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

0О4Ь

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 (металлургическое производство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Новокузнецк 2010 г.

004616394

Работа выполнена в ГОУ ВПО «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 - ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет».

сертационного совета Д.212.252 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, Кемеровская обл., г. Новокузнецк., ул. Кирова, 42, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного индустриального университета.

Защита состоится 21 декабря 2010 г. в щ

ОС'

на заседании дис-

Автореферат разослан 16 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

У,

Горюшкин В. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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 образам, 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 дву-мя-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 вкладыш - лопасть шпинделя, оценить си-

ловую 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 вкладыш - лопасть шпинделей горизонтальной клети не-прерывно-заготовочноко стана (НЗС) ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

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

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

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

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

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

- разработано программное обеспечение реализации предложенного в работе метода и выполнен расчет нагрузки в зоне трения вкладыш - лопасть привода горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЗСМК»;

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

Методы исследования. В работе были использованы методы физическо-

4

го эксперимента по замеру энергосиловых параметров оборудования; методы физического лабораторного эксперимента, позволяющие моделировать процессы взаимодействия поверхностей пар трения энергопередаюших элементов привода машин, способом 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 вкладыш — лопасть головной части универсального шпинделя в процессе прохождения через нее механической энергии протекают интенсивные локальные динамические процессы;

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

- локальные динамические процессы являются процессами волнового типа, что вызывает неравномерное нагружение поверхностей пары трения вкладыш - лопасть 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 работе 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. Надежность получаемых результатов и доступность в применении предложенного метода позволяют его использовать для конструкторских и учебных целей.

5

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 проявляется на поверхности контакта плоских пар трения скольжения;

- метод, разработанный на основе модели волнового процесса в зоне трения вкладыш - лопасть 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: 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 расширенном семинаре кафедры механического оборудования металлургических заводов (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, 3 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК. Одна работа - учебное пособие с грифом учебно-методического объединения.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы,

б

общие выводы, список литературы и приложение. Общий объем работы 142 е., в том числе: основной текст 104 с. (включая 40 рис. и 2 таблицы), список литературы (48 наименований) - 4 е., приложения 38 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 «ЗСМК» и определена интенсивность их износа, которая составила {Ип) = 1435,54 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 фретганг-процесс. Однако в расчетах, выполненных при проектировании данного узла шпинделя по показателю рУ, в паре трения вкладыш - лопасть должен реализовываться окислительный вид износа. Для появления в зоне трения фреттинг-процесса при тех незначительных скоростях скольжения V, которые существуют в шпинделях, в них должны возникать чрезвычайно большие, не 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.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию давления, которое существует в зоне контакта вкладыша с лопастью шпинделя. Эксперимент проводился на клети «В» непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЗСМК». При проведении эксперимента во вкладыше были изготовлены специальные гнезда с резьбой на его цилиндрической стороне и с отверстием, выходящим на исследуемую рабочую сторону вкладыша (рисунок 1). В эти гнезда ввинчива-

Рисунок 1 - Характер расположения 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 тензометров в сборе

лись тензометры. Головная часть тензометров была ограничена упорным буртом. Это позволило устанавливать тензометры 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.

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 нагрузку зоны и площадь ее приложения определялось давление, действующее 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, они сначала оцифровывалась, 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 2.

Рисунок 2 - Графики изменения давления на поверхности вкладыша в каждой из точек установки тензометра и момента в теле шпинделя

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 са-

мом 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 3-го тензометра и сравнении данного значения с давлением, полученным прямым замером, выявляется, что последнее 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.

Для оценки характера распределения давления, по поверхности контакта пары трения, данные о давлении в зоне каждого тензометра, за период t- 0 -г 0,024 с были разбиты на интервалы с шагом t = 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 SURFER 8.0 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Характер изменения давления в зоне контакта пары трения вкла-

Из полученных распределений давления видно, что характер его распределения по площади контакта вкладыша с лопастью по мере нагружения главной линии стана меняется во времени как по форме расположения максимумов и минимумов, так и по их величине. Одновременно характер распределения нагрузки в зоне контакта вкладыша в каждый момент времени также разнообразен. Такое постоянно меняющееся распределение давления на поверхности

t=0,004

t=0,008

t=0,012

дыш - лопасть шпинделя

контакта вкладыша свидетельствует о наличии в этой зоне волновых процессов. Для оценки волновых процессов, происходящих в зоне контакта пары трения вкладыш - лопасть шпинделя, в работе выполнен частотно-амплитудный анализ. В результате, определен спектр нагрузок, действующих в области установки третьего тензометра и полученных в одном случае прямым замером р} (0, а в другом - путем пересчета момента в шпинделе в давление р'ъ(1). Анализ спектра проводился методом разложения кривых рг (/) и р\ (/) в ряд Фурье по частотам. Экспериментальные кривые р3 (f) и р\ (t) были представлены в виде

, , ч V"» lltk , . 17tk

ряда Фурье: p3Q)=a0 cos—--/ + 2Л slnT"''

к=1 1 i=l I

где a = {к - гармоническая компонента); А = Т/т, т - количество дан-п

пых

; A(k^4a]+bl

—[ cos(«(£)■ h ■ 0)+ р„ cos(co(A:)- h ■ ri)+ 2]Г cos(o(it)- A • г)

---¿.2

аГ "''

— 5т((»(А)- Ъ ■ 0)+ рп зт(й)(£> /г • и)+ Л Бт(й)(£)- А • /') 6, (*)= ---м-у . 2 _

Из графиков частотно-амплитудных характеристик (рисунок 4) видно, что амплитудные значения давлений, соответствующие сходным частотам колебаний, полученные 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.

Таким образом, из промышленного эксперимента следует, что в зоне кон-

такта действуют локальные волновые процессы высокой интенсивности, больше чем на порядок превышающие статические давления. Форма распределения нагрузки в зоне трения сильно меняется и выглядит как сложный волновой поверхностный процесс. Из сопоставления частотных характеристик в теле шпинделя и в зоне контакта пары трения шпинделя видно, что локальные волновые процессы идут при частотах, характеристики которых значительно выше значимых частот в шпинделе привода прокатного стана.

а, Гц

Гц

Рисунок 4 - 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 третьей 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 I), и этап отражения О, (рисунок 5, 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 тре-

12

ния (рисунок 5, 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.

Уровень звеньев машин

Модель, из Сечение "б" оргстекла, зоны Контакта "6"

Модель, ю Сечение "в" оргстекла, зоны

ГОН

Рисунок 5 - Виды сечений и формы моделей в лабораторном эксперименте 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 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 6. 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 %.

Рисунок 6 - Фрагмент кинограммы волнового процесса в сечении «А» 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. величина перепада максимального и минимального давления в зоне контакта взаимодействующих поверхностей - аст. Графики изменения рассматриваемых параметров приведены на рисунке 7.

Эксперимент показал, что картина движения упругой волны по волноводу и начало ее прохождения через зону контакта исследуемых элементов во всех трех моделях одинаковая. Однако после прохождения волны через зону контак-

та 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 7, а). Зоны высокого давления периодически локализуются то в центре сечения, то на периферии, и характер изменения величины давления в

Рисунок 7 - Характер изменения силовых показателей взаимодействия поверхностей шарнира шпинделя: а - плоский контакт; б - выпуклый контакт; в -

вогнутый контакт

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 6070 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 взаимодействии поверхностей формируется более сложная структурная картина распределения по ним давления, чем при плоском контак-

те. В этом случае тенденция перемещения высоких давлений периодически от периферии 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.

В третьей ситуации 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.

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 пары трения - скольжения, то в остальных случаях он будет работоспособен.

В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы создания расчетной модели и формирование метода определения давления в зоне трения вкладыш - лопасть 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 скорости металла и валков. Второй вид возбуждения приводит к возникновению волнового процесса и ударов во всех местах сопряжения элементов привода стана, включая и пару вкладыш - лопасть 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 (рису-

16

I

Рисунок 8 - Последовательность перехода от реальной конструкции головки шпинделя к расчетной схеме

является вилка шпинделя со всеми приведенными к ней в модели массами, к которой с помощью «ласточкиного хвоста» прикреплен вкладыш. Волна в стержне (вкладыше) возникает в результате контакта массы от, и стержня, которые взаимодействуют между собой с относительной скоростью У0 = Ут - Ус, где Ут - скорость массы У, Ус - скорость стержня. Если считать, что произведен один акт взаимодействия массы со стержнем, то нагрузка, действующая на выделенный участок стержня с1х ( рисунок 8, г), по принципу Даламбера запи-

шется^-р^ = 0,

дх а2

где N - продольная сила, действующая на сечение; р - плотность мате-

нок 8), вторая масса - это масса подвижных частей, приведенных к лопасти шпинделя 1, которой при взаимодействии производится удар. Третьей массой а б з в

риала стержня; Е - площадь поперечного сечения; £ - смещение данного поперечного сечения вдоль оси стержня х. Преобразование этого уравнения и введение в него относительных единиц приводит к получению волнового уравнения Сен-Венана следующего вида:

дх2 аг д(2

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

а X

а X

1-е ' \ J

при 0 < г < 2/,

X&zMl'

;при 2/<z<4Z,

Ж г Z-НЛ 1-е 1 +( 1 + 2^—-'

и т.д.,

где г - путь, пройденный волной напряжений за время t;l - длина стержня (толщина вкладыша шпинделя).

Использование функции /(-) позволяет найти перемещение £ в любом сечении х. Дифференцирование этого перемещения и последующее умножение на нормальный модуль упругости материала дает напряжение в любом сечении стержня и, соответственно, давление на его внешней контактируемой поверхности: а = Ее = Е— = E[f'(cit - =)+ f'(at + ; - 201 dx

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 в модели волнового процесса, с опреде-

ленной цикличностью добавляются новые волновые возбуждения. А для этого находится характер изменения относительной скорости лопасти и вкладыша во время процесса прокатки металла. Скоростные характеристики лопасти и вкладыша в работе определяются во время 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 «ЗСМК». В силу того, что стан непрерывный в его модель включены три взаимосвязанные через металл клети и количество в ней масс доведено до 12 (рисунок 9, а). Далее на основе динамической

» X Н 4 Я К »

1 С

Рисунок 9 - Динамическая модель и результаты расчета трехклетьевого участка

НЗС.

модели сформирована математическая модель, в которой движение масс описано дифференциальными уравнениями второго порядка, а внешние моменты и моменты в связях определяются по нижеприведенным зависимостям:

зо 4

йт, ¿ф, М,

МдЧ=Ст

и-С.--

71 ф1

ч ;

Решение дифференциальных уравнений модели позволило получить моменты, действующие в связях модели, ускорения и скорости масс (рисунок 9, б), а значит и разность скоростей двух рядом стоящих масс, в упругой связи между которыми расположен шпиндель.

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 10. При сопоставлении максимальных значений расчетных данных с экспериментальными, расхождение составило не более 8,6 %.

Рисунок 10 - Нагрузка на вкладыш шпинделя клети «В» НЗС ОАО «ЗСМК»: а - полученная по предложенному в работе методу; б - полученная экспери-

Таким образом, в зоне контакта пары трения шпинделя возникают большие нагрузки, которые формируются в результате действия локальных 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 совмещать решения первого и второго характера. Предложенный в работе подход к классификации возможных вариантов повышения работоспособности пар трения шарниров универсальных шпинделей основан на принципах, заложенных в теории формирова-

б

ментальным путем

ния 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненных экспериментальных и теоретических изысканий достигнуты следующие результаты:

1. Во время экспериментальных исследований установлено, что в зоне контакта пары трения вкладыш - лопасть механоировода 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 давленея на поверхность 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, позволяющие определять давление в зоне трения шарнира головки шпинделя, адекватное результатам промышленного эксперимента.

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.

21

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 контакгируемых 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. -№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: учебное пособие / А.Н. Савельев, М.И. Ступаков, Н.В. Савельев ; Сиб. гос. индустр. ун-т, - Новокузнецк: СибГИУ, 2005. - 194с.

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 с.

Ю.Савельев А.Н. Анализ нагрузок во вкладыше универсального шпинделя привода прокатной клети / А.Н. Савельев, Н.В. Савельев // Известия вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 10. - С.57-59.

И.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.

Подписано в печать 15.11.10 Формат 60X84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная Усл. печ. л. 1,34. Уч.-изд. Л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №877.

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