосиловых параметров четырех- и шестивалковых клетей холодной прокатки

Исходя из конструктивного исполнения валкового узла клети «кварто», представленного в разделе 1 можно составить 2 расчетные схемы сил и моментов действующие на рабочие и опорные валки [1]. В первом случае, схема клети с приводными рабочими валками рисунок 3.1, во втором - приводными опорными рисунок 3.2.

Рисунок 3.1 - Расчетная схема действия сил и моментов в клети «кварто» с приводными рабочими



Рисунок 3.2-Расчетная схема действия сил и моментов в клети «кварто» с приводными опорными валками

Исходные данные

Конструктивные параметры.

D_р, D_оп- диаметры бочек рабочих и опорныхвалков, мм;

L_р, L_оп- длина бочки рабочего и опорного валков, мм;

_{р , оп}- радиусы кругов трения в подшипниках рабочего и опорного валков, мм.

; , (3.1)

гдеµ_п.р., µ_п.оп.. - коэффициент трения в подшипниках рабочих и опорных валков, определяющихся типом подшипника и свойствами смазки. На рабочих валках установлены подшипники качения, а на опорных - подшипники жидкостного трения. По данным работы [1] для подшипников жидкостного трения и подшипников качения = =0,003;

d_п.р, d_п.оп.- рабочие диаметры подшипников. Под рабочим диаметром подшипников качения подразумевают диаметр условной окружности, проходящей через оси тел качения, или пересекающей эти оси. Диаметр шейки равен 0,5 - 0,55 от диаметра бочки.

Под рабочим диаметром ПЖТ подразумевается диаметр цилиндрической поверхности, по которой происходит скольжение втулки цапфы по втулке вкладыша. При диаметре 1500мм рабочий диаметр подшипников 1120мм.

??_р.- горизонтальное смещение рабочего валка относительно опорного.

В теории прокатки [1] на нереверсивных валках ??_р принято в пределах (5?10) мм.

Зная смещение, геометрически вычисляется угол наклона к вертикальной плоскости, проходящей через оси рабочих и опорных валков

, (3.2)

Технологические параметры:

h_0,h₁- толщина полосы на входе и выходе из валков, мм;

х₁ - скорость прокатки на выходе из валков, м/с;

N_0,N₁- силы заднего и переднего натяжения полосы, кН;

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

Исходные данные, которые будут использоваться в работе, приведены в таблице 3.1.



Таблица 3.1 - Исходные данные

Номер клети	Марка стали	,	, мм	, мм	, т	, т
1	2	3	4	5	6	7
1	08ю	5,91	2,293	1,758	14,00	30,55
2		7,88	1,758	1,336	30,55	25,71
3		10,64	1,336	1,023	25,71	22,27
4		13,85	1,023	0,800	22,27	18,48
5		13,62	0,800	0,770	18,48	3,67

Шероховатость принимаем 0,6 в первых четырех клетях, а в пятой 4,5. Коэффициент трения определяется по формуле:

(3.3)

К_см - коэффициент учитывающий природу смазку;

з₅₀ - кинематическая вязкость смазки при температуре 50°;

V-скорость полосы на входе в валки, м/с;

е -относительное обжатие;

R_a - высота неровности.

Значения коэффицентов трения представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2- Значение коэффициента трения в очаге деформации

Номер клети	f
1	0,0295
2	0,0288
3	0,0282
4	0,0279
5	0,0629

Энергосиловые параметры:

P- усилие прокатки, МН (таблица 3.3).

- мощность прокатки,вычисляемая, исходя из сортамента и режима прокатки, по формулам, основанным на упруго - пластической модели очага деформации, кВт [1] (таблица 3.3). Мощность прокатки необходима для определения плеча усилия прокатки a,мм

(3.4)

Где - угловая скорость рабочего валка.

Таблица 3.3-Энергосиловые параметры клетей «кварто»

Номер клети	, мм	??, МН	, кВт
1	200	3,84	491,3939
	450	6,0868	492,3204
	600	7,2151	492,369
2	200	3,6332	1437,4441
	450	6,3226	2030,6549
	600	7,6504	2033,6225
3	200	3,5711	1875,3234
	450	6,3778	2214,9263
	600	7,7707	2218,4446
4	200	3,2413	2172,9295
	450	5,9604	2288,6983
	600	7,3398	2292,7376
5	200	1,482	2497,5616
	450	4,8066	2302,179
	600	7,148	2306,5872

Так же к исходным данным можно отнести:

f_п- коэффициент трения покоя в межвалковом контакте, характеризующий способность приводного валка осуществлять без пробуксовки вращение холостого валка по принципу фрикционной передачи. По данным [] значение находится в диапазоне 0,06- 0,14.

m - плечо трения качения между рабочими и опорными валками, называют расстояние на которое смещена точка приложения межвалковой силы от середины площадки контакта валков в сторону противоположную направления их вращения. Величину m можно определить по формуле:

, (3.5)

где k - коэффициент плеча трения качения, k = (0,02- 0,1)b,

b - половина ширины площади контакта между рабочим и опорным валками.

По формуле Герца-Беляева:

, мм, (3.6)

- постоянная материала, характеризующая упругие свойства материала валков,

мм²/Н, (3.7)

_р,_оп - коэффициенты Пуассона материалов рабочего и опорного валков,

E_р,E_оп- модули упругости тех же материалов.

q- погонная нагрузка, МН/мм;

,(3.8)

L_оп - длина зоны контакта бочек валков

Свойства материала валков:

Модуль упругости =2,1 МПа для стали. Коэффициент Пуассона =0,3 для стальных рабочих и опорных валков.

Свойства материала полосы:

Марка стали 08ю.

Зависимость сопротивления деформации от обжатия

(3.9)

(3.10)

- условный предел текучести;

- предел текучести материала полосы в исходном, недеформированном состоянии;

A-фактор наклепа;

B-коэффициент наклепа; - толщины подката и полосы после i-го пропуска.

- модуль упругости материала полосы.

- коэффициент Пуассона полосы.

3.2 Параметры, подлежащие определению.

P_оп- межвалковое усилие, действующее между рабочим и опорным валками;

в- угол наклона P_опк линии, соединяющей оси рабочего и опорного валков;

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

момент главного привода, приведенный к оси опорного валка;

а_{р. ,}а_оп.- плечи силы P_опотносительно осей рабочего и опорного валков;

2R_р, 2R_оп- суммарные усилия, действующие на шейке рабочего и опорного валков в качестве реакций, возникающих в подушках и подшипниковых опорах под влиянием рабочих нагрузок.

Как было показано при описании конструкции клети сила 2R_рнаправлена горизонтально, сила 2R_оп= 2R_оп.г+ 2R_{оп в}. Горизонтальная составляющая определяется вертикальной стойкой в плоскости станин, вертикальная - нажимными устройствами.

Анализ расчетныхсхем сил и моментов, действующих на валки четырехвалковых клетей для разных вариантов привода

При анализе равновесия валков следует учитывать ряд положений (рисунок 3.1 и рисунок 3.2), касающихся направлений действия усилия прокатки P, межвалковой силы P_оп и опорной реакции 2R_оп.

Как показано в работах [1, 2], сила , действующая со стороны полосы на рабочий валок в очаге деформации, представляет собой равнодействующую двух сил - усилие прокатки P и разности сил заднего и переднего натяжений . При этом усилие прокатки остается вертикальным, а отклонение от вертикали - силаP_сумм (в том случае, если ?0).

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

В клети с приводными рабочими валками сила P_оп,действующая на опорный валок является для него движущей силой и при постоянной скорости прокатки она проходит по касательной к кругу трения в его подшипниках, создавая вращающий момент, P_оп·_оп, равный моменту трения в подшипниках. Для приводного рабочего валка эта сила создает нагрузочный рабочий момент, равный Р_оп· а_р.

При этом реактивная сила 2R_{оп ,}возникающая в подшипниках холостого опорного валка, как показано на рисунке 3.1, направленная по линии действия силы P_{оп ,} противоположна этой силе, т.к. только такое направление 2R_опобеспечивает выполнение условия равновесия опорного валка.

Если же главный привод осуществлен через опорные валки (рисунок 3.3), направление и роль силы в корне меняются: для рабочего валка она является движущей силой, обеспечивающей процесс прокатки, а для опорного - рабочей нагрузкой, силой сопротивления вращению, момент которой направлен противоположно движущему моменту со стороны главного привода. В результате в схеме (рисунок 3.2) не только направление сил противоположно относительно осей вращения валков, по сравнению со схемой рисунка, но и плечи этих сил относительно обоих валков имеют значительно большую длину. Определить силу угол, характеризующий ее направление, и длины плеч для клетей с обоими типами привода можно из системы уравнений равновесия валков.

Реактивная сила , возникающая в подшипниках холостого опорного валка, как показано на рисунке 3.2, направлена по линии действия силы противоположно, т.к. только такое направление обеспечивает выполнение условия равновесия опорного валка.

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

Исходя из вышеизложенного, уравнения равновесия сил и моментов для каждого из валков имеют вид, представленный в таблице 3.4.



Таблица 3.4 -Уравнения равновесия сил и моментов в четырехвалковой клети при двух альтернативных вариантах привода

Вид уравнения	Рабочий валок	Опорный валок
1	2	3
Равновесие моментов	Приводной валок - рабочий
		(Роп-2Rоп)оп = 0
	Приводной валок -опорный
Равновесие	Приводной валок - рабочий

Таблица

1	2	3
горизонтальных сил		(Роп.- 2Rоп)·sin(+)=0
	Приводной валок - опорный
Равновесие вертикальных сил	Приводной валок - рабочий
	Р-Роп· cos(+) = 0	(Р - 2Rоп)·cos(+) = 0
	Приводной валок -опорный

Выражения для определения энергосиловых параметров четырехвалковой клети для разных схем привода

Рассмотрев решения уравнений равновесия, приведенных в таблице 3.4 совместно с дополнительными уравнениями, характеризующими направление межвалковых сил и их расстояние от осей вращения валков, получены выражения для определения всех энергосиловых параметров. Эти выражения приведены в таблице 3.5, в последовательности определяющей алгоритм расчета энергосиловых параметров четырех валковой клети с двумя альтернативными вариантами главного привода [1].

Таблица 3.5- Выражение энергосиловых параметров четырех валковой клети и последовательность их расчета

Приводные валки-рабочие.	Приводные валки-опорные.
1	2
1 Угол наклона в силы Роп к клети, проходящей через оси опорных и рабочих валков.
2 Величина межвалковой силы Ропи реактивной силы 2Rоп в подшипниках опорного валка.

Таблица

1	2
3 Плечо ар силы Роп относительно оси рабочего валка.
4 Плечо ар силы Роп относительно оси опорного валка.
5 Реакция в подшипниках рабочего валка.
6 Момент, необходимый для вращения приводного валка
7 Условие отсутствия пробуксовки валков.

Методика расчета сил и моментов, действующих в шестивалковых клетях

За последние десятилетия XX века в мировом производстве широкополосной холоднокатаной стали, наряду с клетями кварто начали применять шестивалковые клети, в которых между рабочим и опорным установлен промежуточный валок. Клети данного типа приводятся чаще всего через промежуточные либо через опорные валки. В работе [4] изложены результаты компьютерного исследования шестивалковых клетей с приводными рабочими клетями имеющих D_б=470 мм, в сопоставлении с клетью «кварто» имеющей рабочие валки того же диаметра. Такая шестивалковая клеть по сравнению с клетями имеющими диаметр рабочего валка D_б = (180?200) мм, лишена важного преимущества- возможности уменьшить усилие прокатки, в результате она имеет повышенную металлоемкость. Поэтому более перспективными являются шестивалковые клети с диаметром рабочих валков не более (250?300) мм. В таких клетях главный привод через рабочие валки не применяют, так как в шейках этих валков при передачи моментов прокатки возникают опасные при их прочности напряжения кручения. В соответствии с этим необходимо рассматривать две расчетных схемы. В первом случае, схема клети с приводными промежуточными валками рисунок 3.3, во втором - приводными опорными рисунок 3.4.

Рисунок 3.3. - Расчетная схема сил и моментов, действующих на валки шестивалковой клети с приводными промежуточными валками.



Рисунок 3.4. - Расчетная схема сил и моментов, действующих на валки шестивалковой клети с приводными опорными валками.

Рассмотрев данные схемы, уравнения равновесия сил и моментов для каждого из валков имеют вид, представленный в таблице 3.6.

Таблица 3.6 -Уравнения равновесия сил и моментов в шестивалковой клети при двух альтернативных вариантах привода

Вид уравнения	Рабочий валок	Промежуточный валок	Опорный валок
1	2	3	4
Равновесие моментов		Приводной валок - промежуточный
		Приводной валок - опорный
Равновесие горизон-тальных сил		Приводной валок - промежуточный
		Приводной валок - опорный
Равновесие верти-кальных сил		Приводной валок - промежуточный
		Приводной валок - опорный

Из решения уравнений равновесия, приведенных в таблице 3.6 совместно с дополнительными уравнениями, характеризующими направление межвалковых сил и их расстояние от осей вращения валков, получены выражения для определения всех энергосиловых параметров. Эти выражения приведены в таблице 3.7, в последовательности определяющей алгоритм расчета энергосиловых параметров шести валковой клети с двумя альтернативными вариантами главного привода [1].

Таблица 3.7- Выражение энергосиловых параметров шести валковой клети и последовательность их расчета.

Приводные валки - промежуточные	Приводные валки - опорные
1	2
1. Угол наклона в1 силы Роп к плоскости, проходящей через оси промежуточного и рабочего валков.
2. Величина межвалковой силы Рпр
3. Плечо силы Рпр относительно оси рабочего валка.
4. Плечо апр1 силы Рпр относительно оси промежуточного валка.
5. Реакция в подшипниках рабочего валка.
6. Угол наклона в2 силы Роп к плоскости, проходящей через оси промежуточного и опорного валков.
7. Величина межвалковой силы Рпр и реактивной силы 2Rоп в подшипниках опорного валка

Таблица

1	2
8. Плечо апр2 силы Роп относительно оси промежуточного валка.
9. Плечо аоп силы Роп относительно оси опорного валка.
10. Реакция в подшипниках промежуточного валка.
11. Момент, необходимый для вращения приводного валка.
11. Условие отсутствия пробуксовки валков.
;



Определение параметров двигателя главного привода клети

Для определения параметров двигателя главного привода клети вычисляют момент на валу двигателя [10]:

(3.11),

где - суммарный рабочий момент, необходимыйдля вращения двух приводных валков с постоянной скоростью, равный или (величины и определяют по формуле п.6 таблица 3.4, учитывающие моменты трения качения между валками и моменты сил трения в подшипниках);

i-передаточное число редуктора главного привода;

??-КПДпередачи от двигателя к валкам.

Методика определения M_хх и М_дин изложена подробно в [10] и является общей.

Мощность двигателя связана с моментом известным соотношением:

,(3.12)

где - угловая скорость ротора двигателя.

Изложенные выше расчетные схемы и формулы в совокупности представляют собой математическую модель энергосиловых параметров шести- и четырехвалковых клетей, которые следует использовать для конструирования рабочих клетей и расчета технологических режимов их работы в составе НШС.

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

4. Исследование модели энергосилового расчета рабочих клетей

4.1 Определение энергосиловых параметров

Значения энергосиловых параметров для клетей «кварто» приведены в таблице 4.1, для шестивалковых клетей - в таблице 4.2.

Таблица 4.1- Энергосиловые параметры клетей «кварто»

Номерклети	, МН	Варианты главного привода	??, мм
		Рабочие валки	Опорные валки
		??????	, мм	, мм	, кН·м	??????	, мм	, мм	, кН·м
1	3,84	0,0023	0,3096	1,68	-2,95	-0,01	-1,08	-7,458	-22,19	1,08	7,522
2	3,6331	0,0023	0,3072	1,68	7,8057	0,0326	3,1825	24,493	95,121	2,51	12,86
3	3,5712	0,0023	0,3065	1,68	8,177	0,0303	2,955	22,778	87,371	2,46	10,68
4	3,2414	0,0023	0,3026	1,68	6,921	0,0308	3,0103	23,167	80,562	2,421	11,64
5	1,482	0,0023	0,2772	1,68	2,156	0,1127	11,1526	84,043	127,763	6,186	59,259
1	7,2153	0,0025	0,8978	1,68	-5,935	-0,0052	-1,722	-3,741	-14,868	1,732	2,5
2	7,6506	0,0025	0,9045	1,68	38,321	0,0206	6,0202	15,6318	132,458	5,06	3,456
3	7,7709	0,0025	0,9064	1,68	33,112	0,0162	4,69	12,328	108,863	4,024	3,287
4	7,34	0,0025	0,8998	1,68	25,705	0,0144	4,165	10,9822	92,942	3,383	3,615
5	7,1482	0,0025	0,8968	1,68	9,519	0,0228	6,6785	17,258	135,391	3,554	14,223

Таблица 4.2- Энергосиловые параметры шестивалковых клетей.

Но-меркле-ти	P ? Pоп, МН	Варианты главного привода	??р, мм	??????1
		Промежуточные валки	Опорные валки
		??????2	, мм	, мм	, кН·м	??????2	, мм	, мм	, кН·м
1	3,8401	0,0024	0,6415	1,68	11,5231	0,0109	2,3436	8,2703	38,209	0,9521	-0,0102	3,316
2	3,6333	0,0024	0,6377	1,68	29,086	0,0338	7,499	25,445	98,592	3,181	0,0325	3,389
3	3,5712	0,0024	0,6366	1,68	26,743	0,0314	6,9603	23,643	90,462	2,953	0,0302	3,382
4	3,2414	0,0024	0,6303	1,68	24,629	0,0319	7,0816	24,0264	83,352	3,008	0,0307	3,384
5	1,482	0,0024	0,5894	1,68	38,526	0,1243	27,678	92,545	14,062	11,1614	0,1127	0,365
1	6,087	0,0024	0,6771	1,68	13,496	0,0074	1,5279	5,6701	44,738	1,3258	-0,0064	3,315
2	6,3228	0,0024	0,6804	1,68	40,1526	0,0262	5,753	19,765	135,622	5,454	0,0247	3,377
3	6,378	0,0024	0,6812	1,68	33,030	0,0208	4,542	15,7314	111,059	4,284	0,0195	3,362
4	5,9606	0,0024	0,6753	1,68	28,139	0,0187	4,0073	14,16	94,432	3,8389	0,0175	3,355
5	4,8067	0,0024	0,6578	1,68	39,8519	0,0352	7,8077	26,538	135,695	7,439	0,0335	3,404

4.2 Определение моментов и мощности двигателей

В таблицах 4.3 и 4.4 приведены результаты расчетов моментов и мощности двигателейклетей «кварто» и шестивалковых клетей.

Таблица 4.3. - Моменты и мощности двигателей клетей «кварто».

Номер клети	мм	Варианты главного привода
		Через опорные валки	Через рабочие валки	Через опорные валки	Через рабочие валки
		, кН·м	Nдв, кВт
1	200	49,311	6,555	388,571	387,433
	600	33,040	13,188	260,355	259,821
2	200	211,380	17,346	2220,899	1366,866
	600	294,351	85,157	3092,649	2236,811
3	200	194,157	18,171	2754,451	1933,406
	600	241,917	73,582	3432,006	2609,716
4	200	179,026	15,380	3306,025	2130,13
	600	206,537	57,122	3814,064	2637,142
5	200	283,917	4,791	5155,946	652,549

Таблица 4.4. - Моменты и мощности двигателей шестивалковых клетей.

Номер клети	мм	Варианты главного привода
		Через опорные валки	Через промежуточные валки	Через опорные валки	Через промежуточные валки
		, кН·м	Nдв, кВт
1	200	84,908	25,6068	669,082	672,607
	450	99,417	29,991	783,4121	590,824
2	200	219,094	64,6371	2301,9504	2263,735
	450	301,382	29,991	3166,5225	787,766
3	200	201,026	59,4302	2851,8983	2810,389
	450	246,797	73,4	3501,2378	2603,253
4	200	185,2267	54,7311	3420,5212	3369,004
	450	209,848	62,5311	3875,2095	2886,853
5	200	312,507	85,613	5675,132	5182,4604
	450	301,544	88,559	5476,0471	2886,853



По данным таблицы 4.3 построена гистограмма распределения мощностей двигателей при приводных рабочих и опорных валках и при разных диаметрах рабочих валков клети «кварто» (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Распределение мощностей двигателей по клетям «кварто».

По данным таблицы 4.4 построена гистограмма распределения мощностей двигателей при приводных промежуточных и опорных валках и разных диаметрах валков шестивалковой клети (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Распределение мощностей двигателей по шестивалковым клетям



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

В результате вычислений энергосиловых параметров пятиклетевого стана клетей «кварто» и шестивалковых можно сделать вывод, что значения усилия прокатки и межвалковая сила равны между собой . Установили, что значения моментов главного привода для пятиклетевого стана при диаметре рабочих валков превышают в 7,522 - 59,26 раз, а при значение превышает в 2,51-14,22 раз; значения моментов главного привода для пятиклетевого стана при диаметре рабочих валков превышают в 3,3-3,65 раз, а при значение превышает в 3,314-3,405 раз. Полученные соотношения моментов можно объяснить тем, что для главного привода через опорные валки значения , силы превышают значения , для главного привода через рабочие (промежуточные) валки.

Были определены значения tgв и установлено, что при приводных рабочих валках пробуксовки нет, так как и почти не меняется. При приводных опорных валках пробуксовки нет, кроме пятой клети. Пробуксовка будет больше при меньшем диаметре бочки, так как при диаметре 600мм при приводных опорных валках меньше, чем при диаметре 200мм. Для шестивалковой клети характерны такие же зависимости, как и для клетей «кварто».

По данным клети «кварто» таблицы 4.3, можно сделать вывод, что самой мало потребляемой является рабочая клеть «кварто» с приводными рабочими валками с , её общая потребляемая мощность составляет 6,47 МВт ; на втором месте традиционная клеть «кварто» с приводными рабочими валками с , её общая потребляемая мощность составляет 8,703 МВт; на третьем месте клеть «кварто» с приводными опорными валками с , её общая потребляемая мощность составляет 13,82 МВт; на четвертом месте клеть с приводными опорными валками с , её общая потребляемая мощность 15,561 МВт.

Несмотря на малые энергозатраты клети «кварто» с приводными рабочими валками с не могут быть применены по двум причинам. Первая причина - это небольшой диаметр шеек и приводных концов рабочих валков, вследствие этого большие касательные напряжения от передаваемых крутящих моментов. Вторая причина - рабочие валки снабжены механизмами встречной осевой сдвижки, что усложняет конструктивное исполнение деталей и узлов, передающих валкам момент главного привода. Так же нецелесообразно использовать клети с приводными опорными валками с , помимо больших энергозатрат , нет никаких преимуществ перед традиционными. Энергозатраты традиционной клети при прокатке по заданному режиму в 1,14 раза меньше по сравнению с уменьшенным в три раза диаметром рабочего валка и приводом через опорные.

Исследовав данные шестивалковой клети, приведенные в таблице 4.4, можно сделать вывод, что наиболее экономичной с точки зрения энергопотребления являются шестивалковые клети с приводными промежуточными валками с , её общая потребляемая мощность составляет 10,88 МВт; далее идет шестивалковая клеть с приводными опорными валками с , её общая потребляемая мощность составляет 16,8 МВт; далее идет шестивалковая клеть с приводными опорными валками с , её общая потребляемая мощность составляет 14,91 МВт; далее идет шестивалковая клеть с приводными промежуточными валками с , её общая потребляемая мощность составляет 14,2 МВт. Гистограммы, представленные на рисунках 4.1 и 4.2, наглядно подтверждают сделанные выводы, рабочая клеть «кварто» с приводными рабочими валками с является самой экономичной с точки зрения потребления электроэнергии, а клеть с приводными опорными валками с является самой затратной; шестивалковая клеть приводными промежуточными валками с является самой экономичной с точки зрения потребления электроэнергии, а клеть с приводными опорными валками с - самой затратной. При сравнении энергозатрат между клетями «кварто» и шестивалковыми, наиболее экономичной с точки зрения потребления электроэнергии является клеть «кварто» на 8 % при и приводных опорных.

4.4 Определение горизонтального смещения рабочих валков. Исследование влияния смещения на различные параметры клети

В результате исследования можно сделать вывод, что горизонтальное смещение влияет на реакцию в подшипниках рабочего валка , на все остальные параметры влияние горизонтального смещения не значительно (менее 1%). Зависимость реакции в подшипниках рабочего валка от горизонтального смещения клети «кварто» представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Зависимость от (1 - приводные валки - рабочие, D_Р=200; 2 - приводные валки - опорные, D_Р=200; 3 - приводные валки - рабочие, D_Р=600; 4 - приводные валки - опорные, D_Р=600; )



На рисунке 4.3, видно, что при приводных рабочих валках с (1) с увеличением горизонтального смещения от 0 до 10, реакция в подшипниках увеличивается в 2,5 раза, при имеет минимальное значение равное -0,037 МН. При приводных опорных с (2) с увеличением горизонтального смещения от 0 до 10, реакция в подшипниках уменьшается в 1,8 раза, при имеет максимальное значение равное 0,0942 МН. При приводных рабочих валках с (3) с увеличением горизонтального смещения реакция в подшипниках увеличивается в 2,89 раз, при имеет минимальное значение равное 0,043 МН. При приводных опорных валках с (4) с увеличением горизонтального смещения реакция в подшипниках уменьшается в 2,39 раза, при имеет максимальное значение равное 0,1337 МН.

В результате, можно сделать вывод, что наибольшее влияние горизонтальное смещение оказывает на традиционную клеть «кварто», так как с увеличением значения увеличивается и значение , доходя до максимальных значений.

4.5 Исследование условий пробуксовки в межвалковом контакте

В ходе исследования установлено, что в 5 клети стана при приводных опорных валках присутствует пробуксовка, так как тангенс угла в в ней равен 0,1082, а должен быть не более 0,07. Поэтому возникает необходимость установить, какие факторы вызывают уменьшение тангенса угла в.