автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование условий работы и совершенствование метода расчета динамически нагруженных шарниров скольжения шпинделей прокатных станов

005004935

На правах рукописи

Савельев Николай Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫХ ШАРНИРОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ШПИНДЕЛЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Специальность 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлургического производства)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Новокузнецк 20 И г.

005004935

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Савельев Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Дворников Леонид Трофимович

Кандидат технических наук Тимошенков Юрий Григорьевич

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет».

Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 14- на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42.

Факс (3843) 46-57-92

E-mail: d212 252 04@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан 18 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационног совета, д.х.н., профессор

Горюшкин В. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из основных задач технологического производства является повышение объема выпускаемой продукции. Достигается это повышение путем интенсификации процессов в используемом технологическом оборудовании, в том числе и за счет сокращения периодов его обслуживания и ремонта. Условия работы оборудования в этом случае становятся все более жесткими, что вызывает в их приводах, наряду со статическими, большие динамические нагрузки. Последние начинают оказывать значительное влияние на работоспособность оборудования и определять тем самым его надежность и долговечность. Таким образом, анализ динамических процессов в узлах тяжело нагруженных технологических машин и агрегатов становится необходимым этапом при их создании.

Шпиндели прокатных станов с шарнирами в виде пар трения скольжения широко используются в мировой практике на крупных обжимных, заготовочных, листовых, сортовых и других станах, прежде всего потому, что обладают удачным сочетанием габаритных и прочностных характеристик. Однако работа пар трения этих шпинделей, рассчитанная на 1,5-2 года их эксплуатации, в реальных условиях большинства крупных станов ограничивается двумя-тремя месяцами. В связи с этим постоянно предпринимаются попытки изменить конструкцию вкладышей или заменить шарниры скольжения на шарниры другого типа. Но желаемого эффекта действия такого рода без выявления процессов, происходящих в зоне трения шарниров шпинделей, не дают. Поэтому задача повышения работоспособности шарниров универсальных шпинделей с парами трения скольжения остается крайне актуальной. Решение этой задачи связано, прежде всего, с уточнением сути процессов, происходящих в парах трения скольжения шпинделей во время работы тяжелого прокатного оборудования.

Цель работы - выявить процессы, которые протекают в зоне взаимодействия поверхностей пары трения лопасть - вкладыш шпинделя, оценить силовую картину нагружения вкладышей и разработать метод, позволяющий при более достоверном определении нагруженности вкладышей шпинделя обеспечить необходимую их работоспособность.

Задачи исследования. Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены следующие задачи:

- оценить по интенсивности износа существующий вид взаимодействия поверхностей трения лопасть - вкладыш шпинделей горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана (НЗС) ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат»;

- определить при обработке результатов промышленного эксперимента величину и характер нагрузки, действующей в зоне трения лопасть - вкладыш шпинделя горизонтальной клети НЗС;

- выявить характер частотно-амплитудной характеристики динамического процесса в зоне трения лопасть - вкладыш шпинделя горизонтальной клети НЗС и в самом теле шпинделя;

- оценить в рамках лабораторного эксперимента методом динамической фотоупругости волновую картину в зоне контакта вкладыша своей цилиндрической и плоской поверхностями с элементами шпинделя;

- разработать модель волнового процесса в зоне контакта лопасть - вкладыш универсального шпинделя;

- составить динамическую модель привода прокатного стана, дающую возможность определять не только динамическую составляющую нагрузки на вкладыш, но и обеспечивающую исходными данными процесс расчета в зоне трения волновых процессов;

- разработать программное обеспечение реализации предложенного в работе метода и выполнить расчет нагрузки в зоне трения лопасть - вкладыш привода горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

- сравнить результаты расчета нагрузок по предложенной в работе методике с экспериментальными данными и показать их адекватность.

Методы исследования. В работе были использованы методы физического эксперимента по замеру энергосиловых параметров оборудования, методы физического лабораторного эксперимента, позволяющие моделировать процессы взаимодействия поверхностей пар трения энергопередающих элементов привода машин методом динамической фотоупругости, а также методы математического моделирования динамических и волновых процессов в элементах привода машин.

Научная новизна. В процессе выполнения работы установлено:

- в зоне трения лопасть - вкладыш головной части универсального шпинделя в процессе прохождения через нее механической энергии протекают интенсивные локальные динамические процессы;

- локальные динамические процессы формируют нагрузку, которая на порядок выше статической, то есть той, которая до настоящего времени использовалась в расчетах указанных выше пар трения;

- локальные динамические процессы являются процессами волнового типа, что вызывает неравномерное нагружение поверхностей пары трения лопасть -вкладыш шпинделя;

- локальные волновые процессы протекают с частотами, значительно отличающимися от частот, фиксируемых в это же время в теле шпинделя;

- возникающие в результате волнового процесса в зоне трения нагрузки соответствуют той интенсивности износа пар трения шпинделя, которая в этих парах на практике и наблюдается;

- разработанный в работе метод учитывает статическую, динамическую и волновую составляющие нагрузки в энергопередающей паре трения и дает адекватные экспериментальным данным результаты.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработанный метод и программное его обеспечение для ЭВМ позволяют проводить с высокой скоростью и достаточной точностью расчеты нагруженности пар трения скольжения универсальных шпинделей различных прокатных станов. Результаты исследования могут быть использованы в производстве (в конструкторских

бюро, проектных институтах), в учебном процессе для курса «Оборудование прокатных цехов». Полученные в практике результаты исследований приняты для использования в проектном отделе ООО «ЕвразСервис-Сибирь», что позволит повысить работоспособность прокатного оборудования и увеличить межремонтный срок эксплуатации прокатного стана.

Основные положения, выносимые на защиту:

- в зоне трения элементов головной части универсального шпинделя энергопровода механической энергии прокатной клети действуют локальные по характеру и значимые по величине динамические процессы, нагрузка от которых больше чем на порядок превышает статическую нагрузку;

- нагрузка в зоне трения шарниров шпинделей носит волновой характер, частота значимых мод колебаний которой более чем в два раза превышает частоту мод колебаний нагрузки, наблюдаемой в теле шпинделя;

- характер локального колебательного процесса в парах трения шпинделей зависит от формы контактирующих поверхностей и в большей степени проявляя-ется на поверхности контакта плоских пар трения скольжения;

- метод, разработанный на основе модели волнового процесса в зоне трения лопасть - вкладыш универсального шпинделя, учитывает наличие в этой зоне, наряду со статическими, также динамические и волновые процессы и позволяет получать адекватную результатам промышленного эксперимента нагрузку.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (1997 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века» (1999 г.), на десятой (2000 г.), двенадцатой (2002 г.), тринадцатой (2003 г.), четырнадцатой (2004 г.) и шестнадцатой (2006 г.) региональных научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, на региональной научно-практической конференции «Технологические машины и оборудование» (2009 г.), расширенных семинарах кафедры механического оборудования металлургических заводов (2010 г., 2011 г.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, 4 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК. Одна работа - методическое пособие с грифом учебно-методического объединения.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует п. 1 «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии качества, надежности долговечности, промышленной и экологической безопасности», п. 3 «Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин, агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций» и п. 6 «Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой» паспорта специальности 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (металлургического производства).

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, общие выводы, список литературы и приложение. Общий объем работы 161 е., в том числе: основной текст 108 с. (включая 43 рис. и 2 таблицы), список литературы (121 наименование) 12 е., приложение 40 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность вопроса, рассматриваемого в диссертации, показана цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу существующих методов расчета пар трения универсальных шпинделей и возможному пути их совершенствования. В ней выполнена оценка существующих механизмов износа тяжело нагруженных пар трения и показано, что интенсивность износа взаимодействующих поверхностей определяется механизмом их взаимодействия. Собран статистический материал о величине износа вкладышей шпинделей клети «дуо 800» непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат» и определена интенсивность их износа, которая составила 1435 мм3/см2 на 1000 м пути трения. При сравнении полученной интенсивности износа с данными о механизме износа, взятыми из работ Б.И. Костецкого, было выяснено, что реальный механизм износа - это либо схватывание второго рода, либо фретгинг-процесс. Однако в расчетах, выполненных при проектировании данного узла шпинделя по показателю pV, в паре трения лопасть - вкладыш должен реализовываться окислительный вид износа. Для появления в зоне трения фретгинг-процесса при тех незначительных скоростях скольжения V, которые существуют в шпинделях, в них должны возникать чрезвычайно большие, яе_.учтенные. в. существующих расчетах, давления р.

На основании анализа технической литературы и оценки наблюдаемого в производстве положения дел с интенсивностью износа вкладышей универсальных шпинделей прокатных станов были сформулированы цель и задачи работы и выбраны методы исследования.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы создания расчетной модели и формирование метода определения давления в зоне трения лопасть -вкладыш шпинделя. В процессе захвата металла валками возникают два вида возбуждения. Одно из них - силовое, связанное с приложением к прокатным валкам нагрузки, а второе - скоростное, вызванное рассогласованием скоростей металла и валков. Второй вид возбуждения приводит к возникновению волнового процесса и ударов во всех местах сопряжения элементов привода стана, включая и пару лопасть - вкладыш универсального шпинделя. В силу того, что удар в паре трения шпинделя плоский, он в каждый момент времени t может быть представлен как линейное взаимодействие двух масс. Одна из этих масс соответствует массе вкладыша и рассматривается как стержень 2 (рисунок 1), вторая масса - это масса подвижных частей, приведенных к лопасти шпинделя 1, и которой, при взаимодействии, производится удар. Третьей массой является

вилка шпинделя со всеми приведенными к ней в модели массами; к вилке с помощью «ласточкиного хвоста» прикреплен вкладыш.

а

Л 1к х = 0 Г А. /

ш .......... ¿Ш^'

0

\ / / > .........7........... И

Рисунок 1 - Последовательность перехода от реальной конструкции головки шпинделя к волновой модели узла лопасть - вкладыш шпинделя: а - головка шпинделя; б - выделение взаимодействующих масс пары лопасть - вкладыш шпинделя; в - представление габаритов взаимодействующих при волновом процессе масс; г - схема продольного удара между лопастью шпинделя I, вкладышем шпинделя 2 совместно с вилкой 3

Волна в стержне (вкладыше) возникает в результате взаимодействия массы тх и стержня, которое происходит с относительной скоростью У0 = Ут-Ус, где Ут - скорость массы 1; Ус - скорость стержня. Если считать, что произведен один акт взаимодействия массы со стержнем, то нагрузка, действующая на выделенный участок стержня йбс ( рисунок 1, г), по принципу Да-

д^ ¿г

ламбера запишется так: —ск- рРсЬс—~ = 0, где N - продольная сила, дейст-дх дг

вующая на сечение; р - плотность материала стержня; Р - площадь поперечного сечения; £ - смещение данного поперечного сечения вдоль оси стержня х.

Преобразование этого уравнения и введение в него относительных еди-

ниц приводит к получению описывающего волновой процесс уравнения Сен-Венана следующего вида:

Здесь общим решением этого уравнения является функция, описывающая осевое перемещение поперечного сечения стержня £ = /(а/-х)+(р{ш + х), которая при решении ее методом разрывных функций и наложения на нее определенных начальных и граничных условий дает серию уравнений:

где г - путь, пройденный волной напряжений за время V, 1 - длина стержня (толщина вкладыша шпинделя); % ~ отношение массы стержня к массе груза.

Использование функции /(г) позволяет найти перемещение £ в любом сечении х. Дифференцирование этого перемещения и последующее умножение на нормальный модуль упругости материала (е) дает напряжение в любом сечении стержня и, соответственно, давление на его внешней контактируемой поверхности: ст = Ее = Е— = ЕШш - г) + /'(л + г - 2/)]. с1х

В реальных условиях работы шпинделя прокатного стана скорость взаимодействия лопасти со вкладышем. зависит. ОТ поведения всего привода и в переходных режимах работы стана постоянно воспроизводится. Это возбуждает целую серию следующих друг за другом новых волн напряжений, которые добавляются к уже существующим во вкладыше волновым нагрузкам. Для учета всего многообразия волновых потоков нужно, прежде всего, с определенной цикличностью добавлять новые волновые возбуждения. Для этого необходимо знать характер изменения относительной скорости лопасти и вкладыша во время процесса прокатки металла. Скоростные характеристики лопасти и вкладыша в работе определяются в процессе выполнения динамического расчета поведения привода стана на базе дискретной его модели. Такой расчет начинается с формирования динамической модели привода клетей, где вся линия привода разбивается на простейшие элементы, а затем из них формируется трехмассовая динамическая модель. В работе этот расчет рассмотрен на базе клети «В» непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат». В силу этого в модели рассматриваются три взаимосвязанные через металл клети и количество в ней масс доведено до 12 (рисунок 2, а). Далее на основе динамической модели сформирована математическая модель, в которой движение масс описано дифференциальными уравнениями второго порядка, а внешние моменты и моменты в связях определяются пониже приведенным зависимостям:

дх2 а2 д(2

при 21 <г<41

и т.д.,

d<px dt d<P2 dt

d<Pi

= 9г\

•■ -ist-Mi.

dm, M, ox =—ZX = —i" dt I2

M,

del '

и-С.

30

R>

Mcsij =q{<pj-(pi)+mjl ■

■s >

M„p, =M0= Ip^^AhR

_£12L.

М,

Решение дифференциальных уравнений модели позволило получить моменты, действующие в связях модели, ускорения и скорости масс (рисунок 2, б), а значит и разность скоростей двух рядом стоящих масс, в связи между которыми расположен шпиндель.

a /л 20 за 40 50 60 70

1

Lb.

г Щ ' ! ¿0 30 40 SO 60 70

" Ч 1..........................................................

-'.с

Рисунок 2

■ Моделирование динамических процессов в главной лини клети НЗС: а - динамическая модель; б - результаты расчета трехклеть-евого участка НЗС

Полученные в динамическом расчете скоростные и силовые параметры используются в последующем расчете волнового процесса в паре трения шпинделя. Для реализации этого расчета в работе написана программа для ЭВМ, которая учитывает тот факт, что при наличии относительной скорости масс волновой модели в ней постоянно возникают новые волновые возбуждения. Результат расчета волновой нагрузки с прибавленным к ней статическим и динамическим давлением показан на рисунке 3. При сопоставлении максимальных значений расчетных данных с экспериментальными расхождение составило не более 8,6 %.

Третья глава посвящена оценке экспериментально полученных нагрузок, которые существуют в зоне контакта вкладыша с лопастью шпинделя. Используемый в работе эксперимент проводился на клети «В» непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский метал-

лургический комбинат». При проведении эксперимента во вкладыше были изготовлены специальные гнезда с резьбой на его цилиндрической стороне и с отверстием, выходящим на исследуемую рабочую сторону (рисунок 4). В эти гнезда ввинчивались тензометры. Головная часть тензометров была ограничена упорным буртом. Это позволило устанавливать их с некоторым предварительным поджатием и фиксировать в дальнейшем не только напряжения сжатия, но и растяжения. После установки все выступающие части тензометров спиливались заподлицо с телом вкладыша.

Рисунок 3 - Нагрузка на вкладыш шпинделя клети «В» НЗС ОАО «ЗСМК»: а-полученная по предложенному в работе методу; б - полученная экспериментальным путем

r f . mm

v щшш?

Рисунок 4 - Расположение измерительных приборов для замера давления и момента прокатки в элементах универсального шпинделя: а -зоны расположения тензометров и тензомоста; б - вид расположения гнезд во вкладыше; в - вид тензометра

Тарировка тензометров выполнялась на гидропрессе в специально изготовленной под цилиндрическую часть вкладыша опоре. Вкладыш нагружался локально в зонах расположения каждого из тензометров. Зона охватывала область 030 мм с центром, совпадающим с осью тензометра. Величина прикладываемой нагрузки оценивалась по показаниям динамометра. Через действующую в зоне нагрузку и площадь ее приложения определялось давление на участке работы данного тензометра. Фиксация всех данных во время эксперимента велась на осциллографе Н-117 со скоростью записи 250 мм/с и 2 м/с. Фиксировались давление в точках на плоской поверхности трения вкладыша головки шпинделя, момент в теле шпинделя и значения тока привода клети. При расшифровке записей осциллограммы сначала оцифровывались, затем каждый из

графиков выделялся с помощью программы Graph2Digit. Графики изменения давления в зонах установки тензометров и значения крутящего момента в теле шпинделя показаны на рисунке 5.

Анализ полученных графиков показывает, что максимальные нагрузки возникают в период неустановившегося процесса прокатки и достигают весьма больших значений, близких 600 МПа. При этом динамические нагрузки в самом теле шпинделя остаются незначительными. При пересчете, например, по существующим методам, момента в теле шпинделя, где присутствует статическая и динамическая нагрузки, в давление в точке установки тензометра 3 и сравнении значений давления в этой точке выявляется, что давление, полученное прямым замером, больше чем в 10 раз превышает давление, пересчитанное из момента, действующего в теле шпинделя. Отсюда следует, что в зоне трения действуют процессы, создающие давление, которое через момент в шпинделе определить затруднительно.

7Т

♦ ♦

8 Г « »

♦ »

* 3 • <

Участок пошагового воссоздания характера распределения давления по зоне контакта вкладыша с лопастью шпинделя

Рисунок 5 - Графики изменения момента в теле шпинделя, давления на поверхности вкладыша в каждой из точек установки тензометра

Для оценки характера распределения давления по поверхности контакта пары трения данные о давлении в зоне каждого тензометра за период г = 0.4- 0,024 с были разбиты на интервалы с шагом * = 0,004 с. Затем для каждого момента времени были построены объемные картины распределения и изменения давления в исследуемой зоне. Каждая из картин формировалась методом интерполяции с помощью программы ЗиКРЕЯ 8.0 (рисунок 6).

Из представленных на рисунке 5 зависимостей видно, что характер распределения давления по площади контакта вкладыша с лопастью по мере на-гружения главной линии стана меняется во времени как по форме расположения максимумов и минимумов, так и по их величине. Характер распределения нагрузки в зоне контакта вкладыша в каждый момент времени также разнообразен. Такое постоянно меняющееся распределение давления в зоне контакта вкладыша свидетельствует о наличии в ней волновых процессов. Для оценки волновых процессов, происходящих в зоне контакта пары трения лопасть -вкладыш шпинделя, в работе выполнен частотно-амплитудный анализ.

Рисунок 6 - Характер изменения давления в зоне контакта пары трения лопасть - вкладыш шпинделя

В результате определен спектр нагрузок, действующих в области установки тензометра 3 и полученных в одном случае прямым замером p3(t), а в другом - путем пересчета момента в шпинделе в давление /)] ^)! Анализ спектра проводился методом разложения кривых р3 (?) и р\ (*) в ряд Фурье по частотам. Экспериментальные кривые p3(t) и p'z{t) были представлены рядом Фу-

/\ ^ 2як . 2як рье вида p3(t)=a0 cos—-i + ^^sin-1 ,

*=i Т к=1 Т

2 як ,,

где (о =-(к - гармоническая компонента); h = T/m, m - количество дан-

п

ных; A(k)=Jaf~+b[,

- р0 cos(i»(£)hO)+ р„ cos(w(k)hn)+2^ р, cos(a>(k)hi)] at{k)^---—--2;

р0 sin(®(/t)hO)+ рп sin(co{k)hn)+ 2]Г pt sia(co(k)hi) j

h

ъХк)Л

Из графиков частотно-амплитудных характеристик (рисунок 7) виДно, что амплитудные значения давлений, соответствующие сходным частотам колебаний, полученные пересчетом через нагрузку в шпинделе и непосредственным замером в третьей точке зоны трения, более чем на порядок отличаются друг от друга. При этом спектр колебаний в зоне контакта пары трения значительно разнообразнее спектра колебаний в теле шпинделя. Если в теле шпинделя колебательный процесс при частотах более 400 Гц практически не значим, то в зоне контакта моды колебаний вплоть до 800 Гц имеют значительные амплитуды - в пределах 10-20 МПа.

а, Гц

а, Гц

ю 210 410 610 810 ' 10 210 410 810 810

Рисунок 7 - Амплитудно-частотные характеристики нагрузки в третьей точке зоны контакта пары трения: а - давление получено прямым замером в эксперименте; б - давление получено путем пересчета крутящего момента в теле шпинделя

В четвертой главе представлены результаты лабораторного эксперимента по оценке динамических процессов в зоне трения энергопроводящей пары трения шпиндельной головки прокатного стана. У прокатных станов процесс преобразования энергии и ее передача от двигателя прокатных клетей к рабочим валкам, а затем реализация ее в зоне деформации металла в полезную работу, согласно теории движения, может быть представлена в виде серии трех разноплановых по физической сути, но последовательных во времени этапов. Это этап самодвижения С,, этап действия £»,■ и этап отражения 01 (рисунок 8, а). При передаче движения в местах сопряжения деталей механопровода протекают переходные динамические процессы. Визуализация таких процессов считается наиболее информативным и наиболее достоверным из методов их изучения. В работе, в связи с этим, использовался метод динамической фотоупругости.

Передача энергии в зоне трения шарнира универсального шпинделя в диссертации изучается в пределах плоских сечений, проходящих по парам трения (рисунок 8, б, в, г). При этом учитывается направление передачи через них энергии. Шпиндель состоит из двух шпиндельных головок, расположенных с обеих его сторон. При передаче через шпиндель энергии элементы шарниров головок нагружаются по-разному. В работе смоделированы три возможных варианта зон контакта элементов шпинделя. Все модели элементов шпинделя в эксперименте были выполнены из органического стекла марки ОНС толщиной 10 мм. После механической обработки моделей они подвергались отжигу для снятия остаточных напряжений.

Процесс прохождения механической энергии через модель в лабораторном эксперименте представлял собой разовую волну упругой энергии, создаваемой импульсной нагрузкой, прикладываемой к торцу волновода. Характер импульса имел вид треугольника с продолжительностью действия 65-75 мкс. В течение этого периода механическая энергия в виде упругой волны по волноводу подводилась к зоне контакта поверхностей моделируемых деталей шпинделя

Модель, из У)

а

оргстекла, зоны контакта "

Модель, т оргстекла, -зоны

Сечениеъ к0Нтаз

Сечение б

Модель, из оргстекле, зоны контакта *6*

Рисунок 8 - Виды сечений и формы моделей в лабораторном эксперименте: а -процесс преобразования энергии и ее передача от двигателя прокатных клетей к рабочим валкам; б - сечение вдоль оси вкладыша, моделируется процесс передачи нагрузки от лопасти на плоскую поверхность вкладыша; в - поперечное сечение вкладыша через центр приложения результирующей на него силы, моделируется процесс передачи нагрузки от вкладыша на вилку головки шпинделя; г - поперечное сечение вкладыша, аналогичное сечению в, моделируется процесс передачи нагрузки от вкладыша вилке шпинделя

и, проходя эту зону, создавала картину локальных динамических в ней процессов. Имитация динамического нагружения образца осуществлялась взрывом плоского заряда вещества ТЭН массой 170-180мг. Для создания плоского фронта волны заряд равномерно располагался по поверхности волновода на расстоянии 120 мм от исследуемой области. Синхронизация момента нагружения образца, включения источника света и начала работы кинокамеры выполнялась блоком синхронизации установки. Волновая картина регистрировалась скоростной кинокамерой СФР-1М. Скорость съемки составляла миллион кадров в секунду. Поле съемки при этом получалось в виде квадрата 50x50 мм. Фрагмент одной из кинограмм приведен на рисунке 9. Каждый из опытов данного эксперимента повторялся пять раз. Повторяемость результатов замеров контролировалась по максимальному значению величины нагружения образца. В обработанных опытах разброс максимального значения внешней нагрузки не превышал 6 %,

При расшифровке кинограмм оценивались следующие параметры: характер изменения максимального давления т на поверхности контакта исследуемых элементов шпинделя, который определялся путем подсчета прошедших через эту поверхность темных полос; локализация зоны 5 максимального давления, которая находилась как отношение длины зоны с максимальной нагрузкой к общей длине контактируемой поверхности; концентрация давления, т.е. вели-

Рисунок9 -

чина перепада максимального и минимального давления в зоне контакта взаимодействующих поверхностей - . Графики изменения рассматриваемых параметров приведены на рисунке 10. Эксперимент показал, что картина движения упругой волны по волноводу и начала ее прохождения через зону контакта исследуемых элементов во всех трех моделях одинаковая. Однако после прохождения волны через зону контакта и возникновения процесса взаимоналожения прямых и отраженных от поверхности волн картина напряжений для разных форм сопрягаемых поверхностей элементов головки шпинделя становится абсолютно разной. При плоском контакте возрастание нагрузки сопровождается увеличением степени ее локализации (рисунок 10, а). Зоны высокого давления периодически локализуются то в центре сечения, то на периферии, и характер изменения величины давления в зоне контакта приобретает то выпуклую форму, когда давление увеличено в центральной части зоны, то вогнутую, когда давление увеличивается на периферии контактируемой зоны. Перепад нагрузок и локализация максимальной нагрузки на поверхности контакта рассматриваемой пары в первые 15-20 мкс незначительные. Однако при увеличении нагрузки возрастают сразу и степень ее концентрации, и степень локализации. Данный процесс продолжается до 60-70 мкс. Далее нагрузка постепенно падает, снижается и ее концентрация, а вот ее локализация продолжает оставаться высокой вплоть до исчезновения нагрузки в зоне контакта рассматриваемых элементов.

При выпуклом контакте формируется более сложная структурная картина распределения давления в зоне контакта, чем при плоском контакте. В этом случае тенденция перемещения высоких давлений периодически от периферии

Фрагмент кинограммы волнового процесса в сечении «а»

к центру и обратно поперек зоны контакта сохраняется, однако она менее ярко выражена и сопровождается возникновением дополнительных концентраторов давления. В среднем же перепад давления в зоне контакта и концентрация давления в зоне соприкосновения выпуклых поверхностей значительно ниже, чем при соприкосновении плоских поверхностей.

При вогнутом контакте создается еще более разнообразная картина распределения давления на поверхности контакта. В этом случае постоянно возникает несколько центров высокого давления. Количество этих центров меняется, периодически то увеличиваясь, то уменьшаясь. Это свидетельствует о возникновении нескольких локальных зон колебаний на поверхности контакта. Однако абсолютная величина давления в этих зонах меньше той, что была в плоском контакте.

Я 23 >7 п >5 М 141 Ш 0 13 4) « 55! '¿»"ТВ Ш О И *> 71 ¡5 Ш ¡43

Рисунок 10 - Характер изменения силовых показателей взаимодействия поверхностей шарнира шпинделя: а - плоский контакт; б -выпуклый контакт; в - вогнутый контакт

Таким образом, рассмотрев картину нагружения различных по форме зон контакта пар трения шпинделей прокатных станов, можно утверждать, что самая высокая локальная нагрузка с одновременно высокой ее концентрацией возникает в плоской паре трения головки шпинделя. Если вкладыш рассчитать по показателям плоской поверхности, то в остальных случаях он будет работоспособен.

В результате выполнения в работе исследований показано, что в зоне контакта пары трения шпинделя возникают большие нагрузки, которые формируются в результате действия волновых процессов. При выборе пути обеспечения работоспособности пар трения механопроводов во время их конструирования в работе предложены три направления: либо изготавливать пары трения из материалов (включая смазку), способных выдержать большие давления, либо использовать инженерные решения, снижающие волновую нагрузку, либо совместить решения первого и второго напрвления. Предложенный в работе под-

ход к классификации возможных вариантов повышения работоспособности пар трения шарниров универсальных шпинделей основан на принципах, заложенных в теории формирования сложных технических систем. Этот подход позволяет сформировать систему предложений вплоть до конкретных конструктивных решений. Использование такого подхода дает возможность конструктору, создающему шпиндели для вновь проектируемого стана, выбрать рациональное решение.

В приложениях приведены тексты программ, созданных для данной диссертации, а также акт о предложении к внедрению полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе на основе экспериментальных и теоретических изысканий получены следующие результаты:

1. В процессе выполнения экспериментальных исследований установлено, что в зоне контакта пары трения лопасть - вкладыш механопровода в виде шпинделя действуют локальные динамические процессы большой интенсивности.

2. Частотные характеристики этих процессов содержат не только моды колебаний, которые существуют во всем шпинделе, но и колебания с высокими частотными составляющими

3. Локальные нагрузки в зоне трения более чем на порядок превышают давление на поверхности вкладыша пары трения шпинделя, вызванное статическими нагрузками в приводе стана.

4. Локальный динамический процесс имеет волновую природу, которая зависит от характера скоростного взаимодействия элементов пары трения и формы контактируемых поверхностей.

5. Добавление в метод расчета к статической, динамической еще и волновой составляющей нагрузки позволяет определить в паре трения головки шпинделя давление, соответствующее экспериментальным данным.

6. В результате проделанных в работе экспериментально-теоретических изысканий разработан метод и программное к нему обеспечение, позволяющее определить давление в зоне трения шарнира головки шпинделя, адекватное давлению, полученному в промышленном эксперименте.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Савельев А.Н. Анализ динамических процессов в системе клетей непрерывно-заготовочного стана/ А.Н. Савельев, Н.В. Савельев, В.В. Гайдук // Современные проблемы и пути развития металлургии: тезисы докладов междунар. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 1997. - С. 14,15.

2. Савельев А.Н. Оценка процесса взаимодействия поверхностей вкладыша головки шпинделя методом фотоупругости / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 1999. - С. 18,19.

3. Савельев А.Н. Оценка процесса взаимодействия контактируемых поверхностей вкладыша головки шпинделя методом фотоупругости / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев, В.Н. Гульняшкин // Материалы десятой науч.-практ. конф.

по проблемам механики и машиностроения. - Новокузнецк, 2000. ~ С. 174-178.

4. Савельев А.Н. Оценка величины нагружения пары трения универсального шпинделя клетей непрерывно-заготовочного стана / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Материалы двенадцатой науч.-практ. конф. по проблемам механики и машиностроения. - Новокузнецк, 2002. - С. 168-171.

5. Савельев А.Н. Экспериментальная оценка динамических нагрузок в зоне трения вкладышей универсального шпинделя прокатного стана / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Известия вузов. Черная металлургия. - 2002. - J\T° 8.-С. 51-53.

6. Савельев А.Н. Комплексное исследование характера нагружености пары трения шпинделей заготовочного прокатного стана / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Материалы тринадцатой науч.-практ. конф. по проблемам механики и машиностроения. - Новокузнецк, 2003. - С. 33-40.

7. Савельев А.Н. Идентификация механизма взаимодействия поверхностей трения шпинделей черновой группы клетей НЗС / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Материалы четырнадцатой науч-практ. конф. по проблемам механики и машиностроения. - Новокузнецк, 2004. - С. 133-136.

8. Савельев А.Н. Динамика тяжелонагруженных технологических машин / А.Н. Савельев, М.И. Ступаков, Н.В. Савельев. - Новокузнецк : СибГИУ, 2005:-194 с.

9. Савельев А.Н. Частотно-амплитудный анализ напряжений в универсальном шпинделе привода прокатной клети / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Материалы шестнадцатой науч.-практ. конф. по проблемам механики и машиностроения. - Новокузнецк, 2006. - С. 218-224.

Ю.Савельев А.Н. Анализ нагрузок во вкладыше универсального шпинделя привода прокатао! клётйТА.Н. Савельев, H.H. Савельев И Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 10. - С.57-59.

П.Савельев А.Н. Визуальная оценка динамических процессов в шарнирах головок универсального шпинделя / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Известия вузов. Черная металлургия. - 2009. - №8. - С. 59-64.

12.Савельев А.Н. Метод расчета давления в зоне контакта лопасть - вкладыш универсального шпинделя с учетом происходящих в ней волновых процесссов / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев, H.A. Локтева // Известия вузов. Черная металлургия. - 2011. - №6. - С. 50-55.

Подписано в печать «16» ноября 2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная Усл. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л. 1,24. Тираж 100 экз. Заказ № 613.

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Типография СибГИУ

ОГЛАВЛЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ,

ПРОИСХОДЯЩИХ В ЗОНЕ ТРЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ.

1.1 Особенности работы пар трения скольжения шпинделей прокатных станов и методы их расчета.

1.2 Существующие виды взаимодействия поверхностей трения и механизмы их износа.

1.3 Классификация видов разрушения при трении и идентификация механизма трения в парах трения шпинделей клетей НЗС.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ КОНТАКТА ПАР ТРЕНИЯ ШПИНДЕЛЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ.

2.1 Формирование математической модели продольных колебаний, возникающих в плоскости соприкосновения вкладыша и лопасти универсального шпинделя.

2.2 Оценка скоростного режима взаимодействия контактируемых поверхностей пары трения скольжения универсального шпинделя.

2.3 Разработка метода определения нагрузок в зоне контакта пары трения головок универсального шпинделя и идентификация модельных оценок и экспериментальных данных.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЗОНЕ ТРЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ ШПИНДЕЛЯ ПРОКАТНОГО ДВУХВАЛКОВОГО СТАНА 800.

3.1 Особенности методики эксперимента по замеру давления в зоне контакта пары трения шпинделей энергопровода прокатной клети «Б».

3.2 Оценка силовых условий эксплуатации вкладышей шпинделей.

3.3 Частотно-амплитудный анализ нагрузок на вкладыш универсального шпинделя привода прокатной клети.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В

ЗОНЕ ТРЕНИЯ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ.

4.1 Методические особенности постановки лабораторного эксперимента динамической фотоупругости на физических моделях.

4.2 Особенности проведения эксперимента по изучению волновых процессов в зоне контакта пар трения универсального шпинделя.

4.3 Качественная оценка характера нагружения зоны контакта вкладыша с элементами головки шпинделя.

4.4 Оценка возможных путей достижения работоспособного состояния пар трения скольжения универсальных шпинделей.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность работы. Одна из основных задач технологического производства заключается в повышении объема выпускаемой продукции. Достигается это повышение путем интенсификации использования технологического оборудования, в том числе и за счет сокращения процессов на обслуживание и ремонт. Условия работы оборудования в связи с этим становятся все более жесткими, так как в узлах и деталях машин, наряду со статическими, все чаще проявляются большие динамические нагрузки. Динамические процессы начинают оказывать значительное влияние на работоспособность оборудования, определяя тем самым его надежность и долговечность. Проектирование такого оборудования без тщательного анализа динамических процессов вызывает, как правило, значительное завышение его массы без какой-либо при этом гарантии на высокую эксплуатационную надежность. Потребность в динамическом анализе поведения приводов, таким образам, становится необходимым этапом процесса проектирования технологических агрегатов и их машин.

Шпиндели прокатных станов с шарнирами скольжения широко используются в нашей стране и за рубежом на крупных станах и ножницах прессового типа. Работа наиболее интенсивно изнашиваемых элементов шпинделей, таких как вкладыш или сухари, рассчитанных на 1,5-2 года эксплуатации, в реальных условиях ограничивается двумя-тремя месяцами. В силу этого постоянно предпринимаются попытки изменить конструкцию вкладышей или заменить шарниры скольжения на шарниры другого типа. В частности, на ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» шпиндели с шарнирами скольжения на некоторых клетях линии блюминг-НЗС были заменены на шарниры Гука с подшипниками качения. Однако большого эффекта реконструкция такого рода не дает, кроме того, не на всех клетях прокатных станов возможно заменить универсальные шпиндели на шпиндели с шарниром качения. Это невозможно прежде всего из-за того, что габариты шарнира с элементами качения больше размеров головки универсального шпинделя, они более трудоемки в изготовлении и эксплуатации, более чувствительны к динамическим нагрузкам, требуют более высокой точности в изготовлении и монтаже.

Отсюда задача повышения работоспособности шарниров универсальных шпинделей прокатного оборудования с парами трения-скольжения остается крайне актуальной. Решение этой задачи требует уточнения сути процессов, которые происходят в парах трения-скольжения шпинделей.

Цель работы - выявить процессы, которые протекают в зоне взаимодействия поверхностей пары трения лопасть - вкладыш шпинделя, оценить силовую картину нагружения вкладышей и разработать метод, позволяющий при более достоверном определении нагруженности вкладышей шпинделя обеспечить необходимую их работоспособность.

Задачи исследования. Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- оценен по интенсивности износа существующий вид взаимодействия поверхностей трения лопасть - вкладыш шпинделей горизонтальной клети непрерывно-заготовочноко стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

- разработана модель волнового процесса в зоне контакта лопасть -вкладыш универсального шпинделя;

- составлена динамическая модель привода прокатного стана, дающая возможность определять не только динамическую составляющую нагрузки на вкладыш, но и обеспечивающая исходными данными расчет в зоне трения волновых процессов;

- создано программное обеспечение реализации предложенного в работе метода и выполнен расчет нагрузки в зоне трения лопасть — вкладыш привода горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

- определены при обработке результатов промышленного эксперимента величина и характер нагрузки, действующей в зоне трения лопасть - вкладыш шпинделя;

- выявлен характер частотно-амплитудной характеристики динамического процесса в зоне трения лопасть — вкладыш шпинделя прокатного стана и в самом теле шпинделя;

- оценена в рамках лабораторного эксперимента методом динамической фотоупругости волновая картина в зоне контакта вкладыша с элементами шпинделя своей цилиндрической и плоской поверхностями;

- выполнено сравнение результатов расчета нагрузок по предложенной в работе методике с экспериментальными данными и показана их адекватность.

Методы исследования. В работе были использованы методы физического эксперимента по замеру энергосиловых параметров оборудования, методы физического лабораторного эксперимента моделирования процессов взаимодействия поверхностей пар трения энергопередающих элементов привода машин методом динамической фотоупругости, а также методы математического моделирования динамических и волновых процессов в элементах привода машин.

Научная новизна. В процессе выполнения работы установлено, что в зоне трения лопасть - вкладыш головной части универсального шпинделя в процессе прохождения через нее механической энергии протекают интенсивные локальные динамические процессы;

- локальные динамические процессы формируют нагрузку, которая на порядок выше статической, то есть той, которая до настоящего времени принимается в расчетах этих пар трения;

- локальные динамические процессы являются процессами волнового типа, что вызывает неравномерное нагружение поверхностей пары трения лопасть - вкладыш шпинделя;

- локальные волновые процессы протекают с частотами, значительно отличающимися от частот, фиксируемых в это же время в теле шпинделя;

- возникаемые в результате волнового процесса в зоне трения нагрузки соответствуют той интенсивности износа пар трения шпинделя, которая в этих парах на практике и наблюдается;

- разработанный в диссертации метод учитывает статическую, динамическую и волновую составляющие нагрузки в энергопередающей паре трения и дает адекватные экспериментальным данным результаты.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанный метод и программное его обеспечение для ЭВМ позволяют проводить с высокой скоростью и достаточной точностью расчеты нагруженности пар трения скольжения универсальных шпинделей различных прокатных станов. Результаты исследования могут быть использованы в производстве (в конструкторских бюро, проектных институтах), в учебном процессе для курса «Оборудование прокатных цехов». Полученные в практике результаты исследований приняты для использования в проектном отделе ООО «ЕвразСервис-Сибирь», что позволит повысить работоспособность прокатного оборудования и увеличить межремонтный срок эксплуатации прокатного стана (приложение 6).

Основные положения, выносимые на защиту:

- в зоне трения элементов головной части универсального шпинделя энергопровода механической энергии прокатной клети действуют локальные по характеру и значимые по величине динамические процессы, нагрузка от которых больше чем на порядок превышает статическую;

- нагрузка в зоне трения шарниров шпинделей носит волновой характер, частота значимых мод колебаний которой более чем в два раза превышает частоту мод колебаний нагрузки, наблюдаемой в теле шпинделя;

- характер локального колебательного процесса в парах трения шпинделей зависит от формы контактирующих поверхностей и в большей степени проявляется на поверхности контакта плоских пар трения скольжения;

- метод, разработанный на основе модели волнового процесса в зоне трения лопасть - вкладыш универсального шпинделя, учитывает наличие в этой зоне наравне со статическими также и динамические, и волновые процессы и позволяет получать адекватную результатам промышленного эксперимента нагрузку.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (1997 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века» (1999 г.), на десятой (2000 г.), двенадцатой (2002 г.), тринадцатой (2003 г.), четырнадцатой (2004 г.) и шестнадцатой (2006 г.) региональных научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, на региональной научно-практической конференции «Технологические машины и оборудование» (2009 г.) и расширенных заседаниях кафедры механического оборудования металлургических заводов (2010 г., 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Одна работа опубликована в виде учебно-методического пособия с грифом учебно-методического объединения.