автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование конструкции автоматстанов ТПА-140 и ТПА-220 на основе моделирования динамики привода

На правах рукописи

7

ЗИОМКОВСКИЙ ВЛАДИСЛАВ МЕЧИСЛАВОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТСТАНОВ ТПА-140 И ТПА-220 НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРИВОДА

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург -2012

005011947

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Баранов Георгий Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лехов Олег Степанович

кандидат технических наук, доцент Некрасов Игорь Иванович

Ведущая организация ИМАШ УрО РАН

Защита состоится 16 марта 2012 года в 14.00 в ауд. М-323 на заседании диссертационного совета Д212.285.10 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19 Тел.: +7 (343) 375-46-94. E-mail: raskatov@pochta.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ

Автореферат разослан 8 февраля 2012 года и размещен на сайте УРФУ И ВАК http://vak2.ed.gov.ru/cataIogue/details/59588 8 февраля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Раскатов Е.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном предназначены для производства бесшовных горячекатаных труб широкого ассортимента. Возможность быстрого перехода с производства одного вида труб на другой определяет высокую эффективность использования ТПА с автоматстаном при прокатке малых партий труб.

Отличительной особенностью авгомагстанов является то, что нагрузки в линии привода на этапе захвата заготовки в 3...4 раза превосходят нагрузки при установившемся процессе прокатки. Такой характер нагружения приводит к снижению надежности и долговечности оборудования автоматстанов. В известных исследованиях по динамике автоматстанов привод автоматстана приводится к рядным неразветвленным системам, и динамика ударного взаимодействия заготовки и валков при захвате рассматривается либо без учета податливостей упругих связей привода, либо процесс захвата рассматривается с энергетической точки зрения в отрыве от установившегося процесса прокатки. Такие допущения приводят к существенным отличиям расчетных нагрузок в элементах автоматстанов от нагрузок, полученных при экспериментальных исследованиях.

В этой связи комплексные исследования нагружения привода автоматстана: экспериментальные на действующем оборудовании и теоретические с использованием разветвленной динамической модели и включением процесса захвата заготовки в общую динамическую модель нагружения является актуальными.

Определение реального спектра нагрузок позволило получить рекомендации по совершенствованию оборудования автоматстана с целью повышения его технологических возможностей, надежности и долговечности.

Целью работы является совершенствование конструкции автоматстанов ТПА-140 и ТПА-220 на основе моделирования динамики привода для достижения стабильной работы автоматстанов, снижения простоев, связанных с поломкой элементов конструкции станов и повышением надежности предохранительных устройств. При этом были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики динамического исследования линии главного привода станов, учитывающая специфику захвата заготовки валками и неравномерность распределения технологической нагрузки между ними.

2. Разработка пакета прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок, включающего расчет параметров динамической модели, частотный анализ и анализ вынужденных колебаний при захвате заготовки валками.

3. Теоретический и экспериментальный анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции автоматстана.

4. Разработка рекомендаций по модернизации оборудования, обеспечивающих снижение простоев и повышения надежности и работоспособности станов.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика динамического расчета линии главного привода автоматстана, учитывающая специфику захвата заготовки и неравномерность распределения технологической нагрузки между валками.

2. Разработан пакет прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок привода автоматстана, включающий автоматизацию расчетов параметров динамической модели, частотный анализ и анализ вынужденных колебаний при варьировании режимов нагружения и условий захвата заготовки.

3. Для учета податливости валопровода разработана система передачи данных от графических изображений элементов сборочных чертежей, выполненных в Автокаде, в расчетные блоки с формированием изображения упругой оси вала и расчетом деформаций валов, подшипниковых опор и зубчатых передач.

4. С использованием разработанного комплекса выполнены исследования влияния параметров автоматстана в составе ТПА-140 и условий захвата заготовки на динамические нагрузки привода.

5. Предложены рациональные сочетания параметров динамической модели, которые в заданном пространстве их изменений минимизируют динамические нагрузки в линии привода.

6. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования нагрузок в линии привода автоматстана.

Практическая ценность:

С учетом выполненных исследований получены рекомендации по совершенствованию конструкции автоматстана:

• Определены количество, размеры и форма разрушающихся элементов предохранительной муфты, обеспечивающих защиту привода от пиковых нагрузок, возникающих при захвате заготовки.

• Предложена модернизация крепления клети автоматстана на фундаментных балках, обеспечивающая повышение жесткости и снижение нагрузок на лапы станины, что увеличивает ресурс её работы.

Реализация работы. На основе разработанных рекомендаций в цехе №2 ЧТПЗ проведена реконструкция предохранительных устройств автоматстана ТПА-140. Это позволило на 40% сократить время простоев, связанных с их срабатыванием. Акт об использовании результатов работы представлен в приложении к диссертации.

На основании выполненных исследований разработан проект реконструкции клети автоматстана ТПА-220, обеспечивающий увеличение ресурса за счет повышения жесткости клети и надежной её фиксации на фундаменте. Клеть с модернизированными опорами установлена в ОАО ПНТЗ в 2008 году. Эффективность её использования подтверждена трехлетним опытом безотказной эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные разделы докладывались на XIII, XV отчетных конференциях молодых ученых Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008-2009., XVI Международной конференции молодых ученых. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009., V международной научно-технической конференции. Пенза, ПДЗ. 2009, на международной конференции, посвященной 15-летию со дня создания регионального Уральского отделения академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Екатеринбург, 2010, Публикации Результаты работы представлены в 9 публикациях, в числе

которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 158 страницах, содержит 25 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 99 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы её цели и задачи.

В первой главе рассмотрены различные типы ТПА с автоматстанами. Выполнен обзор работ по динамике автоматстанов. Рассмотрены нагрузки, действующие на элементы автоматстана: линии главного привода, стержня оправки, узлов крепления станины автоматстана. При совершенствовании конструкции автоматстанов необходимо знать нагрузки, действующие на элементы автоматстана как при установившемся процессе прокатки, так и при захвате заготовки, поскольку нагрузки при захвате в несколько раз превышают нагрузки установившегося процесса прокатки. Такой характер нагружения существенно снижает работоспособность и долговечность узлов автоматстана. В главе рассмотрены представленные в научной литературе сведения по нагруженности линии главного привода и стержня оправки. Установлено, что отсутствие обоснованной методики расчета усилий срабатывания предохранительных элементов в линии привода автоматстана, с одной стороны, приводит к разрушению деталей линии привода, с другой стороны, - к раннему срабатыванию предохранительных элементов и необоснованным простоям автоматстана. Показано, что для повышения долговечности клети автоматстана необходимо выполнить анализ условий её нагружения с учетом износа опорных поверхностей и выработать рекомендации по совершенствованию конструкции клети. При проведении теоретического исследования нагрузок особое внимание следует уделить влиянию:

а) массы заготовки и условий ее взаимодействия с инструментом в процессе захвата на динамические нагрузки в линии привода;

б) конструктивных особенностей линии привода на неравномерность распределения нагрузок между валками автоматстана.

Для разработки рекомендаций по совершенствованию конструкции автоматстана необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования нагрузок в линии привода автоматстана, особенно на этапе захвата заготовки.

Вторая глава посвящена разработке динамической модели привода автоматстана и определению её параметров.

На работоспособность элементов рабочей линии стана существенное значение оказывают нагрузки, возникающие в период захвата заготовки рабочими валками и при посадке ее на неподвижную оправку.

На величину этих пиковых нагрузок влияет как перераспределение кинетической энергии между разгоняемой в момент захвата гильзой и валками, так и нестационарное позиционирование оправки относительно ручьев прокатных валков. Кроме этого случайный характер пиковых нагрузок объясняется также значительными отклонениями формы прокатываемой заготовки, получаемой на предшествующей операции прошивки.

Для оценки влияния перечисленных факторов на нагруженность автоматстана требуется рассмотрение динамических процессов, происходящих при захвате заготовки.

При этом следует разработать динамическую модель привода, объединяющую процесс захвата заготовки и установившийся процесс прокатки в единый динамический расчет. Для описания динамики привода автоматстана предлагается следующая динамическая модель, достаточно полно описывающая его структуру (рис.1)

Рис. 1. Динамическая модель привода автоматстана Динамика переходного процесса в представленной шестимассовой модели описывается системой дифференциальных уравнений относительно упругих моментов Ми+1

7А + мС1г = мл

1г<рг + Мсп-Мт = 0

_ + Л/Г34 + А/сзв - МС2} = о

'/4#4 + Л/Г45-Ма4 = О /5<р5-Л/Г45=-МГ5

где и приведенный момент инерции /-той массы; <р/ - обобщенная координата /-той массы;

Л/о,/+1 - упруго-диссипативный момент на участке между /'-той и /+1 массами;

Мд - приведенный момент электродвигателя;

Мп - момент силы от технологической нагрузки, приложенный к /-той массе.

Упруго-диссипативные моменты определяются по формуле

Къ, i=с, (я - )+№,- Фм ),

где С, - коэффициент жесткости упругой связи между /-той и /+1 массами;

Л, - коэффициент вязкого демпфирования на участке между /'-той и /+1 массами.

Решение системы (1) ищем в виде

= ¿ AA/~V sin(/V + «,)+А (2)

где n^p/Jfa)

- логарифмический декремент поj'-той форме колебания. Д; - амплитуды по первой форме колебаний; x¡ j - коэффициенты формы; а. - начальные фазы; р - частоты собственных колебаний; Д - частные решения. Частоты находили из решения определителя.

„2 д2 Р -Рп- С, .....0....... ..0...... 0

h

С2 ■Р2- & С2 ..0...... с2

h h 7з

0........... •/-А2.. с3 С,

h Л А

0........... ...о......... с4 2 ...—~...Р -Ра 0

Л

0........... С5 Q 0....Р2 -Аи

/з h

Корни полученного уравнения определили методом Ньютона

Амплитуды по высшим формам колебаний представили через коэффициенты формы ; и амплитуды по первой форме колебаний А{ 1

Задаваясь частотой колебаний р1, подставим выражение (2.3) в систему

дифференциальных уравнений (2.2) и получим после преобразований систему алгебраических уравнений для определения коэффициентов формы х1;.

■ ухи + {р) - Р1) + -уХц = 0 и

у- х2/ + {р) - Аб =0-

Полученную систему для различных р] решили методом Гаусса.

Вид частного решения зависит от характера возмущающей нагрузки. Для режима захвата гильзы валками автоматстана момент сил технологического сопротивления с достаточной точностью можно аппроксимировать следующими зависимостями: „ \Mntlt приг<?

Мт, =1 (3)

\мп, при 1>(р, ^

где ¡р - время нарастания нагрузки до установившегося значения; Мш - установившийся момент технологических сил сопротивления.

Распределение момента прокатки Мт между валками автоматстана может зависеть от целого ряда факторов, среди которых выделим различную жесткость кинематических цепей привода валков. Крутящий момент от электродвигателя передается на нижний вал шестеренной клети и далее раздваивается. Часть момента передается непосредственно на нижний прокатный валок, оставшаяся часть через зубчатую передачу шестеренной клети передается на её верхний вал, и далее на верхний прокатный валок. Для составления расчетной схемы часть динамической модели привода (Рис.1), связанную с шестеренной клетью и прокатными валками, на этапе взаимодействия с заготовкой, представим в следующем виде:

Деформации упругих связей 3-5 и 3-6 равны Д (рь= Мт\С9 Л<Рь= МП6/С5,

где С,5 - суммарная жесткость соединения между 3 и 5 массами при последовательном соединении жесткостей С3 и С4.

Поскольку на этапе установившегося движения ¿ир5=А<рй, используя очевидное равенство Мп = Мпь + МП6, получим

. Мп ■ м = .

1+ С5/С35' Л6 1 + С35/С5

с,с.

где С,5 =

"3 4

Решения (2) содержат 5 произвольных постоянных Д и столько же постоянных аг Для их определения используем начальные условия

Ч,+.(о)=Оо,; л/,:,+1(о)=б01.

Принимая, что до удара гильзы о валки скорости всех масс привода си, были одинаковы, запишем выражение для а01 и ЬВ1:

М,.м = Яо, = 0; М,,+1 = Ь01; ЬВ1 = 0 при /=1...3.

Для определения Ьм и ¿„5 примем, что удар гильзы о валки является абсолютно неупругим и после удара гильза и валки движутся как единое целое со скоростью й>5у. Тогда

¿04 = С4 (а>5 - ®5> ) , ¿05 = С5 Ц - ) !

15+16 + тХ '

где -масса гильзы;

Уг - скорость гильзы в момент захвата;

Кк - катающий радиус валка.

Для автоматизированного расчета параметров динамической модели и динамических нагрузок в линии привода автоматстана был разработан пакет прикладных программ на базе Автокада. Объединение расчетных модулей с графическими возможностями Автокада позволило определить часть параметров динамической модели привода по сборочным чертежам элементов привода, а также существенно упростило визуализацию результатов расчета.

Разработана система передачи данных от графических изображений элементов сборочных чертежей, выполненных в Автокаде, в расчетные блоки пакета АРМКОН, позволяющая рассчитывать податливости валопровода, подшипниковых опор и зубчатых передач с формированием изображения упругой оси вала.

При расчете эквивалентной податливости редуктора и шестеренной клети были учтены изгибная деформация валов, податливость опор и податливость зубчатых передач.

Разработанный пакет позволяет рассчитывать крутильные податливости участков вала различной формы: круг, кольцо, участки с одним либо с двумя шпоночными пазами, с лыской и др. Он позволяет также рассчитывать приведенную податливость переходных участков и соединительных элементов валопровода: МУВП, фланцевого соединения без ступицы и со ступицами и др.

Модульная структура пакета прикладных программ показана на рис.2.

Расчет параметров динамической модели (жесткости связей и моментов инерции масс)

Модуль динамических расчетов

Визуализация результатов расчетов

Рис.2 . Модульная схема пакета прикладных программ

С использованием разработанного пакета программ определены значения инерционных и упругих параметров динамической модели линии привода автоматстана.

Третья глава посвящена расчету динамических нагрузок автоматстана с использованием разработанной динамической модели.

Массы. КГ (Моменты инерции, КГИЮ) т2(Д) тЗВД т4Ц4)

1240

С2

|10000000 |

__1200 I

"Жесткости, Н/М (Н"М) СЭ С4

|»5У5) |280

шбив!

|100000000| 1500000

1

[ІЙ2~

Логарифмические декременты по собственным формам

2 3 4

рш~

і Отмена

¡500000 [0.47

Рис. 3 Ввод данных для разветвленных систем

Выбор динамической модели и ввод исходных данных выполняется при помощи диалогового окна, показанного на рис.3.

На величину динамических нагрузок в упругих связях автоматстана влияет момент прокатки, масса прокатываемой заготовки, скорость её задачи в валки, величина катающего радиуса и соотношение жесткостей концевых участков динамической модели. Эти технологические параметры вводятся в диалоговом окне, показанном на рис. 4.

Движущая сила [момент), приложенная к первой массе, Н (Н*м)

Силы сопротивления (моменты), приложенные к массе с № п, Н (Н"м) 2 3 4 5

Время нарастания силы сопротивления, с

е:

|59880

6

|60120

Суммарное время процесса, с

|й06

Скорость захвата гильзы, м/с Масса гильзы, кг |700

ок

Скорость гильзы, м/с (2 Катающий радиус валков, м |0.3

Отмена

I

120000

Рис.4 Диалоговое окно ввода технологических параметров прокатки

Одним из факторов, определяющим работоспособность линии привода, является неравномерность распределения крутящих моментов между шпинделями. Наряду с факторами, указанными в первой главе, на величину данной неравномерности существенное влияние оказывают также соотношения жесткостей валковых участков валопроводов. На рис. 5 показана зависимость величины Мл5 от приведенной жесткости шестеренной клети с учетом влияния изгибной жесткости её валов, жесткости зубьев и подшипников.

АНга Нм

65 63 51

С<г ■6Ш

С*

]ф /о7 /о8 И?

Рис. 5. Влияние жесткости третьего участка на распределение момента прокатки между

валками

Типичный характер изменения нагрузок, действующих в упругих связях динамической модели автоматстана ТПА-140 ЧТПЗ, показан на рис. 6. Результаты исследования этого автоматстана могут быть распространены на другие типоразмеры аналогичных станов.

Рис. 6. Нагрузки, действующие в упругих связях

Как видно из рис. 6. коэффициенты динамичности в упругих связях составляют: верхний валок - шестеренная клеть (связь 3-6) Кд = 1,6; нижний валок - шестеренная клеть (связь 4-5) Кд = 1,5; зубчатое зацепление колес шестеренной клети (связь 3-4) Кд= 1,7; редуктор - шестеренная клеть (связь 2-3) Кд= 1,7 двигатель —редуктор (связь 1-2) Кд= 1,9.

Захват заготовки при работе определяется задающим устройством, которое управляется оператором автоматстана. При этом, время захвата заготовки, при прочих равных условиях, зависит от скорости задачи гильзы в валки, состояния торца заготовки после прошивки и других факторов. Поскольку время захвата по различным источникам различается в несколько раз, а величина этого времени существенно влияет на динамические нагрузки, то в работе выполнен анализ влияния этого времени в диапазоне от Хр = 0,02 с. до = 0,2 с. на величину динамических нагрузок в линии привода автоматстана. Из расчетов следует, что коэффициент динамичности на участках 4-5 и 2-3 при этом, изменяется более чем в полтора раза (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость коэффициентов динамичности от времени захвата заготовки

0.02 0.06 0.09 0.12 0.2

К 4-5 1,74 1,59 1,57 1,19 1,12

К,.2 1,85 1,84 1,83 1,82 1,77

К 2-3 1,82 1,64 1,45 1,22 1Д5

При исследовании влияния массы заготовки и скорости её задачи в реальном диапазоне их значений, установлено слабое влияние этих параметров на изменение коэффициентов динамичности.

При проектировании новых станов и реконструкции действующих возможно значительное изменение моментов инерции элементов стана и податливостей элементов валопроводов за счет изменения конструкции соединительных муфт, шпинделей, соединяющих шестеренную клеть с валками и других конструктивных элементов стана. Поэтому важно знать, как зависят динамические нагрузки в упругих связях от параметров линии привода.

Зависимость коэффициентов динамичности от жесткости участков линии привода показана на рис. 7,8,9.

2,5 2 -

1,5 -

Ск Нм/род

/О5 570* 10 510 11/

-Ю-2

-К2-3 -Ю-4 -5 — Ю-6

Рис.7. Зависимость коэффициентов динамичности от жесткости С1

1,5-

Ни/род

/О5 51& 511?

-К1-2 —К2-3 -Ю-4 К4-5 —Ю-6

/0®

Рис.8. Зависимость коэффициентов динамичности от жесткости Сг

С4С4 Нм/рад

-К1-2 -К2-3 -Ю-4 К4-5 -Ю-6

Рис.9. Зависимость коэффициентов динамичности от жесткости участков С5 и С4

Влияние жесткостей участков «двигатель-редуктор» и «редуктор-шестеренная клеть» на коэффициенты динамичности К,_2 и К2.3 приведено в табл. 2.

Таблица 2

Влияние соотношения жесткости участков «двигатель-редуктор» и

............" :иК2-з

Си Нм/рад С2, Нм/рад

106 5*106 10 5* 107 108

5* 10э К,-2 1,84 1,83 1,83 1,83 1,83

К2_з 1,79 1,70 1,64 1,60 1,60

106 к,.2 1,89 1,84 1,84 1,84 1,84

К2-3 1,79 1,71 1,64 1,60 1,60

5*106 К]_2 2,27 1,96 1,92 1,88 1,88

К2_з 1,81 1,72 1.66 1,62 1,61

Как следует из таблицы 2 и рис. 7-9, наибольшее влияние на нагруженность упругих связей оказывают жесткости участков «двигатель -редуктор» и валопровода между шестеренной и рабочей клетями. В то же время при изменении жесткостей участков «двигатель-редуктор» и «редуктор-шестеренная клеть» в конструктивно реализуемом диапазоне этих жесткостей минимальные коэффициенты динамичности на данных участках достигаются на той границе диапазона, на которой жесткость С2 принимает наибольшее значение. При этом снижение максимальных в данном диапазоне коэффициентов динамичности составляет 20-25%.

Важной особенностью динамической модели линии привода стана ТПА-140 является то, что приведенные массы двигателя и редуктора в 100 и более раз превышают остальные приведенные массы привода. Это приводит к тому, что в упругой связи «двигатель-редуктор» нагрузка полностью определяется первой формой колебаний. Маховые массы редуктора являются своеобразным фильтром, не пропускающим колебания высших форм от очага деформации к двигателю.

Колебательные процессы в упругих связях от очага деформации до редуктора в основном определяются второй формой колебаний.

Время захвата заготовки сопоставимо с периодом второй формы колебаний и поэтому оказывает весьма существенное влияние на динамические нагрузки тех упругих связей, где эта форма колебаний является основной, практически не влияя на упругий момент в связи «двигатель-редуктор».

Масса гильзы, разница окружной скорости валков на катающем радиусе и скорости гильзы в момент захвата, а также катающий радиус не оказывают существенного влияния на коэффициенты динамичности нагрузки в упругих связях.

В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментального исследования нагруженности линии главного привода и элементов конструкции автоматстана. Экспериментальные исследования проводились на автоматстанах ТПА - 140 цеха № 2 ЧТПЗ и ТПА - 220 цеха № 1 ПНТЗ. При проведении экспериментальных исследований выполнялась регистрация следующих параметров: нагрузки на шпинделях привода рабочих валков, напряжения и усилия в стержне оправки и в штоке задающего механизма, усилия в узлах крепления станины к фундаментным балкам. Функционально-структурная схема системы регистрации параметров и взаимосвязи ее компонентов приведены на рис. 10.

Рис. 10. Функционально-структурная схема системы регистрации экспериментальных

параметров

Для измерений деформаций (напряжений) на шпинделях главного привода рабочих валков использовались тензометрические резисторы с базой 5 мм фирмы «К^еспю». Ввиду технической сложности прямой тарировки на действующем оборудовании для тарирования крутящих моментов

использовалось специальное устройство, включающее брус (балку) круглого сечения и схему нагружения с компенсацией изгибающего момента на его консоли (рис. 11).

Типовые осциллограммы крутящих моментов на верхнем и нижнем шпинделях валков при прокатке труб с размерами 114x5 из стали 20 приводятся на рис. 12.

Результаты замеров показывают, что соотношение моментов прокатки на шпинделях привода валков в установившемся режиме составляет в среднем 1,1... 1,2. Таким образом, выполненные замеры подтверждают теоретические выводы, сделанные в третьей главе.

Кроме этого установлено:

• продольные нагрузки, действующие на стержень оправки, вызывают её косой изгиб;

• в первой половине цикла прокатки заготовки деформации изгиба возрастают до максимального значения, затем скачкообразно снижаются примерно на 40% и стабилизируются на этом уровне до конца цикла прокатки;

• начало процесса деформации сопровождается скачкообразным кратковременным нарастанием нагрузки в стержне оправки, при этом пиковое значение усилий сжатия превышает значение сжимающей нагрузки при установившемся процессе в 1,5... 1,7 раза;

• математическое ожидание значений осевых усилий, воспринимаемых стержнем оправки в первом проходе, F!=585 kH. Диапазон зарегистрированных значений при установившемся процессе составляет 515 - 620 кН. Максимальное значение усилий в момент захвата 810 кН;

• математическое ожидание значений осевых усилий, воспринимаемых стержнем оправки во втором проходе, F2=395 kH. Диапазон зарегистрированных значений при установившемся процессе составляет 355 - 425 кН. Максимальное значение усилий в момент захвата 675 кН.

о

Рис.11. Схема тарирования крутящих моментов

Моменты на верхнем шпинделе N94

Низ, №4

Рис. 12 Типовые осциллограммы крутящих моментов

При измерении деформаций и напряжений в стержне оправки с целью раздельного определения продольных и изгибных напряжений в контрольном сечении стержня оправки по периметру сечения располагали три пары датчиков (основной и компенсационный). Каждую пару тензометрических датчиков

Рис.13 Осциллограмма замера напряжений в стержне оправки

наклеивали на поверхность стержня под углом 120° по отношению к двум соседним.

На рис.13 представлена типовая осциллограмма напряжений в стержне оправки, при прокатке двух последовательных труб 219x8,5 из стали 09Г2С в два прохода. Три осциллограммы соответствуют изменениям во времени напряжений в 3-х точках сечения стержня оправки, имеющей размеры 170x114.

Данные измерений осевых усилий, воспринимаемых стержнем оправки, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Осевая нагрузка на стержень оправки

№ записи 1 2 3 4 5 6 7 8

№ прохода 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Осевая 550 375 515 355 615 425 620 580 400 605 400 595 390 600 420

нагрузка,КН

Регистрация продольных усилий на штоке пушера показала, что при встрече заготовки с рабочими валками усилие сжатия штока меняется в диапазоне от 40 до120 кН.

Каждая из четырех лап основания станины рабочей клети автоматстана закрепляется на фундаментных балках двумя болтами (рис.14). Усилия затяжки наряду с силами веса клети и внешними технологическими нагрузками воспринимают лапы основания. Асимметричный характер внешнего силового воздействия технологических сил определяет неравномерное распределение нагрузок по опорным участкам. Кроме того значительный износ сопряженных контактных поверхностей лап боковых стенок и фундаментных плит вносит статическую неопределимость в условия контакта опорных поверхностей. С целью экспериментальной проверки нагрузок, воспринимаемых болтовыми соединениями лап боковых стенок рабочей клети к фундаментным балкам, выполнены замеры деформаций и напряжений в болтах основания. При замерах напряжений в фундаментных болтах для синхронизации результатов измерений с фазой цикла прокатки одновременно регистрировали усилия в стержне оправки. Типовая осциллограмма этого цикла приведена на рис.14.

При экспериментальной проверке нагрузок, воспринимаемых болтовыми соединениями лап рабочей клети установлено, что максимальные силы растяжения тела болта в период прокатки действуют в диагонально расположенных болтах (левом заднем и переднем правом по отношению к направлению прокатки) и достигают 40-60 кН. Полученные результаты подтверждают теоретические выводы, сделанные в первой главе.

Усилия на стержне и в анкерном болте, КН. Труба ф127х5.сталь10.Сечение стержня ф94х15. Дата 24.04.07. Запись №5

пиковых значений напряжений растяжения-сжатия в промежутках между периодами прокатки, которые нередко превышают значения, зарегистрированные во время прокатки. Отклонения напряжений от нулевых значений во время пауз между периодами прокатки связаны с возмущающими I нагрузками на клеть от линии главного привода рабочих валков, от механизмов вертикального перемещения верхнего рабочего валка и нижнего ролика обратной подачи. Этому способствует низкая жесткость соединений боковых стенок клети и наличие значительных зазоров в зоне контакта опорных поверхностей лап основания с фундаментными балками. Таким образом, одним из требований, направленных на повышение работоспособности опорных узлов клети, является повышение ее жесткости в поперечном направлении.

I

В пятой главе приведены рекомендации по совершенствованию линии привода и элементов конструкции автоматстана. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в работе и приведенные в главах 3 и 4, позволили разработать рекомендации по совершенствованию элементов конструкции автоматстана.

Зубчатая муфта (рис. 15), соединяющая ведомый вал редуктора с ведущим валом шестеренной клети является одним из важнейших элементов линии привода рабочих валков. Эта муфта имеет предохранительные устройства в виде срезных пальцев и шпонок, выделенных красным цветом на рис. 15.

Рис. 15. Зубчатая муфта (общий вид)

В технической литературе отмечается, что предохранительные элементы, выполненные в форме цилиндрических штифтов или в виде призматических шпонок, характеризуются снижением точности срабатывания при увеличении числа предохранительных элементов из-за их неравномерного нагружения.

Особенностью объектов с предохранительным элементом является необходимость оценки двух противоречивых событий: безотказной передачи нагрузки, необходимой для совершения работы, и безотказного срабатывания (разрушения) предохранительного устройства при перегрузках. В основу оценки надежности зубчатой муфты положены данные о наибольшем крутящем моменте, указанном на заводском чертеже, и результаты статистической обработки натурных производственных замеров крутящих моментов на шпинделях рабочих валков автоматстана, приведенные в главе 4.

Вероятность безотказной работы зубчатой муфты при нормальном законе распределения внешних нагрузок определяется с помощью квантили нормального распределения - и/>:

где - п=Тр/Тг коэффициент запаса по средним;

Тт, Т - средние значения разрушающего и внешнего моментов;

v,,v< - коэффициенты вариации разрушающего и внешнего моментов.

На основании расчета разрушающих сил по условию работоспособности линии главного привода: зубчатых передач, валов редуктора и шестеренной клети и данных экспериментального исследования получено значение квантили нормального распределения U/> = -2,236, что соответствует вероятности безотказной работы зубчатой муфты P(t) = 0,9987 автоматстана ТПА - 140. В ходе практических замеров определена активная мощность электропривода, представленная на рис.16. Осциллограмма показала, что маховичный эффект

п-1

массивных зубчатых колес редуктора защищает элементы конструкции, предшествующие зубчатой муфте, от случайных воздействий пиковых нагрузок

А

і I \J\J*V

к

iA/W^

/\/V

Рис. 16 Осциллограмма нагрузки на двигатель

Для разработки рекомендаций по проектированию срезного пальца муфты была создана его объемная модель в пакете объемного моделирования ИНВЕНТОР фирмы AUTODESK, и выполнен конечно-элементный расчет в модуле ANSIS этого пакета.

Рис. 17 Срезной элемент муфты

На рис. 17 показана конструкция и палитра деформации срезного пальца, используемого в настоящее время в качестве разрушаемого элемента в муфте предельного момента автоматстана.

В соответствии с конечно-элементным расчетом разрушение по галтельному участку такого срезного элемента происходит при пиковом значении крутящего момента Тщ® не более 500 кНм. Это соответствует наибольшим значениям измеренных пиковых нагрузок, но в 1.5 раза уступает критерию прочности наиболее слабого звена главного приводного устройства автоматстана, что является основной причиной несанкционированных остановок. Кроме того ступенчатая форма срезного пальца при наличии зазора между полумуфтами является причиной накопления усталостных повреждений от деформации изгиба.

Помимо срезных пальцев в конструкции муфты автоматстана ТПА-140 цеха №2 ЧТПЗ предусмотрены две срезные шпонки. Однако параллельное использование группового предохранительного элемента существенно снижает и без того невысокую точность срабатывания разрушаемых элементов.

Учитывая, что срезные шпонки при прочих равных условиях, имеют пониженный коэффициент чувствительности по сравнению со срезными пальцами, наиболее рациональным вариантом является установка по периметру муфты двух срезных элементов, выполненных в виде срезных пальцев из сталей марок У8А, У10А или 40,45,50. Применение закаленных пальцев с круговой или У-образной выточкой в области срезного участка обеспечивает более надежную работу муфты в аварийных режимах.

Для разработки рекомендаций по обеспечению необходимого ресурса рабочей клети автоматстана ТПА-220 цеха №1 ПНТЗ было выполнено расчетное определение сил взаимодействия лап рабочей клети с фундаментными балками.

Как показывают экспериментальные исследования, приведенные в главе 4, благодаря большим инерционным массам деталей рабочей клети при замерах реальных силовых воздействий отмечается «сглаживающий» характер пиковых кратковременных воздействий на характеристики нагружения основных деталей (например, фундаментных болтов). Это позволяет при построении расчетной схемы нагрузок ориентироваться на длительно действующие усредненные в пределах одного цикла возмущающие воздействия.

В этих условиях расчетная модель нагружения построена для наиболее опасного случая приложения внешней технологической нагрузки вдоль оси крайнего ручья, ближайшего к одной из опор валка. Это соответствует и максимальным по характеристикам прокатываемого сортамента значениям внешних сил, поскольку, как правило, ручьи предназначенные для прокатки труб наибольшего диаметра, размещены на крайних участках валков, в непосредственной близости от опор валка, т.е. там где деформация изгиба и раскрытие валков под нагрузкой минимально.

Основные причины неудовлетворительной работы стана связаны с разрушениями лап основания и отсутствием надежного их закрепления на фундаментной балке. В исходной конструкции предусмотрена посадка лап основания на две независимые фундаментные балки по наклонным поверхностям с зазором между горизонтальными средними участками лап и балки.

При этом не исключается возможность их взаимной подвижности в пределах зазоров с помощью затяжки болтовых соединений при низкой конструктивной жесткости сборной клети в горизонтальном направлении, от действия разворачивающего момента внешних нагрузок.

С целью увеличения жесткости клети и неподвижности ее закрепления на фундаментных балках предлагается оснастить клеть двумя дополнительными рамами, объединяющими попарно передние и соответственно задние (по ходу прокатки) лапы боковых стенок. Конструкция дополнительной рамы, выполненная из литой или кованой заготовки, представлена на рис. 18.

Рис. 18 Дополнительная рама

Проведенные расчеты по определению ресурса опорных узлов рабочей клети показывают, что при средней производительности автоматстана 100 труб/час и годовом времени работы стана при трехсменном графике 7000 час, найденные значения ресурса составляют для работающей изношенной конструкции - 10000 часов, т.е. примерно 1.5 года, а для модернизированного варианта более 5 лет.

Экспериментальные исследования подающего механизма показывают, что значительные деформации изгиба стержня оправки приводят к угловым отклонениям оправки от оси гильзы в процессе прокатки. Следовательно, требуются изменения конструкции элементов стана, позволяющие снизить деформации изгиба стержня оправки, прогиба консольного участка трубы и уменьшить пиковые нагрузки на стержень оправки.

Для центрирования прокатываемой трубы относительно стержня оправки предложено выполнить местные утолщения стержня с ограниченным зазором но отношению к внутренней поверхности прокатываемой трубы за пределами установки роликов обратной подачи.

Для увеличения жесткости стержня требуется увеличение его наружного диаметра с сохранением размеров внутреннего канала.

Снизить прогиб консольного участка трубы и уменьшить пиковые значения силовых нагрузок на стержень оправки позволит:

• установка регулируемой по высоте секции рольганга, размещаемой после клети роликов обратной подачи;

• установка на стане датчиков контроля положения (например фотодатчиков) заднего конца прокатываемой трубы в промежутке между рабочими валками и роликами обратной подачи.

Таким образом, с целью защиты привода от несанкционированного срабатывания предохранительных элементов разработан проект модернизации разрушающихся элементов предохранительной муфты автоматстана ТПА-140. Расчет разрушающихся элементов выполнен на базе теоретических и экспериментальных исследований нагрузок линии привода стана. Использование

предложенного варианта предохранительной муфты в автоматстане ТПА-140 цеха №2 ЧТПЗ позволило на 40% сократить время простоев, связанных со срабатыванием предохранительных устройств.

На основании выполненных исследований разработан проект реконструкции клети автоматстана ТПА-220, обеспечивающий увеличение ресурса за счет повышения жесткости клети и надежной её фиксации на фундаменте. Клеть с модернизированными опорами установлена в ОАО ПНТЗ в 2008 году. Эффективность её использования подтверждена трехлетним опытом безотказной эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном предназначены для производства бесшовных горячекатанных труб широкого ассортимента. Высокая эффективность их использования достигается за счет возможности быстрого перехода с изготовления одного вида труб на другой.

Отличительной особенностью автоматстанов являются значительные перегрузки линий привода при захвате заготовки, которые в 3-4 раза превосходят нагрузки установившегося процесса прокатки. Такой характер нагружения оказывает существенное влияние на усталостную прочность и долговечность деталей и узлов автоматстанов, приводит к частым простоям и снижению производительности трубопрокатных агрегатов.

Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации по определению нагрузок в деталях и узлах автоматстанов при захвате заготовки.

В выполненной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований нагрузок в линии привода автоматстанов разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции автоматстанов ТПА-140 и ТПА -220.

При выполнении данной работы получены следующие наиболее важные результаты:

- разработана методика динамического расчета линии привода автоматстана, учитывающая специфику захвата заготовки валками и неравномерность распределения технологической нагрузки между валками;

- разработан пакет прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок линии привода автоматстана, включающий автоматизацию расчетов параметров динамической модели, частотный и амплитудный анализ при варьировании режимов нагружения и условий захвата заготовки;

с использованием выполненных разработок определены динамические нагрузки в линии привода автоматстана, предложены рациональные сочетания параметров динамической модели, минимизирующие эти нагрузки;

- разработана методика эксперимента и проведены экспериментальные исследования нагрузок в элементах привода автоматстанов ТПА-140 и ТПА-220;

- определены крутящие моменты на верхнем и нижнем шпинделях валков, усилия в стержне оправки, в штоке задающего механизма и в соединительных элементах лап основания клети с фундаментными плитами;

на базе выполненных исследований разработан проект реконструкции клети автоматстана ТПА-220. Модернизированная клеть эксплуатируется на ОАО ПНТЗ с 2008 года;

- с целью защиты привода от несанкционированного срабатывания по результатам исследований проведена реконструкция предохранительных элементов муфты автоматстана ТПА-140 в цехе № 2 ЧТПЗ, позволившая на 40% сократить время простоев, связанных со срабатыванием предохранительной муфты;

- проведенные экспериментальные исследования автоматстанов и опыт эксплуатации усовершенствованных узлов позволили подтвердить достоверность полученных теоретических результатов и эффективность предложенных конструктивных решений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

- в статьях в журналах по перечню периодических изданий, рекомендованных ВАК:

1. Чечулин Ю.Б. Лесин Ю.В., Баранов Г.Л., Зиомковский В.М.: Динамические нагрузки при захвате заготовки валками автоматического стана. Заготовительные производства в машиностроении. 2011. №4. С. 27-29.

2. Чечулин Ю.Б., Кузнецов В.И., Душкин В.М., Зиомковский В.М., Ольков И.С. Расчетное и экспериментальное обоснование модернизации узлов крепления рабочей клети автоматстана.: Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. №4. С. 11-13

3. Чечулин Ю.Б., Баранов Г.Л., Зиомковский В.М., Песин Ю.В. Особенности нагружения автоматстана. Металлург №10.2010 г. с. 63-64.

- в сборниках научных трудов и материалах конференций:

4. Чечулин Ю.Б., Баранов Г.Л., Зиомковский В.М., Песин Ю.В. Динамические нагрузки при захвате заготовки./ Сб. научных трудов международной конференции, посвященной 15-летию со дня создания регионального Уральского отделения академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Выпуск 1 Екатеринбург, 2010, с.154-156

5. Чечулин Ю.Б., Баранов Г.Л., Зиомковский В.М., Песин Ю.В. Определение нагрузок в линии привода автоматстана. Сб. проблемы исследования и проектирования машин. Пенза, 2009. с.81-83.

6. Баранов Г.Л. Зиомковский В.М. Разработка интерфейса программного комплекса по расчету динамических нагрузок трансмиссионных валов.

Сборник статей XV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2009. С.16-19.

7. Песин Ю.В., Баранов Г.Л., Зиомковский В.М. Разработка программного комплекса по расчету динамических нагрузок трансмиссионных валов. Сборник статей «Научные труды 16 Международной конференции молодых ученых» Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. С. 359-364.

8. Песин Ю.В. Зиомковский В.М., Реализация программного комплекса по расчету динамических нагрузок трансмиссионных валов / Научные труды XIII отчетной конференции молодых ученых, Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. С. 57-60.

9. Баранов Г.Л., Зиомковский В.М., Песин Ю.В., Определение податливости МУВП при расчете параметров динамических моделей / Научные труды XIII отчетной конференции молодых ученых Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. С. 49-52.

Подписано в печать 08.02.2012. Формат 60*84 1/16

Бумага 80 г/м . Цифровая печать. Усл. печ. л. 1,63

Уч.-изд. л. 1,05 Тираж 100 экз. Заказ 4

Отпечатано в учебной лаборатории полиграфических машин кафедры ДМ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. И-120. Тел.:(343)375-41-43

61 12-5/1941

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

УДК 621.771.28

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТСТАНОВ ТПА-140 И ТПА-220 НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРИВОДА

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки

давлением

На правах рукописи

Зиомковский Владислав Мечиславович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Профессор, доктор технических наук

Баранов Г.Л.

Екатеринбург -2012

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ТРУБОПРОКАТНЫЕ АГРЕГАТЫ С АВТОМАТСТАНОМ 9

1.1. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА ТПА С АВТОМАТСТАНАМИ 9

1.2. КОНСТРУКЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНОВ 12

1.3. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ 18 АВТОМАТСТАНА

1.3.1. Нагружение линии главного привода 20

1.3.2. Нагружение стержня оправки 28

1.3.3. Нагружение узлов крепления станины автоматстана 32

1.3.3.1 Выбор схемы внешнего нагружения клети 32

технологическими нагрузками

1.3.3.2. Вариант расчета сил в опорах клети без учета 34 изношенности опорных поверхностей

1.4. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДИНАМИКЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНОВ 38

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 43

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ 45 МОДЕЛИ ПРИВОДА

2.1. ОБЩАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТСТАНА 45

2.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ 55 МОДЕЛИ

2.2.1. Расчет эквивалентной податливости редуктора и 56 шестеренной клети

2.2.1.1. Подшипники качения 56

2.2.1.2. Учет изгибной деформации валов и податливости 59

опор

2.2.1.3. Податливость зубчатой передачи 60

2.2.2. Податливости участков вала 61

2.2.3. Соединительные элементы валопровода 63

2.2.3.1. Определение приведенной податливости МУВП 63

2.2.3.2. Податливость фланцевого соединения без ступицы 69

2.2.3.3. Податливость фланцевого соединения со ступицами 69

2.2.3.4. Податливость шпоночного соединения 70 2.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 70

2.3.1. Эквивалентная податливость редуктора и шестеренной клети 71

2.3.2. Податливости участков вала 73

2.3.3. Соединительные элементы валопровода 75

2.3.4. Расчет приведенных моментов инерции сосредоточенных масс

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 81

3. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК АВТОМАТСТАНА 82

3.1. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ЛИНИИ 82 ГЛАВНОГО ПРИВОДА АВТОМАТСТАНА

3.2. УЧЕТ РАССЕЯНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ КОЛЕБАНИЯХ 83

3.3. ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ПРИВОДА 85 3.4 ВНЕШНИЕ ВОЗМУЩАЮЩИЕ НАГРУЗКИ 87

3.5. ЗАВИСИМОСТЬ ВЕЛИЧИНЫ ПИКОВЫХ НАГРУЗОК ОТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТКИ 90

3.5.1. Влияние времени захвата 91

3.5.2. Влияние массы заготовки 93

3.5.3. Влияние скорости задачи заготовки 94

3.6. ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ОТ ПАРАМЕТРОВ ЛИНИИ ПРИВОДА СТАНА 94

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 99

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЛИНИИ ГЛАВНОГО ПРИВОДА И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТСТАНА 101

4.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИНИИ ГЛАВНОГО ПРИВОДА 103

4.1.1. Методика экспериментальных замеров 103

4.1.1.1. Система регистрации параметров 103

4.1.1.2. Структура и функциональные компоненты системы 103

4.1.1.3. Тарирование измеряемых характеристик 106

4.1.1.4. Измерение нагрузок на шпинделях автоматстана 107

4.2. ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ, НАПРЯЖЕНИЙ И УСИЛИЙ В СТЕРЖНЕ ОПРАВКИ И В ШТОКЕ ЗАДАЮЩЕГО

МЕХАНИЗМА («ПУШЕРА») 113

4.3. ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И УСИЛИЙ В УЗЛАХ КРЕПЛЕНИЯ СТАНИНЫ К ФУНДАМЕНТНЫМ БАЛКАМ 124 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 128

5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНИИ ПРИВОДА

И КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТСТАНА 131

5.1. НАДЕЖНОСТЬ ЗУБЧАТОЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ

МУФТЫ С РАЗРУШАЮЩИМИСЯ ЭЛЕМЕНТАМИ 131

5.1.1. Конструкция предохранительной муфты 131

5.1.2. Надежность работы муфты 133

5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗРУШАЮЩИХ СИЛ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МУФТЫ ПРЕДЕЛЬНОГО МОМЕНТА ПО УСЛОВИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНИИ ГЛАВНОГО ПРИВОДА 135

5.2.1 Зубчатые передачи 135

5.2.2. Валы редуктора и шестеренной клети 136

5.3. РАСЧЕТ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА 137

5.4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ РАЗРУШАЮЩИХСЯ ЭЛЕМЕНТОВ МУФТЫ ПРЕДЕЛЬНОГО МОМЕНТА 140

5.5. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАП ОСНОВАНИЯ РАБОЧЕЙ КЛЕТИ АВТОМАТСТАНА С ФУНДАМЕНТНЫМИ БАЛКАМИ 143

5.5.1 Выбор схемы внешнего нагружения клети технологическими нагрузками. 143

5.5.2 Модернизация опорных узлов клети 146 5.5.3. Определение ресурса опорных узлов рабочей клети. 149

5.6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НЕОБХОДИМОГО РЕСУРСА РАБОЧЕЙ КЛЕТИ АВТОМАТСТАНА ТПУ 220 ЦЕХА

№1ПНТЗ 151

5.7. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ СТАНА 156 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 157 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 159 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 161 ПРИЛОЖЕНИЕ 169

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании нового оборудования и при модернизации действующего важными являются задачи, связанные со снижением металлоемкости металлургических машин. Снижение веса машин невозможно без уточнения запасов прочности, используемых в расчетных методиках. Для уменьшения запасов прочности необходимо знание фактического спектра нагрузок, напряжений, деформаций, действующих не только в установившемся процессе работы, но и при переходных процессах. В полной мере все это относится и к оборудованию автоматстанов, нагрузки в которых при захвате заготовки могут в три и более раз превышать нагрузки установившегося процесса прокатки. При этом важным является не только знание нагрузок, действующих в существующем оборудовании при прокатке по установленным маршрутам, но и умение прогнозировать нагрузки, возникающие во вновь проектируемом и модернизируемом оборудовании, а также при разработке новых маршрутов прокатки.

Актуальность.

Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном предназначены для производства бесшовных горячекатаных труб широкого ассортимента. Возможность быстрого перехода с производства одного вида труб на другой определяет высокую эффективность использования ТПА с автоматстаном при прокатке малых партий труб.

Отличительной особенностью автоматстанов является то, что нагрузки в линии привода на этапе захвата заготовки в 3...4 раза превосходят нагрузки при установившемся процессе прокатки. Такой характер нагружения приводит к снижению надежности и долговечности оборудования автоматстанов. В известных исследованиях по динамике автоматстанов [8,12-14,17,19-21,34-36,41-44,65-67 и др.], привод автоматстана приводится к рядным неразветвленным системам, и динамика ударного взаимодействия

6

заготовки и валков при захвате рассматривается либо без учета податливостей упругих связей привода, либо процесс захвата рассматривается с энергетической точки зрения в отрыве от установившегося процесса прокатки. Такие допущения приводят к существенным отличиям расчетных нагрузок в элементах автоматстанов от нагрузок, полученных при экспериментальных исследованиях. В этой связи комплексные исследования нагружения привода автоматстана: экспериментальные на действующем оборудовании и теоретические с использованием разветвленной динамической модели и включением процесса захвата заготовки в общую динамическую модель нагружения является актуальными.

Определение реального спектра нагрузок позволило получить рекомендации по совершенствованию оборудования автоматстана с целью повышения его технологических возможностей, надежности и долговечности.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика динамического расчета линии главного привода автоматстана, учитывающая специфику захвата заготовки и неравномерность распределения технологической нагрузки между валками.

2. Разработан пакет прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок привода автоматстана, включающий автоматизацию расчетов параметров динамической модели, частотный анализ и анализ вынужденных колебаний при варьировании режимов нагружения и условий захвата заготовки.

3. Для учета податливости валопровода разработана система передачи данных от графических изображений элементов сборочных чертежей, выполненных в Автокаде, в расчетные блоки с формированием

изображения упругой оси вала и расчетом деформаций валов, подшипниковых опор и зубчатых передач.

4. С использованием разработанного комплекса выполнены исследования влияния параметров автоматстана в составе ТПА-140 и условий захвата заготовки на динамические нагрузки привода.

5. Предложены рациональные сочетания параметров динамической модели, которые в заданном пространстве их изменений минимизируют динамические нагрузки в линии привода.

6. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования нагрузок в линии привода автоматстана.

Практическая ценность:

С учетом выполненных исследований получены рекомендации по совершенствованию конструкции автоматстана:

1. Определены количество, размеры и форма разрушающихся элементов предохранительной муфты, обеспечивающих защиту привода от пиковых нагрузок, возникающих при захвате заготовки.

2. Предложена модернизация крепления клети автоматстана на фундаментных балках, обеспечивающая повышенние жесткости и снижение нагрузок на лапы станины, что увеличивает ресурс её работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 168 страницах, содержит 25 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 99 наименований.

1. ТРУБОПРОКАТНЫЕ АГРЕГАТЫ С АВТОМАТСТАНОМ

1.1. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА ТПА С АВТОМАТСТАНАМИ

ТПА предназначены для производства бесшовных горячекатаных труб широкого сортамента по диаметрам, толщинам стенок (как тонкостенных, так и толстостенных), маркам сталей и сплавов (в том числе, нержавеющих и трудно/деформируемых). Общий вид ТПА с автоматстаном представлен на рис.1.1.

Рис. 1.1. Трубопрокатный агрегат

Указанные грубы используются в строительстве, машиностроении, нефтяной и химической промышленности, специальном производстве. Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном позволяют быстро переходить с производства одного вида труб на другой, что предопределяет их эффективность при прокатке малых партий труб.

Так, например. Челябинский трубопрокатный завод на ТПА-140 выпускает бесшовные горячекатанные трубы диаметром 102-159 мм с толщиной стенки от 5 до 14 мм с соотношением D/S (толщина стенки в

диаметре) от 7,2 до 31,8. Эти трубы используются в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности для:

• Обустройства газовых и нефтяных месторождений;

• Строительства газо и нефтепроводов;

• Газлифтных систем;

• Изготовления металлоконструкций;

• Изготовления свай;

• Для строительства котельных установок;

• Общего назначения;

• Изготовления деталей машин и механизмов.

Рис. 1.2. Схема технологического процесса производства труб на ТПА с автоматстаном

10

Технология производства

Технологический процесс производства труб включает в себя следующие производственные операции (рис. 1.2):

1. Раскрой трубной заготовки (0 130 мм, 0 140 мм, 0 150 мм.)

2. Термическая обработка заготовки в кольцевой печи.

3. Зацентровка заготовки на пневматическом зацентровщике.

4. Прошивка заготовки на прошивном стане.

5. Раскатка гильзы на автоматстане.

6. Обкатка трубы на обкатном стане.

7. Калибровка трубы.

8. Охлаждение трубы.

9. Правка на косовалковой правильной машине.

Раскатка гильзы на автоматстане состоит из следующих основных технологических операций:

• подача гильзы на входной желоб,

• подача гильзы в стан толкателем,

• раскатка гильзы на оправке,

• подъем верхнего рабочего валка,

• извлечение оправки из очага деформации,

• подъем нижнего ролика обратной подачи на входную сторону стана

• поворот трубы роликами обратной подачи на входную сторону стана и поворот трубы вокруг своей оси на 90 градусов,

• установка оправки того же или увеличенного на 1 - 2 мм диаметра для второго прохода, опускание верхнего валка в рабочее положение. Затем цикл прокатки повторяется (раскатка гильзы в трубу осуществляется за два прохода).

1.2. КОНСТРУКЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНОВ

По сортаменту прокатываемых труб трубопрокатные агрегаты с автоматическим станом разделяют на малые, средние и большие. Характеристика автоматических станов, которые входят в состав этих агрегатов, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Характеристики автоматстанов

Завод-изготовитель эзтм УЗТМ

ТПА 140 140 250 400

Диаметр валка, мм 600-710 640-750 640-750 960-1100

Длина бочки валка, мм 1600 1680 1700 1550

Число ручьев* 8 9 7 5

Частота вращения валков, мин 68-136 70-132 75 60-92

Диаметр трубы, мм * 148 159 219 377

Длина трубы, мм * 3,4 11,5 13,5 15,5

Мощность привода, кВт 1400 900 1100 1840

Передаточное отношение редуктора 5,3 5,7 5,7 6,0

0 роликов обратной подачи, мм 460-540 450-600 450-600 720-769

Длина роликов, мм 1600 1700 1700 1550

Частота вращения роликов,мин.'' 200-535 100-190 100-190 83-167

Мощность привода подачи, кВт 46 55 55 140

Масса стана, т 274 330 1160

*11аибольшис значения.

В состав автоматического стана входит оборудование рабочей клети, главного привода, входной и выходной стороны, а также вспомогательное оборудование (рис. 1.3)

Рис. 1.3. Состав оборудования автоматического стана:

1 - передний стол; 2 - вталкиватель; 3 - сбрасыватель; 4 - кантователь; 5 - наклонная решетка; 6 - рабочая клеть; 7 - ролики обратной подачи; 8 - механизм перемещения; 9 - задний стол; 10 -механизм подъема нижнего ролика обратной подачи; 11 - привод рабочих валков; 12 - стержневой упор; 13 - привод рабочих валков; 14 - привод роликов обратной подачи; 15 - стержень с оправкой; 16 и 17- верхний и нижний рабочие валки

Рабочая клеть автоматического стана (рис. 1.4.) имеет две станины закрытого или открытого типов с общей съемной крышкой. Характеристики рабочих клетей приведены в таблице 1.2. Обе станины соединены между собой стяжными болтами и опираются лапами на плитовины, которые установлены непосредственно на фундаменте. Станины открытого типа чаще используют в станах среднего и большого типоразмеров.

Положение верхнего валка по высоте регулируют двумя нажимными винтами, которые вращаются от электродвигателя через редукторы и червячные передачи одновременно, однако при настройке стана с помощью расцепной муфты можно перемещать только один винт. Верхний валок уравновешивается противовесами, размещенными под рабочей клетью, или пружинами, установленными сверху станины.

Таблица 1.2.

Характеристи ка раб( )чей клети автоматического стана в еос Параметры паве TITA 1 40,250 и -Гни ciana юо

14U 250 400

Рабочая клеп, Лнамс'1 р прокатываемых ipyô. мм. ЩЩЯЩЩщЯ 1 римв шевж

МаКСПМаЛ1.ПЫЙ 154 250 426

минимальный ИИ—s |РИИИ1 127

Масса рабочей клеш, i 165 182 375

'3.IC1C г ро.чнш атель МОПНЮСТ!.. кВ| Х80 1320 1840

главною привода Число оборотов, об/мин 400-750 442 375-55

Рабочие валки / Харакгсриегика ем.с. 126 ■IIIIIBIIMI 1 мшш i ¡¡■¡¡МЁД

C'iaiiiiiia 2 libicoia ci амины, мм 4530 4530 6840

Ширина станины но центрам 2350 2350 2350

боковин, мм ■lililli

Тип Чакры тый

Верхнее нажимное Диаметр нажимною пиша, мм 250 250 360

ус 1 ройс то Ход нажимных вин тов, мм 210 210 720

С 'корое i ь 1 lepcMcn ici i и я 1.86 1.86 1.28

нажимных типов, мм/е

г)лекгродви1 агелв:

мощность. Klir ИРИН 1рДИр! 14

число оборотов в минуту 715 715 640

1 Ьгжпее нажимное Диаметр нажимного шина, мм 250 250 360

yc ipoîici no 4 Ход вин тов, мм 60 55 170

Скоросм, перемещения винтов. (Врччную) 1.85

¡¡¡¡¡1

г)лек1родвп1 a i ель:

мощность. кВт тшш j ■1Д|1|| ! 14

число оборотов в минуту - - 690

1 ]родолжепие 1аблицы 1.

Клиповый механизм 5 Горизонтальный ход клипа, мм 365 365 370

Величина подъема верхнею 45 45 55

валка, мм

Радиус кривошипа, мм - - 185

Число обороюв кривошипа в -29

Количество пневмоцилиндров, 2 2 -

шт

Ход поршня, мм 365 1 ямм

Диаметр поршня, мм 300 300 -

Ролики обратной Диаметр бочки роликов, мм 450-600 550-640 720-760

подачи 6 Длина бочки роликов, мм 1700 1700 1550

Ход иижиего ролика 80 80 130

(максимальный).««

')лек! родш нагель:

Мощность. кВт 68 75 140

Число оборотов в минуту 1055 1000 1000

Главная линия автоматического стана (рис. 1.5) включает рабочую клеть, универсальные шпиндели, шестеренную клеть, предохранительное устройство, редуктор и двигатель. Для привода рабочих валков используют двигатели постоянного тока, позволяющие регулировать скорость прокатки, или синхронные двигатели.

\

па оп

Рис. 1.5. Схема главной линии привода и механизмов клети автоматического стана:

1 - электродвигатель привода валков; 2 - цилиндрический редуктор; 3 - предохранительная муфта; 4— шестеренная клеть; 5 - шпиндель; 6 - рабочие валки; 7 - нажимное устройство; 8 - клиновый механизм; 9 - нажимной винт; 10 - привод перемещения верхнего валка; 11 -уравновешивание верхнего валка; 12 - гидроцилиндр уравновешивания и удлиненных зубчатых муфт.

На участке между редуктором и шестеренной клетью устанавливают предохранительную муфту для предотвращения поломок в линии привода рабочих валков. Вращение редуктору от электродвигателя передается через зубчатую муфту.

После каждого прохода оправку снимают со стержня, а трубу возвращают на переднюю сторону стана с помощью роликов обратной подачи, расположенных за рабочими валками и вращающихся в направлении,

17

противоположном вращению рабочих валков. Наличие роликов обратной подачи является характерной особенностью автоматическ�