автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование условий работы и режимов динамического нагружения редукционного стана ТПА 30-102 с целью повышения надежности рабочей клети

ЧУМАКОВА ЛАРИСА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И РЕЖИМОВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ РЕДУКЦИОННОГО СТАНА ТПА 30-102 С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОЧЕЙ

КЛЕТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы

(в металлургическом производстве)"

ЧУМАКОВА ЛАРИСА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И РЕЖИМОВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ РЕДУКЦИОННОГО СТАНА ТПА 30-102 С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОЧЕЙ

КЛЕТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05,02.13 - "Машины, агрегаты и процессы

(в металлургическом производстве)"

Работа выполнена на кафедре "Металлургические и роторные машины*' Уральского государственного технического университета — У ПИ

Научный руководитель — академик АТН РФ,

доктор технических наук, профессор Паршин B.C.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор ЛеховО.С.; кандидат технических наук, доцент Бубнов Э.А.

Ведущее предприятие - ОАО "Уралгипромез",

г. Екатеринбург

Защита состоится " 27 " октября 2006 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.285.10 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Уральском государственном техническом университете - УПИ, ауд. М - 323.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УГТУ-УПИ, ул. Мира, 19, тел. (343) 374-45-74, факс (343) 374-38-84, e-mail: minn@mmf.ustu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

Автореферат разослан " 26 " сентября 2006 г.

Ученый секретарь ~

диссертационного совета / /

кандидат технических наук ^г/7^

доцент «¿^//^ Е.Ю. Раскатов

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Редукционные станы при поштучном редуцировании в момент захвата переднего конца и при выходе заднего конца трубы испытывают повышенные динамические нагрузки. Однако эти процессы до настоящего времени не исследованы в полной мере. Актуальной задачей является снижение динамических нагрузок в приводе рабочей клети скобы, повышение ее надежности и долговечности, увеличение производительности стана за счет снижения простоев, роста выпуска продукции, снижения стоимости труб.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО УТТУ-УГТИ, тема «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий».

Целью настоящей работы является:

1. Создание новой приведенной и математической модели клети скобы на основе многомассовой многосвязной системы, испытывающей переменные нагрузки с целью снижения уровня динамической загруженности.

2. Описание методики расчета внешних нагрузок и построение зависимостей момента силы упругости от основных параметров упругой системы и внешнего нагружения на основе решения системы дифференциальных уравнений движения, определение максимальных амплитуд моментов крутильных колебаний, нахождение наиболее опасных участков привода рабочей клети редукционного стана.

3. Определение рациональных значений параметров упругой системы для повышения надежности клети.

4. Методика расчета срока службы детали для наиболее опасных участков.

Научной новизной работы является:

1. Создание приведенной и математической модели привода скобы, позволяющей определить приведенные массы и жесткости, закон действия внешних нагрузок, составить дифференциальные уравнения движения.

2. Введение новых понятий для определения динамической нагруженно-сти стана.

3. Описание методики расчета внешних нагрузок и построение зависимостей момента силы упругости от времени действия пиковой нагрузки и других параметров внешнего нагружения на основе системы дифференциальных уравнений движения, а так же определение рациональных значений параметров упругой системы.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Снижение динамических нагрузок в приводе скобы, повышение надежности и долговечности скобы, создание возможности увеличения производительности стана за счет снижения простоев, увеличение выпуска продукции. Проведенная численная реализация, полученной математической модели, позволила оценить нагруженность зубчатых передач, определить конструктивные и динамические параметры привода скобы. В настоящее время надежность привода низкая и результаты работы переданы для внедрения на ОАО «Первоуральский новотрубный завод». Результаты работы используются в учебном процессе УГТУ—УПИ при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам «Математическое моделирование» и «Исследование металлургических машин».

На защиту выносятся следующие пол ожигая:

1. Приведенная модель привода, новая математическая модель привода скобы, позволяющая определить приведенные массы и жесткости, закон действия внешних нагрузок, составить дифференциальные уравнения движения.

2. Введение новых понятий для определения динамической нагружен-ности стана.

3. Описание методики расчета внешних нагрузок и результаты теоретических исследований зависимостей момента силы упругости от основных параметров, определение рациональных значений параметров упругой системы.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции: "Прогрессивная технология и оборудование в машиностроении и металлургии", (Липецк, 2006 г.); VI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ - УПИ (Екатеринбург, 2004); VIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ - УПИ (Екатеринбург, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях рекомендованных ВАК.

Объем работы. Содержание работы изложено на 150 страницах машинописного текста, иллюстрировано 60 рисунками, содержит 26 таблиц, библиографический список, включающий 94 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТАНОВ С ГРУППОВЫМ

ПРИВОДОМ

Редукционные стапы предназначены для производства бесшовных труб, поступающих с непрерывного стана. Прокаткой на редукционных станах достигают уменьшения диаметра на 75-80% и уменьшения толщины стенки на 35-40%. На практике при редуцировании бесшовных труб коэффициент вытяжки составляет 6-8.

В данной работе исследуемый 24- клетьевой редукционный стан входит в состав трубопрокатного агрегата с непрерывным оправочным станом 30102, находящегося на Первоуральском новотрубном заводе. Редукционно-растяжной стан имеет трехвалковые клети с тремя вводами, а также дифференциально-групповой привод.

Для раздачи крутящего момента, полученного от привода на три валка, редукционный стан оборудован скобой в сборе. На одной скобе устанавливается по две рабочих клети. Скоба в сборе представляет собой стальную литую раму С - образной формы, к которой посредством болтов и штифтов крепятся восемь редукторов (по четыре на каждую клеть).

Для привода трех валков одной клети используется девять зубчатых колес, семь из которых - конические, а два — цилиндрические. Эти колеса смонтированы в четырех корпусах редукторов, два из которых — тройной конический, цилиндрический крепятся к скобе вертикально, а два других — двойные конические — наклонены под углом 30° к горизонту.

Через горизонтальный вал тройного конического редуктора подводится момент от редуктора на каждую рабочую клеть. Тройной конический редуктор соединяется тремя муфтами, две из которых - с промежуточным валом, а один - с цилиндрическими и двумя наклонными одноступенчатыми коническими редукторами.

На редукционном стане агрегата 30-102 катают трубы разных типоразмеров. Для динамических расчетов выбран наиболее нагруженный маршрут при редуцировании труб из заготовки диаметром 122 мм и толщиной стенки 6 мм.

В первых и последних клетях пиковые моменты снижаются вследствие уменьшения частных деформаций, а также пониженных натяжений при захвате трубы валками первых клетей.

По режиму работы клети редукционного стана можно разделить на три группы:

1) первые клети, работающие в тормозном режиме (нарастание натяжений);

2) концевые клети, работающие в условиях преобладания заднего натяжения (снижение натяжений);

3) средняя группа клетей, работающих в условиях равенства переднего и заднего натяжений.

Максимальные пиковые моменты возникают в средней группе клетей, а установившиеся — в концевых клетях при редуцировании труб с наибольшим натяжением.

С повышением температуры начала прокатки моменты снижаются в среднем в 1,5 раза. Моменты прокатки изменяются прямо пропорционально толщине стенки трубы. С увеличением натяжения в стапе пиковые моменты возрастают, установившиеся моменты в средних клетях снижаются, а в тормозных и концевых — увеличиваются.

Причинами возникновения пиковых нагрузок при прохождении переднего конца.трубы через клети стана по данным В.П. Аиисифорова, В.В. Ериклинцева и др. являются:

1) увеличение площади поперечного сечения конца трубы в 1,5-3 раза;

2) характер натяжения трубы по мере ее прохождения по клетям изме-

няется, Так наличие только заднего натяжения (последние по ходу клети) увеличивает момент прокатки в 1,8-3 раза;

3) за счет захоложенности переднего конца трубы который более интенсивно охлаждается водой из-за этого крутящий момент увеличивается в 1,2-1,5 раза.

В настоящее время известны исследования динамики привода редукционных станов, выполненные A.C. Никитиным и В.А. Вердеревским. Однако отсутствуют теоретические исследования динамической загруженности привода скобы стана, что вызывает необходимость разработки математической модели клети и выполнения исследований с целью поиска рациональных параметров этой системы.

2. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИВОДОВ СТАНОВ С ГРУППОВЫМ

ПРИВОДОМ

Так как нагруженность стана помимо динамической нагрузки зависит еще и от технологической нагрузки которая, в свою очередь, определяется

внешним приложенным моментом прокатки, то вводится понятие коэффициента перегрузки линии привода скобы рабочей клети.

При расчете технологической нагрузки используется коэффициент технологической перегрузки, который определяется отношением максимального пикового момента прокатки к установившемуся значению момента прокатки:

Ктп = (Мп">тах .

М у£Т

где (Мпр)тах - максимальный пиковый момент прокатки, кН*м; Муст — установившееся значение момента прокатки, кН*м; Ктп _ коэффициент технологической перегрузки.

Максимальный пиковый момент прокатки возникает при редуцировании переднего конца трубы вследствие действия только заднего натяжения и утолщения стенки. По мере поступления трубы в последующие клети создается переднее натяжение и максимальный момент снижается до величины момента прокатки в установившемся процессе.

Расчеты показывают, что отношение пикового момента к установившемуся составляет 3 — 6 и зависит от величины натяжений в стане. Это подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями моментов прокатки, проведенными на промышленных редукционных растяжных станах.

Таким образом, коэффициент технологической перегрузки зависит от: изменения площади поперечного сечения конца трубы; характера натяжения трубы по мере ее прохождения по клетям; температуры прокатываемого металла.

Для характеристики динамической нагрузки используется коэффициент динамичности, который определяется отношением максимального момента сил упругости к максимальному пиковому моменту прокатки:

к (Мц )""» д (М пр )тм

где (Мц)™* - максимальный момент сил упругости, кН*м; Кд — коэффициент динамичности.

Пик динамической пагрузки повторяется всякий раз, когда передний конец трубы входит в валки рабочей клети стана, а задний конец выходит из рабочей клети, что является одной из причин преждевременного выхода из строя деталей и узлов и простоев оборудования трубопрокатного агрегата. В частности, согласно графику ремонтов редукционного стана 30-102 и многочисленным наблюдениям, это является одной из причин выхода из строя зубчатых передач и муфт привода скобы рабочей клети. Значительные динамические нагрузки вследствие возникновения крутильных колебаний приводят к интенсивному износу соединительных устройств (муфт).

, Практически примерно 90% разрушений деталей станов имеют усталостный характер и происходят в результате действия переменных динамических нагрузок.

Как известно, коэффициент динамичности зависит от: маховых масс; крутильной жесткости линии привода; зазоров.

Для расчета перегрузок стана введен коэффициент перегрузки, который определяется произведением коэффициента технологической перегрузки на коэффициент динамичности:

Кп — Куп * Кд ,

где Кта - коэффициент технологической перегрузки; Кд - коэффициент динамичности; Кп - коэффициент перегрузки.

Коэффициент перегрузки зависит от совместного действия коэффициента технологической перегрузки и коэффициента динамичности и может достигать значительных величин.

С использованием анализа известных теоретических данных разработана приведенная и математическая модель скобы. Математическая модель скобы редукционного стана 30-102 включает в себя восьмимассовую механическую систему, учитывающую зазоры, параметры зубчатых передач и электропривод. Созданная математематическая модель включает определение приведенных масс и жесткостей, закона действия внешних нагрузок, составление дифференциальных уравнений движения.

Кинематическая схема привода клети скобы

У6

У1

сгз С1г

М1

У5

У10

Рис.1

Приведенная модель привода клети скобы (расчетная схема)

Рис.2

Система дифференциальиых уравнений движения масс, описывающая динамические процессы в приводе скобы записана в удобном для дальнейшего расчета виде — в форме моментов сил упругости по методу С.Н. Кожевникова. Поскольку при расчетах долговечности деталей привода необходимо определение максимальных значений нагрузок, а подробности развития колебательного процесса менее существенны, то диссипацией энергий в этом процессе пренебрегаем.

Дифференциальные уравнения движения масс

М)

У2 + У1

М12 = —.С12-С12 ах у1 ■ 2

С« ,

Н--- М25 +-- Мо7

Г 2 У 2

С12

■М12 + —— * М23 — "2

С23

+ ^з

-5М23 = — ' М12 - С23 ■ „

+-- М27 +-- М34

С23

М23 - — ' М25 -

С25

С25

+

—5М25 = — ' ^12 " — ■ М23 ~ С25 * „ „

*2 *5 • *2

-с25 , с25

н--- М27 +-- М^Й ,

У2

М25 ...

С27

С27

С27

—-М27 = — • М12 - — • ЪЛ2з - — • М2з ... ах

У2 + У? С27

+ НЗД * „ „ * и21 + — • ЩВ ' У7 • "2 У?

М4

С34

—2М34 = — • С34 + — " М23 - С34 ■

ах

Мб

с5б

У4 + У 3 У3-У4

М34 ,

Уб + У5

м5б = —- • С5б + — ■ М25 - с5б • ——— • М5б . ат ^5-Уб

м8

С78

У8 + У7

—-3М73 = —- ■ С78 + —-- • М27 - С78 ■ " • М78 ас у8 у7 у7'

где Уь Уг> Уз- - У« — приведенные моменты инерции масс скобы, кН*м*с2; С)2, С23, Сг5, С27, С34, С78 — приведенные жесткости участков вала между массами, кН*м / рад;

х — время, с;

Ф|, Фг, Фз ... Фв — углы поворота этих масс при колебании, рад;

Му = Су (ф; - ф)) - моменты сил упругости на участке линии передачи между i-oît

и j-oii массами,

3. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ

НАГРУЗОК

На основе исследований В.П. Анисифорова, Г.И. Гуляева, В.В, Ерик-линцева и др. разработали методику расчета параметров внешней нагрузки, позволяющую определить все скоростные, временные и силовые параметры внешнего нагружения. Получили формулы для определения функции момента прокатки М(т) в зависимости от времени действия пиковой нагрузки (т), используя существующие значения параметров процесса прокатки в одной из средних клетей стана (14-ой).

Изменение момента прокатки в средней клети стана

Время действия пиковой нагрузки, с

Рис.З

Затем нашли аппроксимирующие формулы, варьируя абсолютным обжатием трубы, средней скоростью трубы, пиковым значением момента прокатки и установившимся значением момента прокатки в пределах допустимых значений при редуцировании труб из заготовки диаметром 122 мм и толщиной стенки 6 мм на диаметр 38 мм и толщину стенки 4,5 мм. Наилучшее приближение функции описано полиномом третьей степени.

Решение полученной системы дифференциальных уравнений с учетом сложного характера внешнего воздействия в аналитическом виде не представляется возможным, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений проводили методом Рунге-Кутта с использованием пакета «МагЬСАО». Система начальных условий соответствовала физическому смыслу задачи. Решение системы уравнений движения показало, что наиболее нагруженной является центральная ветка клети (участок 23, рис.2).

Результаты решения системы дифференциальных уравнений дают возможность провести параметрический анализ и подобрать рациональные значения для снижения динамической загруженности клети.

Оценку влияния зазоров в системе привода скобы рабочей клети проводили аналитическим способом на примере двухмассовой системы с зазором для наиболее нагруженного участка 23 с использованием подхода, разработанного Ф.К. Иванченко, П.И. Полухииым и др. Выведена формула для определения момента силы упругости на участке приводной линии с зазором при переменном внешнем моменте, которая показала что влияние зазора существенно не зависит от его величины, так как моменты инерции масс валка и ротора электродвигателя сильно отличаются.

М12 =

М! - С

• 5Ш(р • X) +

Р'

Бт(р • I - р • т) ск ...

О

где У) — момент инерции массы электродвигателя; т — время, меняющееся в процессе интегрирования (от нуля до I); М1 — пусковой момент электродвигателя; 0 — величина зазора;

р — собственная частота двухмассовой системы.

Здесь первое слагаемое является дополнительными нагрузками, вызванными ударами в соединениях деталей с зазорами, второе и третье слагаемое является моментом силы упругости в линии от действия нагружения системы внешними моментами.

Для оценки влияния зазора в системе введен поправочный коэффициент, который определяется отношением коэффициента динамичности на участке с зазором к коэффициенту динамичности на том же участке без зазора

где (Кд)333* — коэффициент динамичности на участке с зазором; Кд — коэффициент динамичности на том же участке без зазора; Кдопр. — поправочный коэффициент.

Проведенный анализ показал, что влияние зазора в системе весьма мало.

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ

Численная реализация созданной математической модели позволяет исследовать влияние различных параметров на динамические нагрузки в средней группе клетей, так как в пей возгшкают максимальные пиковые моменты. Полученные зависимости дают возможность выбрать наиболее эффективные режимы редуцирования труб на редукционном стане агрегата

К,

попр. Кд

30-102 и определить необходимые исходные данные для выбора параметров оборудования.

С целью получения наиболее полной характеристики процесса были построены функциональные зависимости момента силы упругости от времени действия пиковой нагрузки при различных условиях деформирования с использованием пакета для научных и инженерных расчетов «MathCAD-8 Professional».

Расчеты коэффициентов нагрузки в зависимости от момента силы упругости показывают, что с увеличением величины абсолютного обжатия трубы увеличивается момент силы упругости, а так же при постоянном коэффициенте технологической перегрузки увеличиваются коэффициент динамичности и коэффициент перегрузки.

Снижение величины средней скорости трубы приводит к уменьшению момента силы упругости. Коэффициент динамичности и коэффициент перегрузки изменяются аналогичным образом. Коэффициент технологической перегрузки является постоянным для данных условий прокатки.

Из приведенных зависимостей следует, что с увеличением максимального пикового момента прокатки увеличиваются момент силы упругости, коэффициент технологической перегрузки, коэффициент динамичности и коэффициент перегрузки.

Анализ показывает, что с увеличением установившегося значения момента прокатки уменьшаются момент силы упругости, коэффициент технологической перегрузки, коэффициент динамичности и коэффициент перегрузки.

Полученные графические зависимости показывают, что с увеличением жесткости вала на участке 12, растет величина момента силы упругости, коэффициента динамичности и коэффициента перегрузки. С увеличением жесткости вала на участке 23, растет величина момента силы упругости, коэффициента динамичности и коэффициента перегрузки.

При увеличении жесткости вала на участке 34 уменьшается значение момента силы упругости, коэффициента динамичности и коэффициента перегрузки.

Из приведенных зависимостей следует, что при абсолютном обжатин трубы — 3,5 мм, максимальном пиковом значении момента прокатки — 19 кН*м, установившимся значении момента прокатки - 7 кН*м значения величины коэффициента технологической перегрузки, коэффициента динамичности и коэффициента перегрузки являются наименьшими.

Представленная методика расчета нагруженности системы привода скобы позволяет определить срок службы детали. Методика расчета показала для вала муфты расположенного па участке 23 возле цилиндрического редуктора (рис,2), так как этот участок является наиболее опасным, согласно решению системы дифференциальных уравнений и данным по выходам из строя деталей редукционного стана агрегата 30-102 ПНТЗ. Сначала выполнен расчет для существующих значений параметров системы, затем понизив нагрузку, в соответствии с полученными результатами коэффициента динамичности для рекомендуемых значений. Расчет выполнен по известной методике которая преобразована таким образом, чтобы получить расчетные значения параметров долговечности в форме удобной для сравнения с производственными данными.

Рассчитали число циклов нагрузки за месяц в виде

2-3600

Мц ---Кч- Кс .

Тр

где Кч — коэффициент часового использования редукционного стана (число часов работы в сутки);

Кс — коэффициент суточного использования (число суток работы в месяц); Тр — ритм прокатки, с.

Далее нашли эффективное значение напряжения в рассматриваемой

детали .

Кт - XV

тэф --+ ЧЧ ■ тт .

Ем* Еп

где Кг - эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении;

Ем — масштабный фактор касательных напряжений;

Еп — коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности;

ЧЧ — коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла;

XV — амплитудное значение напряжения, Н/м ;

тт — среднее напряжение, Н/м ;

тэф. — эффективное значение напряжения,

Н/м2.

Уравнение кривой Велера записали в виде

N = N6

/ И

т1

тэф

где т1 — предел выносливости при кручении для рассматриваемой детали, выполненной из стали 40Х, Н/м2; N6 — базовое число циклов нагружения; ш — показатель наклона кривой Велера; N — число циклов наработки на отказ.

Полученные данные позволили рассчитать срок службы вала муфты

Б =

N Ыц

Таким образом, при существующих значениях параметров системы срок службы вала муфты составляет пять месяцев.

Затем, понизив нагрузку, выполнили расчет для рекомендуемых значений.

При понижении нагрузки срок службы вала муфты составляет два года и три месяца.

Результаты расчета срока службы вала муфты, полученные при существующих значениях параметров системы аналогичны данным по выходам из строя деталей редукционного стана агрегата 30-102 ПНТЗ, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной физической и математической моделей. При учете полученных рекомендаций срок службы вала муфты может возрасти в пять раз (согласно кривой Велера).

Результаты проведенного анализа позволили сформулировать конкретные рекомендации по снижению динамической загруженности привода и повышению надежности рабочей клети. Решения проблемы повышения надежности и долговечности клети можно добиться комплексным путем, в частности, уменьшением коэффициента перегрузки. Так как коэффициент перегрузки зависит от совместного действия коэффициента технологической перегрузки и коэффициента динамичности, то нужно понижать как коэффициент технологической перегрузки так и коэффициент динамичности.

В свою очередь, для снижения коэффициента технологической перегрузки следует:

выравнивать температуру прокатки по длине трубы; прокатывать трубы на непрерывном стане с утонением концов; уменьшать абсолютное обжатие трубы; уменьшать среднюю скорость трубы;

снизить разность максимального пикового и установившегося значения момента прокатки.

Для понижения коэффициента динамичности следует: уменьшать жесткость вала на участке 12;

уменьшать жесткость вала на участке 23;

увеличивать жесткость вала на участке 34.

Применение этого комплекса мер, а также использование более прочных сталей и уменьшение зазоров в приводе или их компенсация позволит повысить надежность клети.

Результаты работы и разработанные методики могут быть использованы при оценке долговечности деталей редукционных станов других типов со сходным характером нагружения и подобной кинематической схемой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для определения динамической нагруженности стана введено несколько основных понятий: коэффициент технологической перегрузки и коэффициент перегрузки.

В ходе теоретических исследований разработаны приведенная и математическая модель скобы, позволяющая оценить нагруженность зубчатых передач и других деталей привода, определить конструктивные и динамические параметры привода в целях снижения уровня динамических нагрузок. Созданная математическая модель включает определение приведенных масс и жесткостей, закона действия внешних нагрузок, составление дифференциальных уравнений движения. Созданная методика расчета внешних нагрузок позволяет составить любые формулы для определения функции момента прокатки.

Решение системы дифференциальных уравнений показало, что наиболее нагруженной является центральная ветка клети (участок 23).

Численная реализация созданной математической модели позволила исследовать влияние различных параметров на динамические нагрузки в средней группе клетей.

Исследование влияния основных параметров на динамические нагрузки позволило определить рациональные значения параметров. Результаты расчета срока службы деталей соответствуют данным по выходам из строя

элементов редукционного стана агрегата 30-102 П11ТЗ, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной приведенной и математической моделей.

Результаты проведенного анализа позволили сформулировать конкретные рекомендации по снижению динамической загруженности привода и повышению надежности рабочей клети и переданы для внедрепия на ОАО «Первоуральский новотрубный завод».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Паршин B.C., Чумакова JI.A. Анализ конструкций приводов редукционных станов. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 429.

2. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Влияние натяжения на толщину стенки тру- бы при редуцировании. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 430.

3. Паршин B.C., Чумакова JI.A. Особенности динамики редукционных станов. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 431.

4. Паршин B.C., Чумакова JIA.. Методика расчета формирования технологических нагрузок при заполнении трубой редукционного стана. Тез. докл. VIII научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2005. С. 63.

5. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Основные причины возникновения пиковых нагрузок в редукциогшо-растяжпом стане и их расчет. Тез. докл. VIII научно-тех1гаческой конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2005. С. 64.

6. Чумакова JLA. Методика расчета формирования технологических нагрузок при заполнении трубой редукционного стана//Конструирование и технология изготовления машин. Вестник УГТУ-УПИ № 18(70). Сборник научных трудов. Часть 1. С. 271-279.2.0D5,

7. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Повышение надежности рабочей клети редукционного стана ТПА 30 — 102//Прогрессивная технология и оборудование в машиностроении и металлургии. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. Часть 2. Липецк, 2006, С. 197-200.

Компьютерная верстка - авторская

Бумага типографская Печать офсетная

Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ

Лаборатория оперативной полиграфии центра АВТП 620002, г, Екатеринбург, ул. Мира, 19

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ РЕДУКЦИОННЫХ СТАНОВ С ГРУППОВЫМ ПРИВОДОМ

1.1 Конструкция станов с групповым приводом

1.1.1 Групповой привод

1.1.2 Дифференциально-групповой привод

1.1.3 Дифференциально-гидравлический привод

1.1.4 Конструкция рабочих клетей

1.2 Особенности нагружения клетей станов

1.3 Конструкция исследуемого стана и его характеристика

1.4 Общие вопросы динамики прокатных станов

1.5 Постановка задачи исследования 41 ВЫВОДЫ

2. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИВОДОВ СТАНОВ С ГРУППОВЫМ ПРИВОДОМ

2.1 Нагрузки в приводе стана

2.2 Построение расчетной динамической модели

2.3 Определение приведенных масс и жесткостей

2.4 Дифференциальные уравнения движения масс 56 ВЫВОДЫ

3. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

3.1 Методика расчета внешних нагрузок 60 3.1.1 Определение функции момента прокатки

3.2 Решение системы дифференциальных уравнений

3.3 Влияние зазора в системе 92 ВЫВОДЫ

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ

4.1 Исходные данные и диапазоны изменения параметров

4.2 Исследование влияния параметров на динамические нагрузки

4.3 Методика расчета срока службы детали

4.4 Рекомендации по повышению надежности рабочей клети 126 ВЫВОДЫ 127 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 129 ПРИЛОЖЕНИЯ

Современное развитие трубного производства характеризуется широким распространением высокопроизводительных непрерывных процессов, обеспечивающих получение экономичных труб высокого качества. Одним из таких процессов является редуцирование труб с натяжением, осуществляемое на редукционно-растяжных станах. Эти станы устанавливают в линии современных агрегатов для производства труб, что обеспечивает повышение их технико-экономических показателей. В результате применения редукционно-растяжных станов увеличивается производительность агрегата и расширяется сортамент выпускаемых труб; обеспечивается получение широкого диапазона труб по диаметру и толщине стенки из одной заготовки; достигается значительное суммарное обжатие трубы по диаметру и уменьшение толщины стенки; улучшается качество труб.

Редукционные станы при поштучном редуцировании в момент захвата переднего конца и при выходе заднего конца трубы испытывают повышенные динамические нагрузки. Однако эти процессы до настоящего времени не исследованы в полной мере. Актуальной задачей является снижение динамических нагрузок в приводе рабочей клети скобы, повышение ее надежности и долговечности, увеличение производительности стана за счет снижения простоев, роста выпуска продукции, снижения стоимости труб.

Целью настоящей работы является:

1. Создание новой приведенной и математической модели клети скобы на основе многомассовой многосвязной системы, испытывающей переменные нагрузки с целью снижения уровня динамической загруженности.

2. Описание методики расчета внешних нагрузок и построение зависимостей момента силы упругости от времени действия пиковой нагрузки на основе решения системы дифференциальных уравнений движения, определение максимальных амплитуд моментов крутильных колебаний, нахождения наиболее опасных участков привода рабочей клети редукционного стана.

3. Определение рациональных значений параметров упругой системы для повышения надежности клети.

4. Методика расчета срока службы детали для наиболее опасных участков.

С использованием анализа известных теоретических данных разработана математическая модель скобы. Математическая модель скобы редукционного стана 30-102 включает в себя восьмимассовую механическую систему, учитывающую зазоры, параметры зубчатых передач и электропривод. Созданная математематическая модель включает определение приведенных масс и жесткостей, закона действия внешних нагрузок, составление дифференциальных уравнений движения.

Проведенная численная реализация, полученной математической модели, позволила оценить нагруженность зубчатых передач, определить конструктивные и динамические параметры привода клети скобы.

Научной новизной работы является:

1. Создание приведенной и математической модели привода скобы, позволяющей определить приведенные массы и жесткости, закон действия внешних нагрузок, составить дифференциальные уравнения движения.

2. Описание методики расчета внешних нагрузок и построение зависимостей момента силы упругости от времени действия пиковой нагрузки на основе системы дифференциальных уравнений движения, а так же определение рациональных значений параметров упругой системы.

Практическая ценность работы:

Снижение динамических нагрузок в приводе скобы, повышение надежности и долговечности скобы, создание возможности увеличения производительности стана за счет снижения простоев, увеличение выпуска продукции.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Приведенная модель привода, новая математическая модель привода скобы, позволяющая определить приведенные массы и жесткости, закон действия внешних нагрузок, составить дифференциальные уравнения движения.

2. Введение новых понятий для определения динамической нагружен-ности стана.

3. Описание методики расчета внешних нагрузок и результаты теоретических исследований зависимостей момента силы упругости от основных параметров, определение рациональных значений параметров упругой системы.

С целью получения наиболее полной характеристики процесса были построены функциональные зависимости момента силы упругости от времени действия пиковой нагрузки при различных условиях деформирования с использованием пакета для научных и инженерных расчетов «MathCAD-8 Professional».

Главы 2, 3 и 4 тоже выполнены в этом пакете.

Результаты решения системы дифференциальных уравнений дают возможность определить наиболее опасные участки, провести параметрический анализ и подобрать рациональные значения для снижения динамической загруженности привода клети.

Результаты проведенного анализа позволили сформулировать конкретные рекомендации по снижению динамической загруженности привода и повышению надежности рабочей клети и переданы для внедрения на ОАО «Первоуральский новотрубный завод», а также используются в учебном процессе УГТУ-УПИ при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам «Математическое моделирование» и «Исследование металлургических машин».

Результаты работы переданы для внедрения на ОАО «Первоуральский новотрубный завод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для определения динамической нагруженности стана введено несколько основных понятий: коэффициент технологической перегрузки и коэффициент перегрузки.

В ходе теоретических исследований разработаны приведенная и математическая модель скобы, позволяющая оценить нагруженность зубчатых передач, определить конструктивные и динамические параметры привода в целях снижения уровня динамических нагрузок. Созданная математическая модель включает определение приведенных масс и жесткостей, закона действия внешних нагрузок, составление дифференциальных уравнений движения.

Получены формулы для определения функции момента прокатки. Созданная методика расчета внешних нагрузок позволяет составить любые формулы для определения функции момента прокатки.

Решение системы дифференциальных уравнений показало, что наиболее нагруженной является центральная ветка клети участок 23.

Численная реализация созданной математической модели позволила исследовать влияние различных параметров на динамические нагрузки в средней группе клетей.

Исследование влияния основных параметров на динамические нагрузки позволило определить рациональные значения. Результаты расчета срока службы муфты подтверждают данные по выходам из строя деталей редукционного стана агрегата 30-102 ПНТЗ, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной приведенной и математической моделей.

Результаты проведенного анализа позволили сформулировать конкретные рекомендации по снижению динамической загруженности привода и повышению надежности рабочей клети.

1. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб. М.: Металлургия, 1972. 576 с.

2. Гуляев Г.И., Ившин П.Н., Ерохин И.Н. Технология непрерывной безопра-вочной прокатки труб. М.: Металлургия, 1975. 264 с.

3. Jurgen Ammerling W. Implementation of a new 3-roll Reducing and Sizing block in a wire rod and bar mill. Millennium, 2004.

4. Emst O.B. New developments in rod mills. Iron and Steel Engineer, December,1986.

5. Tosini Riccardo, Toschi Francesco. New stainless and speciality steel long products mini-mill for Baosteel. Millennium, 2004.6. 24ex клетьевой редукционный стан//Техно - рабочий проект. ВНИИМЕТМАШ, 1971.

6. Анисифоров В.П., Зельдович JI.C., Курганов В.Д., Шпигельман P.M., Ивоботенко В.А. Редукционные станы. М.: Металлургия, 1971. 256 с.

7. Шпигельман P.M. Материалы конференции по теории и практике редуцирования труб. Свердловск, 1965. С. 45-49.

8. Целиков А.И., Полухин П.И., Гребеник В.М. Машины и агрегаты металлургических заводов. М.: Металлургия, 1988. Т 3. 680 с.

9. Iron and Steel Engineer, 1956. N 2. P. 76.

10. Вердеревский B.A., Глейберг A.3., Никитин А.С. Трубопрокатные станы. М.: Металлургия, 1983. 240 с.

11. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлург-издат, 1962. 494 с.

12. Чекмарев А.П., Ваткин Я. Л. Основы прокатки труб в круглых калибрах. М.: Металлургиздат, 1962. 222 с.

13. Емельяненко П.Т., Шевченко А.А., Борисов С.И. Трубопрокатное и трубо сварочное производство. М.: Металлургиздат, 1954. 496 с.

14. Шевченко А.А. Непрерывная прокатка труб. Харьков. Металлургиздат,1954. 268 с.

15. Курганов В.Д//Труды ВНИИМЕТМАШ. Москва, 1965. № 15. С. 163.

16. Анисифоров В.П//Бюлл. «Черметинформация», 1966. № 11. С. 51.

17. Анисифоров В.П., Зельдович Л.С// Бюлл. ЦИИН ЧМ, 1965. № 19. С 49.

18. Иванченко Ф.К., Полухин П.И., Тылкин М.А., Полухин В.П. Динамика и прочность прокатного оборудования. М.: Металлургия, 1970. 486 с.

19. Иванченко Ф.К., Красношапка В.А. Динамика металлургических машин. М.: Металлургия, 1983. 295 с.

20. Лехов О.С. Оптимизация машин для деформации непрерывно-литых заготовок. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1995. 182 с.

21. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1968. 270 с.

22. Лехов О.С., Волегов И.Ф. Динамика линий горизонтальных клетей непрерывно-заготовочных станов. Изв. вузов ЧМ, 1977. № 6. С. 170-173.

23. Иванченко Ф.К., Красношапка В.А. Прикладные задачи динамики машин. Киев: Высшая школа. Головное издательство, 1983. 200 с.

24. Паршин B.C., Фотов А.А., Алешин В.А. Холодное волочение труб. М.: Металлургия, 1979. 240 с.

25. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлург-издат, 1962. 494 с.

26. Выдрин В.Н., Федосиенко А.С., Крайнов В.И. Процесс непрерывной прокатки. М.: Металлургия, 1970. 286 с.

27. Выдрин В.Н. Динамика прокатных станов. Свердловск, 1960. 255 с.

28. Материалы конференции по теории и практике редуцирования труб. ЦБТИ, Свердловск, 1965.

29. Никитин А.С. Обзор конструкций редукционных станов. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1969. 1-69-8.

30. Финагин П.М. Новые конструкции клетей редукционных станов. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Металлургическое оборудование, 1967. 1-67-1.

31. Ериклинцев В.В. Опыт освоения непрерывного редуцирования труб снатяжением. ЦБТИ, Свердловск, 1966.

32. Ивоботенко В.А. Современные редукционные станы. Обзор ЦИНТИМАШ, 1962, серия IV.

33. Жучин В.Н., Никитин Г.С. Расчет усилий при непрерывной горячей прокатке. М.: Металлургия, 1986. 286 с.

34. Кожевников С.Н. Метод упрощения динамических моделей при расчете приводов металлургических машин//Машиноведение. 1981. № 1. С. 3-6.

35. Лехов О.С. Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов. М.: Машиностроение, 1975. 184 с.

36. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. М.: Металлургия, 1987. 368 с.

37. Чекмарев А.П., Мутьев М.С., Машковцев Р.А. Калибровка прокатных вал ков. М.: Металлургия, 1971. 101 с.

38. Шенерт Д. Слабые места приводов прокатных станов/Чер. металлы. 1974. №23. С. 26-32.

39. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Учеб. для втузов. В 2-х т. Т. II. М.: Интеграл-Пресс, 2002. 544 с.

40. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2-х ч. Ч. II. Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1997.416 с.

41. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95./Перевод с англ. М.: Информационно-издательский дом «Филин», 1996. 712 с.

42. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965. 247 с.

43. Целиков А.И., Гришков А.И. Теория прокатки. М.: Металлургия, 1970. 358 с.

44. Пляцковский О.А., Гуляев Г.И., Девятисильный В.И. Производство бесшовных труб. М.: Металлургия, 1972. С 22-29.

45. Матвеев Ю.М., Самарянов Ю.В., Гилев П.Г. Новые процессы производства труб. М.: Металлургия, 1969. 264 с.

46. Макаров И.П. Производство сварных и бесшовных труб. М.: Металлургия, 1966. С 121-125.

47. Блинов Ю.И., Ломаченко А.Н. Производство бесшовных труб. М.: Металлургия, 1972. С 34-42.

48. Гуляев Г.И., Иванов И.П., Гринев А.Ф. Новые редукционно-растяжной и калибровочно-редукционный станы в ГДР. М.: Черметинформация, 1969. 22 с.

49. Швейкин В.В., Грабарник Л.М. Производство сварных и бесшовных труб. М.: Металлургия, 1967. С 142-147.

50. Ериклинцев В.В., Блинов Ю.И., Фридман Д.С., Грабарник Л.М. Теория редуцирования труб. Свердловск, 1970. 230 с.

51. Каминская В.В., Левина З.М. Расчет жесткости станков. М.: Машиностроение, 1983. 47 с.

52. Гребеник В.М. Расчет металлургических машин и механизмов. К.: Высшая школа, 1988. 448 с.

53. Иванченко Ф.К., Красношапка В.А. Динамика металлургических машин. М.: Металлургия, 1983. 295 с.

54. Данченко В.Н., Гус А.В. Продольная прокатка труб. М.: Металлургия, 1984. 136 с.

55. Чечулин Ю.Б. Основы расчета деталей машин. Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ, 1994. 76 с.

56. Тетерин П.К. Прокатное и трубопрокатное производство. М.: Металлургиздат, 1959. С 162-180.

57. Колмогоров В.Л., Глейберг А.З. Прокатное и трубопрокатное производство. М.: Металлургиздат, 1959. С 171-179.

58. Ваткин Я.Л. Обработка металлов давлением. М.: Металлургия, 1965. С 332-342.

59. Шевченко А.А. Производство труб. М.: Металлургия, 1965. С 5-10.

60. Девятисильный В.И. Производство труб. М.: Металлургия, 1964. С 10-17.

61. Пляцковский О.А. Производство труб. М.: Металлургия, 1967. С 5-10.

62. Ваткин Я.Jl., Суконник Н.М. Производство сварных и бесшовных труб.

63. М.: Металлургия, 1968. С 87-92.

64. Шубик М.А. Производство сварных и бесшовных труб. М.: Металлургия, 1966. С 73-79.

65. Финкелынтейн Я.С. Производство сварных и бесшовных труб. М.: Металлургия, 1964. С 74-80.

66. Зайков М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке. М.: Металлургиздат, 1960. 301 с.

67. Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Меандров Л.В. Механические свойства стали. М.: Металлургиздат, 1960. 264 с.

68. Зюзин В.И., Бровман М.Я., Мельников А.Ф. Сопротивление деформации сталей при горячей прокатке. М.: Металлургия, 1964. 270 с.

69. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов при обработке давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

70. Житомирский Б.Е., Гарцман С.Д., Филатов А.А. Повышение работоспособности прокатного оборудования за счет снижения динамических нагрузок. Металлургическое оборудование. 1982. № 33. 42 с.

71. Лехов О.С., Малахов А.В., Жигалин А.Г. Оптимизация параметров многомассовых систем главных линий прокатных станов//Изв. вузов. Чер. металлургия. 1986. № 12. С. 122-126.

72. Лехов О.С., Волкова Т.А. Оптимизация конструктивных параметров главных линий прокатных станов//Изв. вузов. Чер. металлургия. 1982. №2. С. 135-137.

73. Лехов О.С. Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов. М.: Машиностроение, 1975. 184 с.

74. Кожевников С.Н. Динамика машин с упругими звеньями. Изд.-во Академии наук Украинской ССР, Киев, 1961. 300 с.

75. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1957. 336 с.

76. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Изд.-во «Наука», 1976. 608 с.

77. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1988. 367 с.

78. Чернавский С.А., Снесарев Г.А., Козинцов Б.С. Проектирование механических передач. Учебно-справочное пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1984. 560 с.

79. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. 304 с.

80. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. 640 с.

81. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. 496 с.

82. Кудрявцев В.Н. Детали машин. Л.: Машиностроение, 1980. 464 с.

83. Иосилевич Г.Б. Детали машин. М.: Машиностроение, 1988. 367 с.

84. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988. 238 с.

85. Серенсен С.В., Катаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

86. Крайнев А.Ф. Детали машин. Словарь-справочник. М.: Машиностроение, 1992. 479 с.

87. Катаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.

88. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Анализ конструкций приводов редукционных станов. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 429.

89. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Влияние натяжения на толщину стенки трубы при редуцировании. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 430.

90. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Особенности динамики редукционных станов. Тез. докл. VI научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2004. С. 431.

91. Паршин B.C., Чумакова Л.А. Методика расчета формирования технологических нагрузок при заполнении трубой редукционного стана. Тез. докл.

92. VIII научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2005. С. 63.

93. Паршин B.C., Чумакова JI.A. Основные причины возникновения пиковых нагрузок в редукционно-растяжном стане и их расчет. Тез. докл. VIII научно-технической конференции молодых ученых УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2005. С. 64.

94. Чумакова JI.A. Методика расчета формирования технологических нагрузок при заполнении трубой редукционного стана//Конструирование и технология изготовления машин. Вестник УГТУ-УПИ № 18(70). Сборник научных трудов. Часть 1. С. 271-279.