автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка, исследование и промышленное использование оборудования и процессов периодической прокатки на основе планетарных и циклоидных механизмов

РГ6 од

ЧЕЧУЛИН Юрий Борисович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ ПЛАНЕТАРНЫХ И ЦИКЛОИДНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки

давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена на кафедре деталей машин Уральского государственного технического университета - УПИ.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Богатов А.А.

- доктор технических наук, профессор Агеев Л.М.

- доктор технических наук, профессор Поляков Б.Н.

Ведущее предприятие - АО "Верхнесалдинское металлургическое

производственное объединение", г. Верхняя Салда

Защита состоится 1998 г. в № часов

на заседании диссертационного совета Д 063.14.02 при Уральском государственном техническом университете - УПИ

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, Мира 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета, телефон 44-85-74. Автореферат разослан Мб/?_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

о

профессор .п. ССосу ¿-и- В.А.Шилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа является обобщением результатов многолетней научной и практической деятельности автора в области оборудования и процессов периодической прокатки, включая планетарную прокатку и холодную прокатку груб.

Актуальность работы. Большие значения периодических обжатий (до 85% за цикл), минимальная технологическая цикличность получения готовой прокатной продукции и высокие ее качественные показатели определяют важное место станов периодической прокатки в общем металлургическом процессе. Станы такого типа представляют сложный технологический агрегат с согласованной кинематикой нескольких исполнительных механизмов. Определяющими ограничениями их быстродействия и производительности являются динамические нагрузки, обусловленные малой продолжительностью цикла при значительных перемещениях исполнительных звеньев с прерывистым законом движения; активное взаимное влияние фактических отклонений от номинальных условий нестационарного процесса нагружения основных устройств: главного привода, клети, распределительно-подающего механизма; опережающий характер ужесточения режимов прока-пси по о тношению к развитию конструкций станов. Актуальная проблема многократного повышения надежности определяет необходимость научно обоснованного поиска и разработай принципиально новых схемных и конструкторских решений , расчетных методик учета фактических законов движения исполнительных звеньев и производственных условий деформации прокатываемых изделий, активных- путей управления формированием внешних (технологических) и внутренних нагрузок, методологии создания машин, соответствующих перспективным задачам развития интенсивных технологий обработки давлением.

Цель работы. Решение научно-технической проблемы создания нового поколения станов периодической, в том числе - трубной прокатки с высокими показателями надежности и быстродействия, обеспечивающих коренное улучшение качества и геометрической точности прокатываемых изделий; разработка, создание расчетных основ и широкая промышленная апробация базовых прогрессивных многопоточных планетарных и

планетарно-гипоциклоидных механизмов в условиях действующего производства; разработка основных положений комплексного анализа работоспособности сложного замкнутого технологического агрегата циклического действия.

Научная новизна работы. Для комплексной оценки нагруженности и надежности существующего и вновь создаваемого оборудования предложена обобщенная замкнутая модель силовых потоков сложного технологического агрегата в форме графа, включающего в качестве вершин функции трансформации нагрузки в основных элементах конструкции. Декомпозиция этих функций обеспечивает анализ зависимости нх экстремальных значений от быстроходности и основной (внешней) нагрузки при решении задач параметрического регулирования силовых потоков, в частности, при выборе параметров уравновешивания.

В качестве обобщенной характеристики технологических нагрузок при проектировании и реконструкции машинных агрегатов универсального назначения предложено использовать параметры их законов распределения по частоте нагружения на базе представительной выборки в соответствии с портфелем заказов и достигнутыми технологическими характеристиками, конкретизированными для отдельных типоразмеров станов в форме гистограмм.

На основании понятия единичной ширины мгновенного очага деформации в плоскости главной нормали разработана приоритетная универсальная модель формообразования границ взаимодействия металла с прокатным инструментом при периодической прокатке как в гладких, так и в ручьевых валках. С использованием методов дифференциальной геометрии получены расчетные зависимости, определяющие влияние параметров циклической кантовки на поперечную разнотолщинность и боковые границы очага деформации станов холодной прокатки труб.

Решена серия задач о взаимном влиянии динамических процессов в сложном технологическом агрегате периодической прокатки с учетом деформативности систем, объединяющих прокатываемым изделием линии задающего устройства и рабочей клети.

В результате анализа особенностей нагружения механизмов главного привода станов с возвратно-поступательным движением исполнительных

органов (рабочих клетей станов ХПТ) разработан пакет новых конструктивных решений, в основу которых положены центральные симметричные прямильные зубчатые механизмы планетарного типа с равномерно вращающимися уравновешивающими массами. Разработаны теоретические основы расчета параметров станов периодической прокатки на основе планетарных механизмов вновь предложенного типа. Сформулирована и решена вариационная задача минимизации экстремума функции трансформации нагрузки для уравновешиваемых приводных устройств периодического действия.

На основании анализа силовых потоков при нестационарном характере их изменения предложена методика расчетного поиска конструктивных параметров рабочих клетей сложной конфигурации с использованием для исследования напряженно-деформированного состояния конечно-элементных моделей.

Для принципиально нового типа стана холодной прокатки труб с вращающейся клетью выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по выбору рациональных структурных схем и определению области допустимых кинематических и конструктивных параметров; получено математическое описание дополнительных квази упругих связей планетарных механизмов и создана общая методика динамического анализа пространственных схем с циклическим характером внешнего нагружения сателлитпых звеньев; предложена процедура оптимального выбора параметров обобщенной схемы привода; разработан пакет новых технических решений по конструкциям вращающихся клетей повышенной жесткости, для многониточной холодной и горячей прокатки.

Реализация результатов работы и практическая ценность.

Представленные практические и конструкторские разработки реализованы при создании новых конструкций станов холодной прокатки труб АО ЭЗТМ (г. Электросталь), АО Ротор (г. Екатеринбург) и при реконструкции станов холодной прокатки труб па АО Первоуральский Новотрубный, Синарский трубный, Челябинский трубопрокатный, Чепецкий механический и Красноярский алюминиевый заводы.

В новом поколении на 10 станах холодной прокатки АО ЭЗТМ следующих типоразмеров: ХПТ 2-25-40, ХПТ 100. ХПТ 2-55, ХПТ 2-90, ХПТ 160 и ХПТ 250 при использовании технических решений, выполненных под руководством автора, реализованы механизмы подачи и поворота планетарно-гипоциклоидного типа, что позволило успешно решить задачу применения в станах ЭЗТМ технологической схемы прокатки с двойным поворотом, достичь высокой точности подачи, предопределившей повышенную точность геометрических размеров готовых труб. На АО ПНТЗ, АО СинТЗ и АО КрАМЗ под руководством и при участии автора выполнена реконструкция более 20 двухниточных и однониточных станов типоразмеров ХПТ 75-2Н, ХПТ 32-2Н, ХПТ 40 и ХПТР 15-30 валкового и роликового типа с заменой исходных механизмов подачи и поворота на устройства с планетарно-гипоциклоидным преобразователем движения. В результате безударного и безызносного характера работы звеньев только замена распределительно-подающего механизма обеспечила повышение производительности реконструированных станов на 15-20% при снижении отклонений от номинальных значений подач до 6% и увеличении наработки в 10-15 раз.

На основании технических предложений, защищенных пакетом авторских свидетельств и патентов, решена проблема создания уравновешенного бесшатунного главного приводного механизма станов ХПТ. Промышленные испытания вновь предложенного приводного механизма планетарно-гипоциклоидного типа на стане ХПТР 15-30 с валковой клетыо показали двукратное снижение энергозатрат, повышенную плавность хода клети, значительное снижение динамических нагрузок при увеличении быстроходности стана на 20%. С приводом такого типа на АО ЭЗТМ изготовлены 2 стана ХПТ 2-55 и по одному стану на экспорт ХПТ 160 и ХПТ 250, установленных в КНР. По заключению завода-изготовителя новый привод обеспечил высокую степень уравновешивания динамических нагрузок, что позволило снизить энергозатраты и повысить быстроходность станов.

Статистическая оценка усилий прокатки на 80 станах ХПТ 32,55,75 и 90 послужила теоретической базой обоснования годовой потребности АО ПНТЗ в валковых подшипниках , выбора допустимых маршрутов

прокатки, совершенствования валковых опор и изменения конструкций рабочих клетей. Методика определения усилий прокатки с учетом выявленной асимметрии нагружения валковых опор использована при их реконструкции. В результате использования вновь предложенных комбинированных валковых опор на станах ХПТ 32,55 и 75 в 5-ги цехах АО ПНТЗ и АО СинТЗ существенно снижена неравномерность нагружения тел качения валковых подшипников и в 2-4 раза увеличен период их безотказной работы, на базе анализа особенностей работы высокоотказных дорогостоящих крупногабаритных подшипников качения станов ХПТ 250 АО ЧТПЗ начата реконструкция валковых систем с комплектацией их промежуточными опорными валками.

По результатам исследования напряженно-деформированного состояния усовершенствованы конструкции подвижных станин двух и четырёх-валковых станов ХПТ 55, исключающие недопустимую концентрацию напряжений в узловых зонах; предложен новый тип многослойных замкнутых конструкций подвижных станин станов ХПТ с существенно повышенной усталостной прочностью.

Выполнен комплекс испытаний вновь предложенного типа вращающейся клети с планетарным приводом на двух станах типоразмера ХПТВ-25 с увеличенными частотой обжатий до 170 мин ' и производительностью- до 200 м/ час, подтвердившие возможность высокопроизводительною получения стальных тонкостенных труб высокого качества, снижения шума во всем диапазоне частот на 3-5 дБ, снижения значений коэффициентов динамичности. Прокатанные трубы прошли полный цикл последующей обработки, были приняты ОТК без брака и отправлены rio заказам. На АО ПНТЗ выполнена также прокатка труб на стане ХПТР 15-30 с двумя последовательно расположенными вращающейся валковой и роликовой клетями,объединенных общим приводом. В результате, прокатаны 13500 м тонкостенных труб повышенной точности при линейном смещении 25-30 мм/цикл, что соответствует утроенной производительности существующих роликовых станов при сохранении достигнутой на них высокой точности размеров прокатываемых труб. По заданиям пяти предприятий различных отраслей и головного института ВНИИМЕТМАШ центральным и

Уральским ГИПРОМЕЗами разработаны Технические задания на изготовление оборудования станов холодной прокатки труб с вращающейся клетыо на основании пакета авторских предложений.

Апробация работы. Материалы доложены и обсуждены в 25 докладах на международных, всесоюзных и межотраслевых конференциях. В том числе: Межгосударственная научно-техническая конференция "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" Магнитогорск, 1996; I Научно-техническая конференция РУО АИН РФ "Наука и образование XXI веку". Екатеринбург, 1995; VII Международная конференция "История и будущее бесшовных стальных труб", ЧССР, Карловы Вары, 1990; Международная конференция "TUBE'89 - Singapore". Сингапур, 1989; Всесоюзная научно-техническая конференция " Новые технологические процессы прокатки, как средство интенсификации производства и повышения качества продукции". Челябинск, 1989; II Всесоюзная конференция по расчетам на прочность металлургических машин. Москва, 1985; Второй всесоюзный съезд по теории машин и механизмов. Одесса, 1982; "Новые технологические процессы и оборудование прокатного производства - средство повышения качества и экономии металла". Челябинск, 1980; Международный симпозиум по динамике тяжелых машин горной и металлургической промышленности. Донецк, 1974; II Всесоюзная конференция по прочности металлургических машин. Жданов, 1969; I Всесоюзная конференция "Технология и средства производства заготовок" Свердловск, 1983.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 112 работ, из них 2 книги, 50 статей, 11 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях, 49 авторских свидетельств и патентов.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав и заключения, изложенных на 215 страницах машинописного текста. Приложение к диссертации представлено отдельным томом, в котором приведены расчеты экономической эффективности, акты внедрения, испытаний, протоколы технических совещаний. Графический материал в диссертации представлен 85 рисунками. Список использованных источников содержит 145 наименования.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среди процессов обработки металлов давлением особое место занимает способ периодической прокатки, обеспечивающий высокие циклические обжатия, достигающие 85% за один переход, и минимальную технологическую цикличность. Этот способ получил наиболее широкое распространение при планетарной прокатке и при холодной прокатке труб (ХПТ) из различных металлов и сплавов. Быстроходность и производительность используемого при этом оборудования ограничена его надежностью. Определяющим ограничением быстроходности являются высокие динамические нагрузки, обусловленные малой продолжительностью цикла деформации при значительных перемещениях звеньев исполнительных механизмов. В исследованиях известных ученых заложены теоретические основы анализа процесса деформации, особенностей нагружения станов такого типа, позволяющие сформулировать основные требования к оборудованию. Однако существующая проблема повышения надежности требует дополнительного изучения влияния закономерностей взаимодействия прокатного инструмента с деформируемым металлом на качество и точность геометрических размеров прокатываемых изделий, поиска расчетных основ и направленного синтеза конструкций новых низкоотказных механизмов. Решение этой проблемы требует разработки обобщенной модели для оценки нагружснности сложных машинных агрегатов, к которым относятся станы периодической прокатки, включая динамический анализ и статистические оценки возможных нагрузок, поиск новых кинематических схем, обеспечивающих минимум этих нагрузок и достижение строгого соответствия кинематически согласованных перемещений исполнительных органов.

ГЛАВА 2. СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАГРУЖЕНИЯ

МАШИННОГО АГРЕГАТА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ.

Предложена обобщенная потоковая модель в виде графа, имеющего "источник" в форме нагрузок, формируемых при взаимодействии группы

исполнительных органов с прокатываемым изделием, и "сток" - в форме реакции на эти нагрузки главного двигателя [ 1 ]. Подграфы объединяют

силовые потоки устройств, выполняющих различные технологические функции: непосредственно деформации заготовки, подачи и периодического ее ' поворота. Дуги графа рассматриваются, в общем случае, как биориентированные, с учетом обратимой взаимозависимости

нагрузок механической системы и двигателя. Соотношения силовых потоков в дугах, инцидентных каждой вершине, могут быть представлены безразмерными функциями связи, которые в дальнейшем будем называть функциями трансформации нагрузки. По методологии реализации функций трансформации нагрузок вершины графа можно отнести к одному из следующих типов : вершины "истока", в которых формируются технологические нагрузки, как результат взаимодействия прокатываемого металла с исполнительными звеньями; нестационарные вершины , для которых функции трансформации нагрузки зависят от времени или положения звеньев; стационарные вершины, заданные коэффициентами трансформации. Основным из показателей внешних нагрузок является усилие прокатки, среднее значение которого представляет функцию от свойств прокатываемого материала, маршрута прокатки и параметров инструмента. Оценка конструкционной надежности и долговечности отдельных устройств выполняется на основе статистических данных о фактических или расчетных и разрушающих нагрузках

иР = '

д/^тах^+^ах^

0)

Здесь -математическое ожидание действующей и предельно

допустимой нагрузок сответственно; Г,.,!7, - коэффициенты вариации соответствующих нагрузок. Наглядное представление о характере нагруженности лают гистограммы нагружения, построенные в координатах FYl¡,(N¡) , где .V - число циклов нагружения при прокатке изделий , например, труб по маршруту - к [2]

^ = 0,5.103% (2)

Здесь ¿, - общая длина партии труб ¡-того маршрута. В результате статистической обработки представительной выборки по волочильным цехам трубопрокатных заводов получены плотности распределения усилий прокатки для каждого из существующих типоразмеров станов ХПТ. Установлено, что при прокатке стальных труб плотность распределения нагрузки стана каждого типоразмера представляет трёх-модальную функцию с законом распределения значений в области каждого из трех центров группирования, близким к нормальному. При этом мода максимальных нагрузок стана меньшего типоразмера с высокой степенью приближения совпадает с модой минимальных нагрузок последующего типа, имея соответствующие значения: 500 кН - для станов ХПТ 32, 780 кН - для ХПТ 55, 1500 кН - для ХПТ 75.

Систематизация преобразования силовых потоков в вершинах графа и уточнение закономерностей стохастического процесса нагружения концевых вершин "истока" являются основой для выработки рекомендации как по улучшению конструктивной надежности, так и для установления технологических и эксплуатационных ограничений области рационального использования универсального оборудования.

Обобщенная потоковая модель требует математического представления функций трансформации нагрузок всех вершин и, в первую очередь, нестационарных- с повышенными динамическими составляющими. Поиск и синтез новых кинематических схем , соответствующих нестационарным вершинам графа, из условия достижения минимальных значений коэффициентов трансформации нагрузок явился основой многократного увеличения межремонтных сроков.

ГЛАВА 3. МГНОВЕННЫЙ ОЧАГ ДЕФОРМАЦИИ СТАНОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА. Заполнение межвалковой зоны деформируемым металлом, учет

упругой деформации системы машинного агрегата, реальных законов перемещения рабочего инструмента и прокатываемого изделия существенно влияют на размеры и границы нестационарного очага деформации, на аналитическую оценку показателей технологических нагрузок, геометрической точности размеров прокатываемых изделий.

Математическое описание мгновенного очага деформации при планетарной прокатке в гладких валках [3,4] получено для участка единичной ширины, названного единичным деформируемым бъемом. Внедрение рабочего валка в заготовку (рис.2) сопровождается перемещением деформируемого металла с единичным объемом /•; в направлении прокатки на величину тцх, где ¡лкоэффициент вытяжки в промежуточном положении рабочего валка.

/', = ти[0,5(Л + 2г)ьту + + г)2 - (хр + т)2 -(Я + г + к-Н)] , (3)

где индекс р соответствует минимальной толщине формируемого изделия в пределах мгновенного очага деформации. Координаты этого сечения записываются в виде:

На основании условия постоянства объема получено выражение для протяженности мгновенного очага деформации:

У, = ^Я2 - (ХР - г СМИ//)2 + гйпу/

(4)

а = 1 + (гсоьу/ + т)2 /г1 вт2 у/ ; Ь = 2гсоьу/+ А(гсо$у/ +т)/г2 вт2 у/ с-А21^г2йп2у/ + г2со%211/-Я2 ; А = г2{\ + ооъ2у/) + 2гЯ-п^ .

X — .Ху х^ —

= Я + г)2 - [2(й + г + /г - Ъ / тцх) ~ур]2 - т(ц, + \) + (к + г)со5у/ (5)

Рве. 2 . Схем.1 лромп™ в« адаяетаряом стене.

Рис.3 Влияние подачи- т на протяженность очага деформации - х и смещение деформируемого металла

Смещение профиля полного очага деформации в процессе разового обжатия в направлении прокатки на величину вытяжки обусловливает образование периодических макронеровностей, определяющих разнотолщинность прокатываемого листа. Расчетная величина этой разпотолщинности без учета упругой деформации клети М определится согласно [5] выражением

дл = Н2ж /т + г)И2 (6)

Влияния упругих перемещений обоймы совместно с рабочими валками определяет уравнение движения планетарной клети: Му = Ок + Р„-Р0-Рп? (?)

М, СК,РН,1'0 - приведенная масса, вес подвижных частей клети, силы в нажимном устройстве, Рпе -вертикальное усилие прокатки, представленное в конечной стадии процесса зависимостью:

Ри,

СЛ1-

(I/ - ¥„)2

(8)

(У-Ук)2

где /!,,, - наибольшее значение усилия прокатки за цикл, у/, у/н, у/к - угловые координаты валка текущая, соответствующая и моменту его выхода из контакта с прокатываемым изделием, соответственно, у = 8^-8 , где

наибольшее и текущее перемещения обоймы совместно с рабочими валками за цикл. Решая дифференциальное уравнение (7) с учетом жесткости упругой связи - с и средней угловой скорости сепаратора-« , получили:

* = ■- -2 + 2 „ - ¥а)] (9)

с{у/к-у/и) та V/та

В результате разнотолщинность прокатываемого изделия с учетом деформативностиси системы "заготовка-клеть" определяется выражением:

ДА = (Я + г)(1 - ьту/к) + --2{д\$ _ у, ? _ - + 2со59(§ - у„) - 2со5 д(у/к - у/,,)}

Ок - ¥в) 1

(10)

Получены аналитические зависимости для определения равнодействующей удельного давления, плеча ее приложения, горизонтальных составляющих усилий прокатки, средних удельных давлений с учетом переднего и заднего натяжения (подпора).

Определены параметры процесса планетарной прокатки для общего случая одновременного нахождения в контакте с заготовкой двух пар рабочих валков. Смещение металла, деформируемого "отстающей" парой валков, определяет постоянно изменяющуюся величину подачи для впереди идущей пары, а деформация металла в межвалковой зоне - подпор. При этом показатель £21, характеризующий подпор, определится из выражения: £21 = (Т2 -Р2)/Щ,, где Т и Р - силы трения и осевая составляющая усилия прокатки со стороны прокатываемого металла на инструмент, к - сопротивление деформации сдвига, й41- минимальная толщина металла в мгновенном очаге деформации последующего валка. Установлено, что для наиболее нагруженного - впереди идущего рабочего валка протяженность мгновенного очага деформации увеличивается до 1,3 раза, а вертикальная составляющая усилий прокатки - вдвое.

Экспериментальная проверка полученных аналитических зависимостей выполнялась на опытном листовом стане конструкции УЗТМ и на планетарном стане сортовой прокатки конструкции ВНИИМЕТмаш, встроенном в линию с установкой непрерывной разливки стали. Показания тензометрической аппаратуры и скоростной киносъемки

окружности радиусом г^ смещены относительно оси прокатки и в направлении от дна ручья на S : 8 -5 - Д (19)

у уВ ^

Тогда в цилиндрических координатах р,<р уравнение сечения поверхности донной части ручья р =д sin^ +,/г2-Л2cos2® , (20)

уе> I/ V V V

в зоне развалки р =-S sintp+Jr2-d'2 cos2 ю (21)

w? у V И v

В результате поворота трубы на угол кантовки с помощью линейных преобразований (вращения и зеркального отражения) координаты вектор - функции дна и выпусков преобразуются к виду

= Л Sin(^ ~ ФК) + <23>

Тогда hf -радиальное отклонение контура повернутого сечения рабочего конуса относительно поверхности ручья запищется в виде:

К = р'-Р (24)

Из предложенной модели очага деформации следует, что при прокатке обратным ходом клети имеет место неполное заполнение калибра не только в зонах выпусков, но и в донной его части, определяя дополнительные зоны монотонной деформации, а суммарный угол запг шения ручья калибра не превышает л/ 2. Наибольшая толщина деформируемого слоя - \, достигает наибольшего значения при углах кантовки Фк» 60 ° и составляет примерно половину упругого перемещения системы "валок - клеть". Закономерность изменения h9 в донной части калибров имеет линейную зависимость от <р. Угол заполнения выпусков не зависит от угла кантовки и изменяется пропорционально , где

iH = Д +Mtg(a -у) (25)

<р V 9 V

Соотношение объемов деформируемого слоя в соответствии с приведенными зависимостями позволяет получить расчетную величину вытяжки при прямом и обратном ходах рабочей клети, объясняет эффект

незначительного снижения усилий прокатки при многократной деформации металла без подачи заготовки, определяют величину и направление результирующего вектора технологической нагрузки.

Асимметрия дополнительных границ мгновенного очага деформации в предкалибрующем участке определяет наведенную поперечную разностенность и отклонения формы прокатываемой трубы от цшшндричности.

Угловая координата <рл относительно линии разъема калибров для каждой макронеровности (типа "гребешков") определяется выражением:

4>л = п Ф,-36(% . (26)

где п - порядковый номер цикла прокатки ( кантовки); N - число разъемов инструмента, образующего калибр; угол кантовки. Учитывая последовательное уменьшение высоты "гребешков" в зонах немонотонной деформации с каждой последующей кантовкой, получили расчетные профиллограммы поверхности сечения трубы. Неблагоприятный выбор угла кантовки приводит к увеличению максимальной величины макронеровностей. Предложенная модель получила экспериментальное подтверждение и позволила для станов ХПТ установить области рекомендуемых значений углов кантовки: 49-52° и 76-79°. ГЛАВА 4. УВЕЛИЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ, БЫСТРОХОДНОСТИ И КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНО-ПОДАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ СТАНОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

ПРОКАТКИ.

Закон движения исполнительных звеньев РПМ существенно влияет на значения технологических нагрузок, качество проката , коэффициент использования станов в целом. Высокие цикличность нагружения (до 5 циклов в с.) и значения сил сопротивления определяют большие внутренние динамические нагрузки, воспринимаемые РПМ. По словиям кинематической синхронизации подачи заготовки с процессом прокатки все РПМ могут быть отнесены к двум группам: к автономным и кинематически зависимым. Механизмы автономного типа используют при относительной паузе между циклами обжатая не менее 0,5-0,7 от

времени полного цикла для непрерывного перемещения заготовки в рабочую клеть. Кинематически зависимые РПМ используют при малой относительной продолжительности гтаузы, в частности, на станах ХПТ. При этом движение прокатываемой заготовке сообщается от главного приводного устройства рабочей клети через РПМ, который обеспечивают остановку изделия на период взаимодействия его с валками клети периодического действия.

Экспериментальные исследования, выполненные нами на РПМ автономного типа сортового и трубного планетарных станов, показали, что непрерывная подача осуществляется с переменной скоростью. Закон ее изменения, не учитываемый в существующих исследованиях, приводит к существенным расхождениям фактических и расчетных энергосиловых показателей, достигающих по текущим отклонения технологических нагрузок - 50%. Получено математическое описание закона движения системы с учетом связи валков рабочей и задающей клетей через заготовку, учитывающей упруго-массовые характеристики привода задающей клети, диссипацию энергии и найденные силовые воздействия на РПМ через заготовку со стороны планетарной клети. Уравнения движения для схемы замещения, объединяющей линию привода задающей клети с валковой, [11,12] в матричном виде представлены выражением:

А Ф+ В Ф + С Ф = Р, (27)

где Р -вектор-столбец возмущающих нагрузок, заданных в функции времени; А,В,С -квадратные матрицы (4 порядка) приведенных моментов инерции, коэффициентов диссипации и жесткости соединяющих валопроводов. Компонента матрицы Г, отражающая воздействие планетарной клети на валки задающей клети-дуо, задана в форме момента прокатки с учетом переднего подпора (натяжения) и» = 1 + ч)[ЛрЙЬ 1п Я + Ра (р) - Г(Р)1, (28)

где б -.опережение в очаге деформации задающей клети, заданное известной формулой Финка, через толщину сляба, угол нейтрального сечения и диаметр валка задающей клети 1)д; А площадь поперечного сечения сляба; рсреднее давление в очаге деформации

без учета подпора; Га(у)-Т(у/)- осевая составляющая от воздействия планетарной клети [4], заданная выражениями :

2 п., h„

Л Л Л min

W = ¿{[(1 - #i)cos(i/ + - - i=i[l - 6 + - х,)}

= 0,5Ä {[2 - й - & + ~ТГ~(Х - - [2(1 - й) + -f-ix - хе)]{х-X,)}] (29)

min тш

х,- координата, отсчитываемая от задней границы мгновенного очага

h h

деформации до нейтрального сечения,*,, = 0Длг+-г^(1п-х+|, -&)]; КХ,К -

ц ht

толщины деформируемой заготовки на задней, передней границах и в нейтральном сечении мгновенного очага деформации; безразмерные параметры, характеризующие заднее и переднее натяжение;/* - коэффициент трения. Суммарное значение осевой составляющей усилий прокатки и сил трения Ра(у)-7Ч» достигает наибольшего значения в начале полного очага деформации монотонно понижаясь - к концу, а его максимальное значение возрастает по мере увеличения радиусов рабочего валка R и снижения коэффициента трения ¡1. Решение системы (27) [11,12] показало, что вращение валков задающей клети характеризуется переменной скоростью. Размах колебаний скорости подачи m(iy) возрастает по мере увеличения зазоров в линии привода задающих валков и с уменьшением частоты возмущающей нагрузки. Аналитические расчеты с использованием (27) позволили представить скорость перемещения заготовки в виде:

¡h(r) = (i-sXr-r4)R (30)

и с учетом зависимостей (3)....(5) установить фактические закономерности изменения протяженности мгновенного очага деформации-* и усилий прокатки планетарной клети, хорошо согласующиеся с результатами экспериментального исследования [13]. С использованием метода Гаусса-Зайделя установлены значения коэффициентов жесткости валопровода задающей клети, обеспечивающие минимум размаха колебаний перемещений заготовки.

Станы холодной прокатки труб с вращающейся рабочей клетью [14] представляющие разновидность планетарных станов, включают механизмы подачи и поворота заготовки с автономным приводом. Физическая и динамическая схсмы замещения в форме (27) даны на рис 7.

Матрица С включает компоненты приведенных жестокой ей ременной передачи, винта, трубной заготовки и стержня оправки. Условия связи кинематической пары "винт - гайка" заданы функциями х«-я, изменяющимися в зависимости от направления силового потока: при сообщении движения от винта гайке и при обратном направлении силового потока - соответственно в виде:

где га,а,р - средний радиус резьбы, ее угол подъема и угол трения, соответственно. Условный переход от состояния самоторможения к состоянию оттормаживания в форме (31) осуществляли сравнением значений упругих моментов в концевых связях винта и гайки [7,16].Результаты решения системы (27) в широком диапазоне варьируемых параметров матриц А, С и F существенно зависят от закона изменения осевой нагрузки, обусловленной процессом прокатки в планетарной клети, и от соотношения жестокостей упругих связей. Установлено, что перемещение заготовки во время обжатия трубы происходит с переменной скоростью и в результате получено математическое обоснование известного факта изменения параметров процесса холодной прокатки труб по мере перемещения заготовки, податливость которой пропорциональна остаточной длине "недоката". Изменение жесткости прокатываемой трубы «'¡рое приводит к пятикратному снижению амплитуды колебаний оправки и заготовки, что определяет геометрическую точность размеров прокатываемых труб. С целью управления законом движения заготовки

Рис. 7 Механизм подачи стана ХГТТВ

Za-a =^ГЛ{а~Р)

(31)

предложен механизм подачи и поворота[А.С. № 439326], в котором функции преобразования движения выполняют гидромоторы планстарно-трохоидного типа, устанавливаемые непосредственно на ведущие валы исполнительных звеньев.

Распределительно-подающие механизмы кинематически зависимого типа используются на станах ХПТ с возвратно-поступательным движением рабочей клети. Большая доля времени деформации заготовки в цикле прокатки ( до 65%), требуя на эту часть периода остановки движения прокатываемой заготовки, обусловливает неблагоприятный закон движения с особыми точками разрыва четвертой производной (функция рывка). В результате, большие динамические ударные нагрузки при пересопряжении звеньев являются причинами неуправляемых значений перемещений, "бросков" заготовки. Это приводит к снижению точности размеров прокатываемых труб и долговечности оборудования[2,7].

Теоретический анализ причин отказов этих конструкций позволил сформулировать требования к распределительно-подающим кинематически зависимых механизмам высокой работоспособности [2]. На основании этих принципов предложен способ холодной прокатки труб (патент РФ №621404), отличительной особенностью которого являются непрерывная подача и поворот заготовки, осуществляемые с переменной скоростью, достигающей максимального значения в момент раскрытия зевов калибров и снижающейся в период контакта валков с заготовкой до 0,020,1 от максимального значения. Предложенный закон движения (рис.8) обеспечивает многократное снижение максимума ускорений и соответствующих динамических нагрузок.

Для практической реализации этого способа предложены механизмы подачи и поворота заготовки нового, планетарно-гипоциклоидного типа [патенты РФ 644566,755346,907918,937850), разработанные отраслевой лабораторией металлургического оборудования УПИ совместно с АО ЭЗТМ, "РОТОР" и ВНИИМЕТмаш, широко использованы как при создании 10 серийных, так и при реконструкции более 30 существующих станов ХПТ на металлургических трубных предприятиях России ( АО ПНТЗ, АО ЧТПЗ, АО СинТЗ, ВИЛС, АО КрАМЗ, АО ЧМЗ) и КНР.

Новый тип РПМ включает планетарную зубчатую передачу К-Н-У (по классификации В.Н.Кудрявцева), сателлиты которой кривошипами соединены с двухповодковой группой первого или второго вида, а ее ведомое звено соосно с водилом планетарного ряда. В результате, конец кривошипа описывает гипоциклоидную траекторию, сообщая ведомому звену преобразователя (кулисе либо коромыслу) вращательное движение с переменной скоростью. Закон движения кулисы при использовании

преобразователей с двухповодковой группой Ассура второго вида получен в следующем виде: Аь'та* - Лет(АаМ)

(32)

у = агс1$

у = Лео

А соьоХ + Л СОБ(АОЖ) А-Л2 - А(Л- 1)со А2 + Л2 + 2АЛж(рох)

(33)

у = АА(/иа>)2

(А + А2 )ып(ра#)

[А2 + Л2 +2 АЛ <х&(цах)

Здесь со - угловая скорость водила планетарного ряда; ц =

К , К-г , с

- —,А =-;л = - ,

г г г

Юкомапо.Е плажтэрно-кулисного устройства

где/; и г - радиусы начальных окружностей эпициклического зубчатого колеса и сателлита, е-длина кривошипа. Параметр А характеризует число циклов подачи (поворота) заготовки за один оборот водила, а коэффициент А -определяет конфигурацию траектории пальца кривошипа: при Л < 1 траектории расположена внутри начальной окружности неподвижного эпицикла планетарного ряда, а при Л> 1 - выходит за ее пределы, образуя "петли", соответствующие попятному движению исполнительного звена. Во время прокатки ведомое звено планетарно-гипоциклоидного преобразователя продолжает непрерывное движение на величину, не превышающую 0,2 от полного перемещения за цикл в пределах зазоров в кинематических парах. При этом заготовка остается неподвижной. Задача оптимального выбора параметров А,ц>Л [2,19]. предусматривает минимизацию функционала

Лг(')] = /(г")2л, (35)

о

экстремаль которого получена в форме многочлена 5-й степени вида

г = (36)

(•О

Принимая во внимание симметричность функции ускорений с двумя экстремумами в пределах периода (0,Т) и нулевые граничные значения на его концах , а также в силу периодичности третьей производной (равенство ее значений на концах отрезка (0,Т) ) = у"\Т) = ъ) получили

выражение для у" : у" = Ы- ЗуГ2 + 2-^-г3 (37)

Полученный оптимальный закон обеспечил снижение пика ускорений до 4,5 раз, по сравнению с традиционными механизмами, реализующими абсолютный выстой ведомого звена [20]. Согласно выражению (33) кинематическая передаточная функция ик€} имеет вид:

Л + А со5# (38)

г ~ А2 + Л2 +2 АЛ сояр, ' 1 }

где нижние индексы относятся к ведомому звену (кулисе) - е, и кривошипу -£ а верхний Ь -к водилу. Тогда функция трансформации нагрузки в направлении от кривошипа к кулисе с учетом коэффициента полезного действия кривошипно-ползунного механизма т/^ принимает вид:

* {Лсся^-у^ + Асоъу^соьр

Ff = yVf f ' h ' 7,cosP , (40)

/e /LcosC^-r' + P)

2 cos((phf-yh) + A cosyh Acos(q>hf-yh + p)

где т]г - коэффициент полезного действия опор ползуна, р - угол трения в парс "ползун-кулиса", yh- угловое положение кулисы относительно водила: у" - arctgAsmip) /(А+Acosp*). Установлено, что коэффициент полезного действия изменяется в течение цикла (по углу <?'}), принимая наименьшие значения в области замедленного движения кулисы и максимальные - при наибольшей скорости у ведомого звена, в период основного перемещения заготовки. При обратном направлении силового

потока: от ведомого звена к ведущему- область самоторможения существенно расширяется. Таким образом, планетарно-гипоциклоидный преобразователь в период подачи и снятия заготовки с оправки дополнительно защищает от избыточных нагрузок участок силовой ц спи, соединяющий РПМ с линией главного привода. Силовые потоки [22,23] представлены системой нелинейных дифференциальных уравнений. Компоненты матриц А,С,В и частные производные от кинетической и потенциальной энергии в форме Лагранжа (27) получены с учетом функций трансформации нагрузок (39,40). Изменение состояния биориештгрованных дуг (рис,!) при возникновении условий самоторможения в процессе решения учтено условным переходом в зависимости от направления силовых потоков. Результаты расчетов на ЭВМ для параметров стана ХПТР 15-30 имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными, обработанными с использованием методики определения доверительных интервалов по осциллограммам измеренных нагрузок. Для определения нагрузок, с учетом оптимальных назначаемых параметров построена номограмма.

Для увеличения времени относительного выстоя разработаны и используются на АО ПНТЗ и КраМЗ механизмы подачи и поворота с двухрядными планетарно-гипоциклоидными преобразователями [A.C. 937850, 907918]. Дополнительное уменьшение угла поворота ведомого звена во время прокатки достигается в преобразователях с управляемым законом движения эпицикла [патенты РФ 1355306, 1405924]. Разработан новый тип патрона заготовки , предусматривающий встроенный в него рспределительно-податощий механизм [A.C. 969342]. С целью повышения износостойкости прокатных калибров путем регламентированного варьирования углов кантовки предложены преобразователи с дезаксиалъными кулисами [A.C. 770580, 804026]/

При одинаковых условиях прокатай характеристики нагруженности ГПМ станов ХПТР 15-30 и ХПТ 75, имеющих традиционные и планетарпо-гипоциклоидные преобразователи, снизились во втором случае более, чем в 3,5 раза [21,24,25], достигнута высокая циклическая стабильность перемещений с отклонениями в 5-15 раз ниже, чем на ранее

применяемых РПМ. Использование двойного поворота за цикл прокат позволило снизить разнотолщинность прокатываемых труб вдвое. ! станах ХПТР 15-30, ХПТ-32и ХПТ-75 трубных предприятий АО ПНТс АО СинТЗ отмечено увеличение ресурса РПМ нового типа по сравнен! с ранее используемыми в 15 раз и одновременный рост производительное станов на 20%, снижение звукового давления в среднем на 8 дБ п) увеличении частоты циклов подачи и поворота до 5,7 с"1.

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛИНИИ ГЛАВНОГО ПРИВОДА СТАНОВ ХПТ НА БАЗЕ АНАЛИЗА СИЛОВЫХ ПОТОКОВ И РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

Выбор способа и типа уравновешивающих устройств ХПТ составляет важную основу повышения надёжности и стратегии поиска путей дальнейшего развития конструкций станов. Выполненные исследования свидетельствуют о консервативном характере зависимости коэффициентов динамичности от параметров технологического процесса в диапазоне использования станов каждого типоразмера. Однако, принимая во внимание, что на долю механизма главного привода приходится до 25-30% от числа всех отказов по стану, решение задач повышения конструкционной надёжности требует изучения и систематизации общих закономерностей изменения внутренних нагрузок во всём диапазоне возможной быстроходности и внешни?;, технологических нагрузок, установления функциональных зависимостей преобразования силовых потоков, возможности параметрического управления их значениями. Для анализа эффективности уравновешивания динамических нагрузок с традиционным дезаксиальным кривошипно-шатунным преобразователем движения рабочей клети получена в аналитическом виде [1,26] функция трансформации нагрузки

Р(ф) = (бшф-ь Хъшфсо&ф- £<м$Ф)[^-(со!>Ф + 1 со<>2ф+£$'тф) + / + -о*"™-" ¡¡щ3ф] ,(41)

ё Щ

где ф- угловое положение кривошипного вала, д,Х- отношение дезаксиала и обратное отношение длины шатуна к радиусу кривошипа -г .соответственно, «д^пр™.3'"3'? - технологическая нагрузка.

т- приведенная масса подвижных звеньев, /- коэффициент трения в направляющих клети. С учетом Г(ф) зависимость крутящего момента, приведенного к ведущему валу распределительного редуктора, получим

¡77° С К

из выражения г= ——1Ь'(<р), (42)

ищ

где г),и коэффициент полезного действия и передаточное число распределительного редуктора, кл- коэффициент динамичности. Закономерность инерционной составляющей в зависимости от геометрических параметров рычажной системы и быстроходности кривошипного вала - квазигармоническая. Технологические нагрузки изменяют характер и значение функции ¡■(ф), увеличивая максимальное значение 1-'(Ф)„„ и его угловую координату. При этом значения Шф)^, монотонно возрастают с увеличением быстроходности и, начиная с некоторых значений ф, близких к предельным паспортным характеристикам отечественных станов, зависимость от фг

становится линейной. Для оценки влияния максимальных нагрузок, методом наименьших квадратов получены функции приближения :

= + - (43)

1П£ О

где и,Ь,с - постоянные коэффициенты, полученные для станов ХПТ основных типоразмеров. В частности, для станов ХПТ-32 эта зависимость приобретает вид:

Нч>)т = о.2^пР .„(«в)"1 + (%78)2'8 (44)

Для распространенного значения быстроходности станов ХПТ-75 -ф2 = 40с"2, при равенстве максимального значения усилий прокатки весу рабочей клети инерционная нагрузка составляет 43% от наибольшего значения суммарного момента, а при отношении = 2 ее доля

снижается до 12%. При э том значение фвозрастает с 1,25 до 2,1. С увеличением быстроходности эффективность уравновешивания возрастает, но требует снижения техноло1 ических нагрузок, ограничивая возможности получения толстостенных труб из труднодеформируемых материалов. Полученные зависимости были использованы для оценки надежности и коэффициентов долговечности в форме (1), исходя из

27

предельно допустимых значений коэффициента трансформации нагрузки при модернизации распределительных редукторов . Практика реконструкции серийных станов путем замены двухвалковых клетей четырехвалковыми обеспечила увеличение их производительности в 1,51,6 раза. Однако при этом в 1,5 раза увеличилась масса клетей и вдвое возросли силы сопротивления, обусловленные технологическими нагрузками двухниточной прокатки, а соответствующая нагрузка (42) на элементы линии главного привода увеличилась в 1,3-1,4 раза по сравнению с однониточным вариантом. Значительная доля отказов и затрат на их устранение приходится на узел кривошипных колес. На основании анализа условий работы и полученных функций трансформации нагрузок предложена реконструкция , обеспечивающая выравнивание нагрузок в пассивных связях узла кривошипных колес и снижение неравномерности их распределения в главном, распределительном редукторе. Сравнение усталостной прочности исходной и вновь предложенной конструкций показал, что запас прочности неподвижной оси кривошипных колес увеличивается в 3,5 раза, вала ведущих шестерен - в 1,3 раза и ресурс - более, чем в 5 раз. На трубных предприятиях АО ПНТЗ и АО СинТЗ модернизированы главные приводные механизмы более 15 одно и двухниточных станов ХПТ-32,55 и 75.

На станах ХПТ получили распространение грузовые и пневмо-гидравлические уравновешивающие устройства, дополнительно присоединяемые к системе главного привода с целью увеличения его быстроходности. Однако наличие дополнительных динамически нагруженных кинематических цепей приводит к увеличению вероятности отказов и определяет необходимость оценки области рационального уравновешивания, исходя из анализа соотношения фаз и предельных значений инерционной и технологической составляющих в соответствии с выражениями (41, 42), а также поиска новых устройств для его реализации. Непосредственным способом динамического уравновешивания за счет снижения главного момента является поиск конструктивного варианта центрального кривошипно-ползунного механизма с симметричными звеньями. Базой для разработки и

промышленного использования такого направления послужили устройства, основанные на схеме планетарного прямильного механизма с установкой грузового (рис.9) [28] статического уравновешивания вращательного типа. Зубчатый вариант прямильного механизма (патент РФ № 766682) выполнен в виде планетарного ряда К-Н-У, у которого диаметр начальной окружности сателлита равен радиусу начальной окружности эпицикла, а ось присоединения рабочей клети размещена на начальной окружности сателлита. Уравновешивание достигается установкой двух противовесов, один из которых - щ закреплен на сателлите диаметрально к присоединенной рабочей клети массой тк, а другой пи- на водиле диаметрально оси сателлита при соотношении масс: щ=т,:; т,=щг~1р, где г - радиус делительной окружности сателлита, а р- удаление центра масс второго противовеса от оси водила. Бесшатунпая конструкция такого устройства содержит только вращающиеся звенья и симметричную схему замещения, что обеспечивает возможности полного уравновешивания главного вектора и главного момента.

Качество уравновешивания целесообразно определять отношением остаточной нагрузки уравновешенного варианта к нагрузке исходного механизма преобразования движения (щ = щ = 0). В соответствии с (41,42) такой анализ сводится к исследованию функции

/?($»)в зависимости от варьируемых параметров : р, = т>/ и р- углового

/ тк

отклонения радиусов-векторов центров корректирующих масс относительно их взаимного положения., при котором достигается полное уравновешивание. Компоненты вектора координат центров подвижных масс с учетом постоянной кинематической связи,

заданной схемой планетарно-гипоциклоидного механизма, выразим через угловую координату водила - <р. Тогда

ПАТЕНТ РФ

хк = 2гса$<р,ук = 0; х1 = гсоьер + гах(<р + Р);у1 = г$т<р +п,т((р + Д);

= -рыя(<р + уЗ);^ = -р$т{<р + /?) (46)

Обобщенные силы с учетом вариации работы заданных сил Р, на возможных перемещениях и кинетическая энергия Тъ запишутся в виде: <2 = 2^гсо%(<р + 0)-Щ£г[со&(р+со$(1р + P)]-2fmкgAйn<fi-2FTmшrs\n^p, (47)

Тг = 2ткгг<р2 БШ2 ср + 2т/¿г со<?(гр + 0,5/?) + ОД/,, + щр2)ф2, (48)

а функция трансформации нагрузки в зависимости от заданной быстроходности <р и внешней нагрузки РТ(Ф) для планетарно-гипоциклоидного механизма примет вид:

Р(<р) = -^-[вт 2<р-р йп(2<р + Р)\ + 2/4ак0,5/? -1) оаъ{ср + 0,5Р) + [Рг (ср) + /] вш (р (49)

&

Условием достижения наибольших показателей долговечности и конструкциошюй надежности является минимизация, наибольших значений функции Р{<р) за цикл работы стана в установившемся движении путем выбора рациональных параметров ц и р. На основании полученной динамической модели, рассмотренной в главе 8, проанализировано влияние соотношения масс р [28] на качество уравновешивания и установлена величина оптимального коэффициента недоуравновешенности из условия минимума остаточной нагрузки. В частности показано, что для станов типа ХПТ 32 с длиной хода 0,5 м полное уравновешивание (м = 1) эффективно лишь при частоте движения клети свыше 14,3 с\ т.е. при быстроходности, превышающей паспортные характеристики отечественных станов ХПТ в 1,3...1,4 раза. При полном статическом уравновешивании инерционных сил функция Р(<р) при установившемся движении рабочей клети изменяется по закону технологической нагрузки, достигая наибольшего значения - РТ гг:а. Однако влияние технологической составляющей на величину остаточной нагрузки может быть существенно снижено согласно в результате корректировки установочного значения угла р и, тем самым смещения функции уравновешивающей нагрузки вдоль оси <р. Учитывая, что в режиме установившегося движения в пределах полного оборота кривошипа работа технологических сил не зависит от фазового угла р, минимальному значению размаха колебаний функции Р(ср)

соответствует минимум догины ее дуги в пределах одного оборота ведущего звена (водила). Математически это условие реализует

функционал : ] = Цф + F'(<p)l + F'(ip)\d<pdp (50)

IMS

В силу общего вариационного уравнения Эйлера минимум интеграла (50) с точностью до величин высшего порядка малости достигаемся при условии: ¡■'"{<p)„+F"{<p)№ = 0 (51)

Принимая во внимание выражение (49) при апроксимации F-, (tp) = Frm„ sin'<р , запишем слагаемые уравнения Лапласа (51): '"(?)„ = ЩЫп(2<р+/3)-sm2<p\-2(cos 0,5/?- l)cos(<p + 0,5/3) + 4KT(4cos2<p~l)sm^+/smp '"(p)« = K. sin(2^> + P) - eos{<p + P) + 0,5cos(p -l 0,5p) (52)

Здесь для краткости записи обозначено: K¿, = и кт~

9 /8 т /

Обращая внимание на то, что при <р = о функция Fr(<p) = 0, а при <р = л/ 2 достигает наибольшего значения, зададим граничные условия для этих значений аргумента <р. Тогда уравнение (51) принимает вид: При ср= 0 sin/?- cos/?+ 2(1,25- eos 0,5/?) eos 0,5/7 = 0 (53)

ипри?> = 5< (2-5£.)sinP~2,5sin0,5p-4Á'r-Z= 0 (54)

В результате экстремаль

sin В = 4 c°s2 % - 2.5V2 cos(;'2 -%) + !-/- 4КГ lOJ^-2

при заданных коэффициентах быстроходности - и максимальной технологической нагрузки кт позволяет найти фазовые углы /?, обеспечивающие минимальную остаточную нагрузку. Такая оптимизация в области возможных значений ф и Frm„ обеспечивает снижение остаточной нагрузки в линии рассматриваемого приводного механизма в 1,7-2 раза по сравнению с вариантом полного статического уравновешивания инерционных нагрузок при снижении размаха колебаний в 4 раза . Элсктростальским заводом тяжелого машиностроения изготовлены два двухниточных стана ХПТ 2-55 и два экспортных стана большого типоразмера - ХПТ 160 и ХПТ 250 с приводными устройствам нового типа. Согласно отзыву АО ЭЗТМ привод обеспечил высокую степень уравновешенности динамических

нагрузок, что позволило снизить энергозатраты и повысить быстроходность станов.

Для снижения максимальных значений нагрузки на элементы распределительного редуктора за счет разделения силовых потоков разработан и прошел промышленные испытания на стане ХПТР 15-30 с валковой клетью вновь предложенный привод клети стана холодной прокатки труб (рис.10), защищенный пакетом патентов и авторских свидетельств.

Рис. 10 Планетарно-гипоциклоидный механизм привода клети стана ХПТ, совмещенный с планетарным распределительным редуктором (А.С.№№ 863034,884761,956081)

Прямолинейная траектория конца кривошипа, соединяемого с клетью, обеспечивается согласованным выбором параметров зацеплений [29]: /

= (56)

/ - длина хода клети ; ^ - диаметр начальной окружности центральной солнечной шестерни первого планетарного ряда ЗК; иш - передаточное число от центрального солнечного колеса к водилу; и^ - передаточное число от сателлита к эпициклу относительно водила механизма К-Н-V. Расчеты, выполненные в соответствии с выражениями (49...55) свидетельствуют о том, что результирующий крутящий момент на ведомом сателлите уравновешенного планетарно-гипоциклоидного приводного механизма не превышает 15% от аналогичного значения для стана с обычным неуравновешенным приводом, а исключение качания шатунов дополнительно снижает нагрузки на подшипники крепления клети на 5-10%. Комплекс динамических исследований предложенного приводного устройства для конкретных параметров стана ХПТР 15-30, на котором проведены промышленные испытания, свидетельствуют о

подшипников, диаметры заготовки и готовой трубы. Номограммы могут быть использованы при планировании маршрутов прокатки, режимов эксплуатации и норм выпуска холоднодеформированных труб. Такая оценка, в частности, выполненная по заказу АО ГТНТЗ [53] позволила определить годовую потребность завода в валковых подшипниках, а также разработать новые типы валковых опор, реализация которых на станах ХПТ 32-2н, 55 и 75 в пяти волочильных цехах АО ПНТЗ и АО СинТЗ позволила увеличить ресурс валковых подшипников в 2-4 раза. На базе анализа условий контактною нагружения бегунковых подшипников станов ХПТ 250 , где усилия прокатки достшают 4000 кН, а долговечность дорогостоящих крупногабаритных подшипников не превышает 1000 часов с целью многократного увеличения периодов безотказной работы валковых опор, предложен вариант реконструкции с оригинальной шести-валковой схемой рабочей клети, принятый к использованию АО Челябинский трубопрокатный завод.

При длительной эксплуатации подвижных клетей станов ХПТ отмечают возникновение трещин и усталостное разрушение в местах сопряжения стоек с поперечинами и в области проушин шатунных сюек. Сложный процесс оценки разрушений усугубляется цикличностью и иесгационарностью пространственной схемы нагружения. Предложена двухэтапная методика исследования: на первом этапе - на основе традиционных методов расчета статически неопределимых сложных рам оценивали влияние соотношения усредненных жесткостей стоек и траверс на характер распределения и значения внутренних нагрузок, выбирая рациональные соотношения площадей сечсний рамной конструкции; на втором - методом конечных элементов определяли поля напряжений с учетом фактической формы деталей и в результате машинного эксперимента добивались снижения пиковых значений напряжений в опасных местах их концентрации (с оценкой в форме Мизеса) в результате направленного изменения конфигурации и параметров сечений. Нестационарный характер закономерностей изменения и мест приложения комбинации внешних нагрузок за время одного цикла прокатки учтен функциями трансформации нагрузок

привода и системы рабочих валков. Комбинация вышеназванных нагрузок неизменно определяет локализацию наибольших эквивалентных напряжений на внутренних поверхностях участков сопряжения стоек и поперечин, а также - над проушиной шатунной стойки. Практика эксплуатации станов ХПТ подтверждает, что именно эти участки определяют места трещинообразования. Для четырехвалковой клети стана ХПТ 75-2Н расчетом установлено: напряжения в близких по номеру элементах шатунной стойки изменяются от 58 МПа - в крайнем заднем положении клети до 87 МПа -в переднем, не превышая 80 МПа в промежуточных положениях, что фактически соответствует стационарному характеру внутренних нагрузок при нестационарном законе изменения внешних сил. Численный анализ позволил снизить значения опасных напряжений ( на 19%) за счет увеличения жесткости верхней траверсы путем придания ей коробчатого сечения и в результате местного снижения жесткости в узлах сопряжения поперечин со стойками выбором рациональных параметров конфигурации сечений ( полок и ребер). Так, например, расчетный эксперимент показал, что с увеличением соотношения высот сечений верхней траверсы к шатунной стойке в 2,3 раза максимальные значения напряжений в передней стойке снижаются более, чем в 3 раза.

Более радикальный способ повышения ресурса станины предусмотрен во вновь предложенной многослойной сварной конструкции, которая в соответствии с аналогичным расчетом обеспечивает снижение эквивалентных напряжений в опасных зонах до 65 МПа с одновременным снижением массы подвижной станины на 25% по сравнению с существующей.

ГЛАВА 7. СТАНЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ С

ПЛАНЕТАРНЫМ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧИХ ВАЛКОВ.

Интенсификация процессов периодической прокатки связана с развитием конструкций станов с планетарным движением исполнительных органов. Использование планетарной схемы для привода валков с заданной переменной геометрией сечений ручьевых калибров стало возможным при реализации взаимосвязанных перемещений рабочей клети (водила) и прокатного инструмента с помощью планетарных ортогональных зубчатых механизмов К-Н-У (по классификации В.Н.Кудрявцева), исполнительными звеньями которых являются сателлиты.

В.И.Соколовским предложена принципиально новая конструкция стана холодной прокатки труб с вращающейся рабочей клетью - ХПТВ (А.С, 146271), не имеющая отечественных и зарубежных аналогов. Схемное решение стана такого типа включает вращающийся корпус рабочей клети с радиально размещенными в нем несколькими парами рабочих валков, на каждом из которых установлены калибры с криволинейной осыо ручьев, так, что при вращении корпуса клети центры сечений последних в пределах рабочего конуса перемещаются прямолинейно. Класс машин, исполнительные органы которых установлены на сателлитных валах, потребовал дополнительного анализа силовых потоков с учетом динамического взаимодействия звеньев, формирующих сложное движение, при многообразии возможных кинематических схем. В представленных здесь исследованиях [36-38] планетарные механизмы названного типа рассматриваются в Эйлеровой системе координат как пространственные со сферическим движением звеньев, имеющих подвижные оси:

ых = ц/ътв$т(р + 0<хя<р, со = у/ Бш^ссмр-Оьтф , т. = у/саъв + <р , (59) где <р,у/,0 - углы собственного вращения, прецессии и нутации, соответственно, а в качестве осп Ъ выбрана ось собственного вращения детали. Для ортогональных схем с коническими зубчатыми колесами (трубные станы с вращающейся клетью) 0 = а угол прецессии нравен

углу поворота водила. Тогда для подвижной массы тк система (59) приобретает вид: coxK = \j/sm(p\ <и>к = ij/cos<p; со^. = ip (60)

При формировании уравнений движения в форме Лагранжа [39.40] А$+В Д^+С = Q , (61)

кинетическая энергия в системе главных осей с учетом осесимметричных деталей привода - для плоских кинематических схем

г= ОД I /ж iys к+ 'Рп? +1>М,\ (62)

для ортогональных передач-

Т = 0,5[£ (+ 'xkV2k s>n2 <РК + 1ук¥\ cos2 <рк) + lHip\ ] (63)

к

Планетарная часть схемы вкшочает: центральное зубчатое колесо - 1, водило Н с присоединенными звеньями его привода - 4 и сателлит - 2 с присоединенным к нему рабочим валком - 3. В развернутом виде для ортогональной планетарной передачи динамическая модель в циклических координатах после ряда преобразований приведена к системе уравнений движения с одинаковыми коэффициентами при соответствующих разностях обобщенных координат (для простоты записи без учета диссипативных членов) в обозначениях представленных выше:

ПО+^Ур"+4(1+т-)(?>? - ff) = V+jrYZ

'п 'и 'н

[/> + Со, (<р" -ч>„)~ 4(1+~){<р" -<р")+сиА(<р„ - = (1+jr)Q\

1м *н 'n 'i

J2 '2 h 2 2

+ + , (64)

'2 '2 12

где Гн = l„ + /,2 +/Z3; i; = 7Z3«)2; 11 = Ы4?I 4 = ^(a?.)1; Ql = QA компоненты инерционной матрицы, матрицы жесткости и вектора нагрузок системы с уравненными коэффициентами циклических координат. Подобные преобразования позволили получить уравнения движения и для планетарных механизмов с параллельными осями, для которых <9 = 0 [37], используемых в выше- рассмотренных планетарно-гипоциклоидных механизмах станов ХПТ. Для полной схемы привода, вкшочая концевые участки, согласно (61,66) инерционная матрица,

38

матрицы жесткости и диссипации

f»4 > (с.

структуру, А = 'l-2-H , с =

V ».V 1

f В,

С,*,,

в =

с,.

где I,

аж

JhK+Г, ) _ -C2iK -Ст СЯ1(ДГ-1)

I

-C„J. )

i„

(65)

¿ = 1 + 4. i2J,,CHiL,BHiL- диагональные .матрицы, a сугдд - матрицы h

диагональные для рядной или полосчатые для разветвленной схем концевых участков. Особенностью уравнений движения (64) является наличие дополнительных квазиупругих связей, отражающих взаимное влияние упругих колебаний линии привода водила (клети) на закон движения сателлитов <р2 и обратное воздействие динамического

поведения масс,

ho.

tic/,* связанных с

сателлитами Fia координату q>H, характеризующую движение водила.

-U

#=0

Рис. 13 Динамическая схема стана ХПТВ с квазиупругими связями

На основании изложенного метода составлены уравнения движения для опытно-промышленных станов ХПТВ 25 и55 , получена схема замещения (рис.13) и определены динамические нагрузки в линии их приводов. Анализ расчетных динамических нагрузок в многомассовых (до 64 масс) схемах двух-клетьевых станов ХПТВ 55 приведен в работах [40,41]. Коэффициенты динамичности, полученные

на основании решения уравнений движения стана ХПТВ25, соответствуют экспериментальным значениям

55 об/мин 85 об/мин

Теоретическое значение.......... 1,33 1,55

Экспериментальное значение....... 1,23 1,43

Использование релаксационного метода Гаусса-Зайделя для оптимизации параметров привода стана ХПТВ 25 позволило снизить значения максимальных коэффициентов ,динамичности в наиболее нагруженных участках валопровода по сравнению с проектными с 1,31,6 до 1,07-1,15. Наличие зазоров в кинематических парах приводит к увеличению динамических нагрузок не менее, чем на 20%, что свидетельствует о необходимости разработки схем с минимальным количеством размыкаемых кинематических пар. С этой целью предложены варианты планетарной схемы с непосредственным размещением калибров на сателлитных валах, исключая промежуточные участки с компенсирующими зубчатыми муфтами [А.С. 495105, 559742]. Естественный катающий радиус калибра - гк, определяет расстояние между осям прокатки и вращения клети (Я№) [39] соотношением:

= (66) Совместные условия исключения интерференции поверхности криволинейного ручья при его нарезании , прочности валков, долговечности валковых подшипников и конических зубчатых колес определяют область возможных целочисленных значений передаточных чисел "водило-клеть": 5 < и2„ < 9. Дополнительным условием является кратность и2Н по отношению к числу размещенных в клети валков. Размеры клети зависят от типа и серии валковых подшипников. Результат такого анализа представлен зависимостью предельных нагрузок 0]1т от диаметра калибра - В : при симметричной схеме опор [39] д1иа = 1,3. кг3/)2-25 (67)

Значения усилий прокатки, кН.......400 600 800 1000 1200

Минимальный диаметр калибра, мм. .. 250 315 360 410 460

Увеличение нагрузочной способности валковых подшипников и жесткости рабочей клети предусмотрены вариантами с использованием подвижных [A.C. 349427, 735340] и неподвижных [A.C. 980879] опорных дисков. Для удобства обслуживания и настройки на прокатываемый размер рабочие клети в соответствии с [A.C. 559742, 505461] выполнены с разъемом по оси прокатки, содержат оригинальные шарнирные уплотнения клеш и вновь предложенный способ циркуляционной смазки [А.С.635350]. Ряд изобретений [A.C. 598665, 550186, 686789, 575168, 654312] обеспечивают возможности использования станов ХПТВ для роликовой, многониточной валковой холодной и горячей прокатки труб и сортового проката. На Первоуральском новотрубном заводе выполнены испытания валковой вращающейся клети с двумя парами калибров, встроенной в линию существующего стана ХПТР 15-30 [14,45,46], при частоте - 170 разовых обжатий в минуту. Результаты прокатки подтвердили возможность получения стальных тонкостенных труб высокого качества, показали снижение шума на различных частотах на 3-5 дБ, низкие значения коэффициентов динамичности, соответствующие с расчетными. Производительность стана возросла более, чем вдвое по сравнению с существующими.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная обобщенная графовая модель силовых потоков сложного металлургического агрегата периодического действия объединяет источники формирования технологических нагрузок с учетом динамического взаимодействия исполнительных звеньев, связанных, с одной стороны, общей системой привода, а, с другой,-прокатываемым изделием. Такая систематизация направлена, в конечном итоге, на решение проблем повышения конструкционной и эксплуатационной надежности широкого класса технологических агрегатов с учетом параметров распределения случайных нагрузок, обусловленных универсальным их использованием. Топологические свойства силовых потоков определяются функциями трансформации нагрузки отдельных вершин графа. Основой направленного поиска новых схемных решений является использование предложенной

41

процедуры определения рациональных кинематических, инерционных и упругих параметров системы, обеспечивающих минимальные коэффициенты динамичности и концентрации нагрузок.

Разработаны физическая и динамическая модели влияния законов движения группы динамически связанных исполнительных органов стана периодической прокатки на формирование границ нестационарного мгновенного очага деформации. Найдены зависимости разнотолщинности и отклонений формы сечений периодически деформируемых изделий от законов движения системы " задающее устройство-прокатываемое изделие-рабочий валок". Учет обратных связей по перемещениям внес полутора-двукратное уточнение текущих значений нагрузок основных деталей и механизмов, позволил установить параметры управления точностью размеров проката.

На основании анализа силовых потоков механизмов перемещения заготовки с ее периодическим выстоем предложен рациональный закон преобразования движений, обеспечивающий минимум ускорений исполнительных звеньев. Для его реализации разработаны и получили широкое внедрение гамма оригинальных высоконадежных устройств планетарно-гипоциклоидного типа. Многолетний опыт промышленной эксплуатации подтвердил их расчетные преимущества: трёх-четырех кратное снижение инерционных нагрузок, беззазорный и безударный характер движения промежуточных звеньев, повышение быстроходности и точности циклических перемещений, увеличение периодов безотказной работы до 10 раз. Это определяет перспективность их широкого использования в различных машинах периодического действия путем целенаправленного синтеза предложенных устройств и выбора их рациональных параметров на основе выполненных исследований

Актуальная проблема повышения безотказности главного привода станов периодической прокатки с возвратно-поступательным движением рабочей клети решена на основе сравнения мировых тенденций проектирования станов такого типа, теоретического анализа возможных функций трансформации нагрузки механизмов преобразования движения и декомпозиции ее инерционных и технологических составляющих. В пространстве возможных технологических режимов

получены области рационального уравновешивания. Предложен метод оптимизации параметров уравновешивания прямильных механизмов, доставляющий минимум остаточных нагрузок. По результатам успешных промышленных испытаний прямильных механизмов вновь предложенного типа с вращающимися корректирующими массами и на основе разработанной д.ш них математической модели изготовлены серийные станы нового поколения, включая станы крупных типоразмеров ХПТ 160 и 250.

Разработана комбинированная методика исследования

напряженно-деформированного состояния подвижных станин сложной конфигурации с построением схем нестационарного нагружения и использованием метода конечных элементов для целенаправленного выбора конфигурации поперечных сечений элементов станины, по условию снижения максимальных напряжений в местах опасных концентраторов до безопасного уровня. Разработанная на базе этих исследований новая многослойная конструкция подвижной станины клети стана ХПТ, характеризуется двукратным снижением опасных напряжений по сравнению с существующими. На основе анализа полученных законов распределения нагрузок от сил прокатки по опорам и рядам тел качения на станах ХПТ 32-2Н, 32, 55 и 75 внедрены вновь предложенные конструкции опорных узлов, обеспечившие увеличение их ресурса в 2,5-4 раза.

Четырех-пятикратнос увеличение производительности процессов холодной прокатки труб обеспечивают разработанные принципиально новые станы с вращающейся рабочей клетыо, не имеющие аналогов в практике мирового станостроения. Для малоизученных планетарных механизмов с внешне нагруженными сателлитными валами разработана в системе сферических координат обобщенная динамическая модель, позволившая выявить дополнительные квазиупругие связи в механизме суммирования движений. Предложена методика определения оптимальных параметров, обеспечивающих достижение минимума коэффициентов динамичности в наиболее нагруженных связях и минимальных отклонений законов движения исполнительных звеньев от требуемого условиями технологического процесса. На базе

теоретического анализа предложены оригинальные конструкции предварительно-напряженных вращающихся клетей, клетей для многониточной холодной и горячей прокатки прокатки. Результаты успешной опытно-промышленной проверки станов ХПТВ при двукратном увеличении производительности процесса по сравнению с достигнутой послужили основой технических заданий ГИПРОМЕЗа для пяти трубных заводов черной и цветной металлургии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чечулин Ю.Б. Анализ функций нагружения механизмов станов периодической прокатки // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Магнитогорск, 1996. Сб. научных трудов. Т. 5.

2. Кондратов JI.A, Чечулин Ю.Б., Богданов Н.Т., Макаркин Н.С. Конструкции, ремонт и обслуживание станов холодной прокатки труб.-М.¡Металлургия. 1994. 352 с.

3. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. Параметры очага деформации для общего случая планетарной прокатки // Исследование, расчет и конструирование машин. Свердловск, 1966. Сб. 146.

4. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б., Домрачева В.А. Исследование процесса прокатки на планетарном стане с использованием ЭЦВМ // Вопросы математического моделирования и вычислительной техники. Свердловск , 1967. Сб. 151.

5. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. Определение действительной разнотолщинности полосы на выходе из планетарной клети // Исследование кинематики и динамики машин. Свердловск, 1970. Сб. 180

6. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. Параметры планетарной прокатки для случая одновременного нахождения в контакте с заготовкой более одной пары валков // Там же.

7. Чечулин Ю.Б. Основы расчета деталей машин,- Екатеринбург: изд. УГТУ.1994. 75 с.

8. Чечулин Ю.Б. Исследование мгновенного очага деформации при холодной прокатке труб с учетом кантовки // Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 1997. №3

9. Чечулин Ю.Б., Андрейцев Ю.Н. Выбор углов кантовки трубы на станах холодной прокатки // Металлург. 1993. № 11/12.

10. Чечулин Ю.Б. High precision cold rolling of tube in pilger mills // TUBE INTERNATIONAL. The International Journal for the Tube and Pipe Production and Processing Industries. ENGLAND, 1995, March.

11. Бубнов Э.А., Дрягин Д.П., Сатовская Т.Б., Чечулин Ю.Б. Анализ динамических режимов работы прокатных станов периодического действия с помощью АВМ // Теория и практика технологических процессов производства и обработки стали. Свердловск, 1971. Сб.202.

12. ЧечулинЮ.Б., СоколовскийВ.И., ВиноградовА.В. Влияние податливости звеньев планетарного стана на процесс прокатки // Труды Уральской юбилейной сессии по итогам научно-исследовательских работ в области машиностроения. Ч. II. Курган, 1968.

13. Чечулин Ю.Б., Горонков Е.С., Сатовская Т.Б. Экспериментальное определение усилий при прокатке па планетарном стане // Новые исследовага-ш кинематики и динамики машин. Свердловск, 1967. Сб. 160.

14. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. Ein neues Kaltwalzgerust zur Herstellung von Rohren // NEUE HÜTTE. Leipzig, 1980. August

15. Сатовская Т.Б., Чечулин Ю.Б. Динамическое исследование механизма подачи непрерывного действия станов холодной прокатки труб // Изв. вузов. Черная металлургия. 1975. № 6.

16. Чечулин Ю.Б., Соколовский В.И. и др. Динамика механизма подачи и поворота непрерывного действия стана холодной прокатки труб с вращающейся клетью // Проблемы машиностроения. Научный совет по теории машин и рабочих процессов АН СССР. Челябинск, 1973. Сб. 123.

17. Чечулин Ю.Б., Соколовский В.И.Планетарно-циклоидное устройство механизмов подачи и поворота заготовки станов ХПТ // ЦНТИ. Свердловск, 1978. № 548-78.

18. Чечулин Ю.Б., Каузов A.M. Закон движения ведомого звена нового механизма подачи станов холодной прокатки труб // Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1980. Вып.4.

19. Чечулин Ю.Б., Каузов A.M. Определение оптимального закона движения заготовки стана ХПТ П Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1982. Вып. 6.

20. Выбор рациональных параметров зубчато-рычажного преобразователя равномерного вращения в неравномерное по оптимальному закону циклического движения с приближённым выстоем и наименьшим пиком ускорений / Каузов A.M., Чечулин Ю.Б. // Доклады Второго Всесоюзного съезда по теории машин и механизмов. Киев, 1982. 4.2

21. Чечулин Ю.Б., Каузов A.M., Богомолов А.О. Исследование нагружеппости механизмов иодачи и поворота станов холодной прокатки труб с планетарно-гипоциклоидным преобразователем // Сталь. 1989. № 2.

22. Соколовский В.И., Каузов A.M., Чечулин Ю.Б. Определение мгновенных значений К.П.Д. п.танетарно-гипоциклоидного механизма // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. № 10.

23. Каузов A.M., Чечулин Ю.Б.,Соколовский В.И. Выбор рациональных параметров планетарно-циклоидного устройства преобразования равномерного вращения в неравномерное // Черметинформация . М. 1981. №4.

24. Чечулин Ю.Б. Создание и исследование станов холодной прокатки труб на основе планетарно-гипоциклоидных механизмов .// Наука и

инженерное творчество - XXI веку. Труды первой научно-технической конференции РУО Академии инженерных наук РФ. Екатеринбург, 1995.

25. Чечулин Ю.Б., Каузов A.M., Кондратов JI.A. Новый быстроходный механизм подачи и поворота станов холодной прокатки труб. // Сталь. 1980. №4.

26. Чечулин Ю.Б., ПокровскийВ.Б., Берсенев А.А.,Останин В.Т. Повышение работоспособности главных приводов станов холодной прокатки труб// Сталь. 1997.№7

27. Чечулин Ю.Б., Покровский В.Б. Модернизация кривошипных механизмов главного привода станов ХПТ // Сталь. 1994. № 1.

28. Буйначев С.К., Чечулин Ю.Б. Выбор параметров грузового уравновешивания планетарно-рычажного механизма // Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1986. Вып. 10.

29. Чечулин Ю.Б., Буйначев С.К., Каузов A.M., Новоселов В.П. Комплексная модернизация стана периодической холодной прокатки труб и его исследование // Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1984. Вып.8.

30. Соколовский В.И.,Чечулин Ю.Б., Буйначев С.К. Уравнение движения пространственного зубчатого планетарного механизма // Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1986. Вып. 10.

31. Чечулин Ю.Б., Соколовский В.И.,Покровский В,Б, Совершенствование конструкций и условий эксплуатации валковых опор станов ХПТ // Металлург. 1991. № 2.

32. Покровский В.Б.,Чечулин Ю.Б. Модернизация подшипниковых опор рабочих валков станов ХПТ // Металлург. 1993. № 2

33.Модернизация подшипниковых опор рабочих валков двухниточных станов холодной прокатки труб ХПТ 32-2Н / В.Б.Покровский, Ю.Б.Чечулин//Свердловский межотраслевой ЦНТИ. 1988. № 344-88.

34. Чечулин Ю,Б., Покровский В.Б. расчет и реконструкция крупногабаритных корпусных деталей трубопрокатных станов // Конструирование и технология изготовления машин. Екатеринбург. 1995.

35. Чечулин Ю.Б., Новоселов В.П. и др. Напряженно-деформированное состояние четырёхвалковых клетей станов холодной прокатки труб // Изв. вузов. Черная металлургия. 1995. № 6.

36. Чечулин Ю.Б., Соколовский В.И. и др. Динамическое исследование приводов металлургических машин, содержащих пространственные планетарные механизмы // Изв. вузов. Черная металлургия, 1975. № 6.

37. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б., Песин Ю.В. Некоторые особенности динамики машин, содержащих пространственный планетарный привод // Международный симпозиум по динамике тяжелых машин горной и металлургической промышленности. Донецк. 1974.

38. Чечулин Ю.Б., Песин Ю.В. Исследование условий нагружения пространственного планетарного привода стана ХПТВ // Новые исследования машин обработки давлением. 1975. Сб. № 239.

39. Чечулин Ю.Б. Разработка и использование станов холодной прокатки труб с вращающейся рабочей клетью //Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1984. Вып. 8. W. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. и др. Исследование динамических нагрузок в главном приводе стана холодной прокатки груб с вращающейся клетью // Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. № 6. И. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. и др. Динамика привода двух-каруселыюго стана холодной прокатки труб с вращающейся рабочей клетью // Вопросы проектирования и модернизации машин. Ижевск. 1971.

12. Чечулин Ю.Б., Песин Ю.В., Кондратов JI.A. Определение рациональных динамических характеристик стана с совмещенными клетями ХПТВ-ХПТР // Теория машин металлургического и горного оборудования. Свердловск, 1979. В. 3 •3. Чечулин Ю.Б. Исследование динамики главного привода стана ХПТВ с помощью АВМ-17 М // Вычислительная техника в машиностроении. Свердловск. 1971.

4. Чечулин Ю.Б., Соколовский В.И., Песин Ю.В. Динамическое исследование планетарного привода с массивным водилом // Теория машин металлургического и горного оборудования. Екатеринбург. 1994. Вып. 15.

5. Стан холодной прокатки труб с вращающейся клетью / В.И. Соколовский, Ю.Б. Чечулин, В.И. Сагалович// Свердловский ЦНТИ. 1976. № 752-76.

6. Стан холодной прокатки труб с вращающейся клегыо / Ю.Б. Чечулин, В.И. Соколовский // Свердловский .межотраслевой ЦНТИ. 1989. № 55989.

7. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. Высокопроизводительное оборудование для холодной прокате и труб// Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Магнитогорск., 1996. Сб.

научных трудов. Т.З

8. Соколовский В.И., Чечулин Ю.Б. New high- efficient mills for tube cold rolling // HISTJRY AND FUTURE OF SEAMLESS STEEL TUBES. Karlovy Vary. 1990.

По материалам диссертации получено 49 патентов и авторских видетсльств па изобретения:

Vs№ 349427, 395128, 407597, 439326, 465242, 495105, 505461, 519236, 536896, 50186. 557168, 559742, 598665, 608573, 621404, 635350, 644556, 647066, 54312, 682291, 686789, 735340, 755346, 759155, 766682, 770580, 784964, 34026, 829232, 863034, 884761, 907918, 937850, 956081, 959935, 969342, 979036, 30879, 1028440, 1087273, 1199490, 1206025, 1355306, 1405924, 1437120, 588997. 1731472, 2030228, 2057621

-/с/ у /

•С ! / /

<0.(9.ь%<

ЛС4£/оЧ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАОСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ

ЧЕЧУЛИН ЮРИИ БОРИСОВИЧ

УДК 621.771,01/06

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССОВ

ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ НА ОСНОВЕ ПЛАНЕТАРНЫХ И ЦИКЛОИДНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Специальность: 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

• // е^г

... №

'■\ОКТ (

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени' доктора технических наук

вЛк.

1 ■■ < />""■

Екатеринбург 1998

Оглавление

Введение..................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования .... 8

Глава 2. Система показателей нагружения машинного агрегата

периодического действия.............................25

2.1 Обобщенная модель силовых потоков стана

периодической прокатки .. ..........................25

2.2 Основы статистического учета технологического нагружения станов периодической прокатки

универсального назначения......................... 29

2.3 Выводы по главе...................................35

Глава 3. Мгновенный очаг деформации станов

периодической прокатки с учетом технологических особенностей процесса ...............................37

3.1 Границы мгновенного очага деформации при планетарной прокатке в гладких валках при фиксированном значении подачи.................... . 37

3.2 Очаг деформации при прокатке в ручьевых калибрах на стане ХПТ с учетом деформативности важовой системы

и циклического поворота заготовки................. . 53

3.3 Влияние угла кантовки на точность труб.............. 60

3.4 Выводы по главе....................................66

Глава 4. Увеличение долговечности, быстроходности и кинематической точности распределительно подающих механизмов станов периодической прокатки...............68

4.1 Варианты распределительно подающих механизмов станов

периодической прокатки по условиям кинематической синхронизации с приводом рабочей клети.................68

4.2 Математическая модель планетарной прокатки с автономным приводом распределительно

подающих устройств . .. ................................70

4.3 Математическая модель периодической прокатки с кинематически зависимым распределительно подающим механизмом планетарно-гипоциклоидного типа............80

4.4 Промышленное использование планетарно-гипоциклоидных механизмов подачи и поворота заготовки и

ВАРИАНТЫ РАСШИРЕНИЯ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ. . . 96

4.5 Выводы по главе.................................. 102

Глава 5. Повышение работоспособности линии главного привода станов ХПТ на базе анализа силовых потоков и разработки новых конструкций...................................105

5.1 Влияние факторов быстроходности и технологических нагрузок на выбор параметров систем уравновешивания . . .105

5.2 Обоснование схемы и исследование нового уравновешенного планетарно-гипоциклоидного бесшатунного прямильного устройства привода рабочей

клети стана ХПТ.................................... 118

5.3 Выводы по главе..................................129

Глава 6. Повышение надежности рабочих клетей станов ХПТ .... 131

6.1 Нагруженность валковых подшипников станов ХПТ.. 131

6.2 Повышение работоспособности подвижных станин станов ХПТ.......................................138

6.3 Выводы по главе................................. 151

Глава 7. Станы периодической прокатки с планетарным

движением рабочих валков.............................153

7.1 Новая конструкция стана холодной прокатки труб с вращающейся клетью..................................153

7.2 Динамическая модель привода станов ХПТВ и

оптимизация параметров...................... 165

7.3 Новые конструкции, расширяющие технологические

возможности использования станов с вращающейся клетью........................................ 178

7.4 Выводы по главе...................................194

8. Основные результаты и выводы............................197

Литература................................................202

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа является обобщением результатов части исследований автора по процессам и оборудованию станов периодической прокатки. На основании этих исследований в руководимом им Отделе станов холодной прокатки труб Отраслевой лаборатории металлургического оборудования УПИ, созданной по совместному постановлению министерств тяжелого машиностроения и высшего образования, по заданиям головных научно-исследовательских и проектных институтов ВНИИМЕТМАШ, ВНИТИ, ВИЛС , заводов тяжелого машиностроения: ЭЗТМ, УЗТМ, ИЗТМ, АЗТМ, а также ведущих металлургических и машиностроительных предприятий черной металлургии, атомной и авиационной промышленности разработан большой комплекс всех основных механизмов станов холодной прокатки труб на новой перспективной планетарной и планетарно - циклоидной основе.

В результате теоретической части исследований созданы:

- общая математическая модель силовых потоков, включающая весь комплекс механизмов перемещения заготовки и рабочей клети общей структурной схемы станов периодической прокатки, исполнительные звенья которых объединены прокатываемым изделием;

- физические модели вновь предложенных и защищенных патентами и авторскими свидетельствами устройств подачи и поворота заготовки, преобразователей вида движения главной линии станов, рабочих клетей - основных механизмов, работающих в

словиях тяжелого высоко циклического нагружения и определяющих показатели надежности станов в целом;

- математические модели динамических процессов и методики расчетов предложенных оригинальных устройств, включающие разработку кинето-динамических схем замещения, их теоретический анализ на основе разработанных принципов оптимального выбора параметров, исследование напряженно-деформированного состояния с использованием численных методов теории упругости, учет характеристик статистического ряда технологических нагрузок, обусловленных универсальным использованием каждого типоразмера станов;

- физические и математические модели формообразования границ нестационарного очага деформации с учетом активного влияния малоизученных особенностей динамического поведения схемы привода на закономерности их изменения и формирования показателей точности геометрических размеров и формы прокатываемых изделий;

- теоретически полученные результаты нашли подтверждение при многочисленных экспериментальных исследованиях и в практике промышленного использования вновь предложенного оборудования более, чем на 50 станах ХПТ всех типоразмеров.

Акты промышленного использования такого оборудования как в серийных станах новых моделей АО ЭЗТМ, так и в реконструированном оборудовании существующих станов АО ПНТЗ, СинТЗ, ЧМЗ, КРАМЗ и ряда других предприятий подтверждают увеличение периодов безотказной работы новых типов оборудования

до 10-15 раз, заметный рост производительности и точности размеров и форм прокатной продукции, снижение энергозатрат и шумовых показателей при сроках окупаемости по отдельным вариантам реконструкции, не превышающих одного года.

На основе успешных опытно-промышленных испытаний станов принципиально нового типа ( с вращающейся клетью и с винтовыми ручьями калибров), подтвержденных Актами приемных комиссий, по техническим предложениям ряда заводов, включая АО ПНТЗ, СинТЗ, ЧМЗ, СМЗ, центральным и уральским ГИПРОМЕЗами разработаны подробные технические задания на изготовление таких станов.

Материалы работы доложены, обсуждены и нашли положительную оценку в итоговых документах на 25 международных, межгосударственных, союзных, республиканских и межотраслевых научных и научно-технических конференциях, а также на технических советах министерств и предприятий.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Общие принципы схемы деформации и состава оборудования для ее осуществления объединяют в общую группу большое количество станов периодической прокатки с подвижными рабочими клетями, включая станы холодной прокатки труб с возвратно-поступательным движением клети , планетарные и маятниковые станы горячей прокатки полос, сортового металла, планетарные станы холодной прокатки труб, проволоки, листа, ковочные машины и др. Совершенствование и развитие машин периодического действия требует особого внимания к поиску путей создания высоконадежного оборудования.

Формирование показателей надежности и оценок ограниченной долговечности станов периодической прокатки широко представлены в ряде работ [1,2,3]. Анализируя гистограммы распределения отказов [1,2] по отдельным механизмам станов холодной прокатки труб, особенности получения характеристик надежности при малых выборках, эксплуатационную надежность станов, функции распределения значений времени отказов и восстановления станов, удельный вес отказов отдельных деталей и узлов, В.М. Гребенник и В.К. Цапко отмечают, что средний коэффициент использования станов ХПТ составляет 0,6, а распределение числа отказов отдельных механизмов колеблется в широких пределах, Наибольшее число отказов и простоев приходится на механизм подачи и поворота заготовки и рабочую клеть, работающие в очень тяжелых условиях, причем наибольшая интенсивность отказов соответствует муфтам

свободного хода станов, работающих при повышенной быстроходности : 95 - 110 двойных ходов клети в минуту. Сравнивая гистограммы нагружения валков, отмечают существенную зависимость повышенной интенсивности отказов, малого среднего срока службы и частых случаев поломки при прокатке труб из труднодеформируемых металлов.

На основании этих исследований и практических наблюдений следует сделать вывод о необходимости дальнейшего установления связи между полученными характеристиками надежности и вероятностью нагружения отдельных механизмов и станов в целом.

В монографии Л.В. Коновалова [3] говорится: " Статистический анализ эмпирических данных о действующих нагрузках дает возможность обоснованно с заранее заданной вероятностью определить величину максимальной нагрузки для расчетов статистической прочности, выявить неравномерность нагружения рассчитываемых деталей и узлов в зависимости от параметров процесса" по результатам годичного наблюдения. Рассматривая расчетные методы систематизации технологических нагрузок при прокатке годового сортамента на одном из станов, автор устанавливает связь с важнейшими характеристиками надежности. Знание спектра нагрузок для исследуемого стана, по мнению автора, позволяет перейти к расчету усталостной прочности отдельных узлов и деталей в соответствии с методом расчета по запасам прочности или в вероятностной постановке.

Учитывая эффективность методологии, изложенной в работах Л.В. Коновалова , целесообразно их расширение на оценки законов

распределения нагруженности станов универсального назначения с учетом случайных факторов использования одного и того же типоразмера станов для прокатки широкой гаммы видов и марок материалов с разными механическими характеристиками, которые могут различаться в два-три раза при использовании одинаковых станов в черной и цветной металлургии. Это дает возможность учесть в конструкциях и параметрах вновь проектируемых или создаваемых станов особенности их конкретного назначения, а на стадии эксплуатации ограничить выбор приемлемых маршрутов прокатки.

В работах В.Н. Выдрйна [4] процесс непрерывной прокатки рассматривается с учетом основных элементов, определяющих работу стана. Автор выделяет две основные группы:

- процессы, происходящие в отдельных элементах стана (очаг деформации, рабочая клеть, привод валков, межклетьевой промежуток),

- условия взаимодействия всех указанных элементах с учетом специфических особенностей непрерывной прокатки.

Объединяющий подход к установлению взаимного влияния комплекса оборудования, исполнительные органы которого объединены прокатываемым изделием, рассматривается для безынерционной системы на кинетостатическом уровне, что несколько упрощает решение в границах, достаточных для решения поставленной задачи - управления процессом непрерывной прокатки.

Расширение такого подхода на быстротекущие процессы, например, свойственные станам периодической прокатки, работа отдельных механизмов которых происходит в условиях высоко

циклического нагружения, требует учета полной динамической модели механической системы. В качестве математического инструмента, объединяющего силовые потоки системы, может быть предложено использование представления механической цепи привода в форме графа, аналогично применению этих методов в теории электрических цепей [5].

Теория периодической прокатки, основанная на общих положениях теории пластичности и обработки металлов давлением широко представлена в исследованиях известных ученых [5-15]. В книге П.К.Тетерина для случая нахождения в абсолютном очаге (зоне) деформации одной пары рабочих валков рассмотрены вопросы кинематики валков и сепаратора, величина и распределение частных обжатий с анализом их зависимости от подачи и толщины готовой полосы, параметры очага деформации и энергосиловые параметры процесса. При получении расчетных зависимостей автором оговорен ряд допущений:

- подача осуществляется не непрерывно, а периодически, и принимается неизменной в течение всего цикла деформации,

- конструкция стана рассматривается идеально жесткой,

- в зоне деформации находится всегда только один валок.

В тоже время автор отмечает вибрации, сопровождающие работу задающей клети, в связи с чем требуется дальнейший учет факторов, ограниченных в постановочной части допущений. Требует дополнительного изучения расхождения описания функции распределения усилий планетарной прокатки с полученными экспериментальными замерами [7] , получение общей модели

взаимодействия двух пар валков, одновременно находящихся в зоне деформации.

Границы мгновенного очага деформации при периодической холодной прокатке труб - обсуждаются в известных работах П.Т.Емельяненко, А.И.Целикова, В.И. Соколовского [8,9,11], исходя из условия полного заполнения деформируемым металлом межинструментального промежутка (между оправкой и рабочей поверхностью калибров) и принимаются симметричными относительно дна ручья. На основании установленных выражений с использованием уравнения пластичности получены значения давлений, результирующее значение которых с достаточной достоверностью подтверждают результаты натурных измерений. Простую среднюю оценку усилий прокатки дает известная формула Ю.Ф.Шевакина [13]. В.И. Соколовским эти значения получены с учетом упругого сплющивания калибра в зоне нагружения. В работе [1Г Г.В.Филимонов и O.A. Никишов обращают внимание на характерные участки образования дефектов при прокатке циркониевых сплавов в областях развалки и дна калибра, что согласно исследованиям B.JI. Колмогорова и A.A. Богатова [12] определяется монотонностью деформации.

Таким образом, вероятное отсутствие касания металла с донной частью калибра, требует поиска дополнительных теоретических обт мнений. Кроме того, многочисленные экспериментальные измерения усилий прокатки по показаниям месдоз, установленных ме;::ду подушками валковых подшипников и траверсой рабочей клети, дак г существенно различающиеся показания для левой и правой Ol: \ симметрично расположенных относительно оси прокатки, что

опосредованно свидетельствует о неравномерности толщины деформируемого слоя по периметру сечения. Таким образом, одной из задач исследований является разработка математической модели мгновенного очага деформации при прокатке в станах ХПТ, позволяющей -получить объяснение ряда экспериментально обнаруженных фактов. В известных публикациях отсутствуют сведения о выборе углов кантовки труб при холодной прокатке на станах ХПТ и их влиянии на процесс.

Анализу конструкций и работы отдельных механизмов отечественных и зарубежных станов периодической прокатки посвящены работы [11,13,14,16,17,18,19,22] М.И Гриншпуна, В.А. Вердеревского, В.А. Станкевича, A.C. Никитина, М.В.Попова, М.Б. Биска, В.Б. Славина и др. Отмечаются [11,18] жесткие требования к распределительно подающим механизмам (РПМ) ,в частности, согласно опыту эксплуатации неравномерность подачи заготовки в клеть станов ХПТ не должна превышать 10%. Однако фактическая неравномерность подачи существенно превышает эти значения. Динамические нагрузки, обусловленные кратковременностью цикла подачи и поворота и особенностью закона движения с кинематически предусмотренным абсолютным выстоем ведомого звена, составляют согласно [22] от 65 до 95° о полной нагрузки. На основании динамического исследования механизмов преобразования движения РПМ станов различных типоразмеров [20.21] установлено, что коэффициенты динамичности достигают 2, однако при правильном выборе подвижных масс и податливости звеньев могут быть снижены. Рассматривая опыт эксплуатации такого механизма на станах фирмы

МАЫЫЕБМАКЫ ОЕМАС, авторы [22] отмечают его устойчивую работу в пределах 60-150 циклов в минуту, отме�