CC BY
21ЭКСПЕРТИЗА СОСТОЯНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАНИН ПРОКАТНЫХ СТАНОВ Зуев Е.А.1, Воробьёв А.К.2, Волков А.Ю.3
1Зуев Евгений Александрович - аспирант, кафедра робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин;
2Воробьёв Александр Константинович - аспирант, кафедра гидромеханики и гидравлических машин;
3Волков Алексей Юрьевич - магистрант, кафедра робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин, Национальный исследовательский университет
Московский энергетический институт, г. Москва
Аннотация: рассмотрена одна из основных причин разрушения станин прокатных станов. Показан комплекс работ по обеспечению прочностной надежности станин действующих прокатных станов, который включает два этапа: экспертизу состояния на данный момент эксплуатации и модернизацию.
Ключевые слова: станина прокатного стана, неограниченная долговечность, предел прочности, внезапное разрушение, экспертиза, модернизация.
На металлургических заводах России большинство прокатных станов находится в эксплуатации 30-40 и более лет. Для обеспечения современных технико-экономических требований, предъявляемых к действующему оборудованию, возникает необходимость увеличения производительности и получения новых сортаментов, что связано, в первую очередь, с увеличением силы, воспринимаемой несущими деталями клетей прокатных станов. Кроме того, с увеличением сроков эксплуатации число проходов с номинальными и пиковыми нагрузками достигает своих предельных значений по критерию усталостной прочности материала силовых деталей прокатного стана. Поэтому для обеспечения дальнейшей длительной надежной работы действующих прокатных станов необходимо оценить и обеспечить прочность основных силовых деталей этих станов.
Наиболее металлоемкой и трудоемкой по условиям изготовления, транспортировки и монтажа деталью прокатного стана является его станина. Так станина двухклетьевого непрерывного стана 2800 имеет массу 115 т, станина клети кварто стана 5000 имеет массу 330 т. В то же время практика эксплуатации показывает, что длительные простои линий производства проката, значительные расходы на ремонт и запасные части связаны именно с разрушением станин клетей прокатных станов [1]. Во многих случаях тяжесть последствий аварийной ситуации усугубляется внезапностью произошедшего разрушения. «Внезапность» объясняется тем, что конструктивные концентраторы, где возникают максимальные напряжения, превышающие предел прочности материала по усталости, расположены в недоступных для прямого наблюдения местах. В этом случае длительные процессы возникновения и роста трещины усталости остаются незамеченными и проявляются в виде «внезапного» разрушения после достижения трещиной усталости критического размера.
В [1] показано, что в станине прокатного стана максимальные напряжения возникают в верхней поперечине на поверхности радиусной галтели, месте перехода контактной площадки в вертикальную круговую поверхность отверстия под гайку нажимного винта. На рис. 1 схематично представлена верхняя поперечина станины прокатного стана с отверстием диаметром ё для размещения нажимного винта и диаметром Б для размещения гайки нажимного винта.
Рис. 1. Верхняя поперечина станины прокатного стана: d - вертикальное отверстие для размещения нажимного винта; D - вертикальное отверстие для размещения гайки нажимного винта; R - радиусная галтель от опорной поверхности под гайку нажимного винта к вертикальной цилиндрической поверхности
Максимальные напряжения возникают на поверхности радиусной галтели R, которая недоступна для прямого наблюдения. Длительный рост трещин усталости, оставаясь незамеченным, приводит к «внезапному» разрушению станины.
В [1] показано, что при Rid < 0,1 максимальные напряжения смакс превышают предел прочности материала по усталости о0, что дает запас прочности n = Со/омакс<1 и делает закономерным возникновение и рост усталостных трещин. В [2] для станины блюминга 1100 КМК представлена зависимость максимальных напряжений, возникающих на поверхности радиусной галтели от величины её радиуса, подтверждающая возможность возникновения трещины в радиусной галтели при определенных режимах эксплуатации. Поэтому для предупреждения «внезапных» разрушений станин действующих прокатных станов необходимо провести экспертизу их состояния с учетом конструктивных особенностей и условии эксплуатации конкретной станины. По результатам экспертизы, в случае необходимости, разрабатываются и внедряются технические решения, обеспечивающие дальнейшую длительную надежную работу действующих прокатных станов. Покажем комплекс работ по обеспечению прочностной надежности действующих станин на примере станин клети № 2 стана 1700.
Рабочая клеть № 2 в составе оборудования стана 1700, спроектированная и изготовленная «НКМЗ» (Украина), рассчитана на максимальную силу прокатки 20 МН. В рамках интенсификации производства необходимо увеличить максимальную силу прокатки до 30 МН.
Для оценки прочности станин и установления зон возможного возникновения трещин проводится расчет напряженного состояния станин с учетом реальных геометрии и условий нагружения. Станины клетей прокатных станов имеют сложную геометрическую форму и работают в силовом контакте с сопряженными деталями, поэтому метод расчета должен позволять находить как геометрические и силовые граничные условия в зонах контакта отдельных деталей, так и величины максимальных напряжений в зонах конструктивных концентраторов. Для решения этих задач выбран метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе ANSYS.
Станина имеет 2 плоскости симметрии, что позволяет представить математическую расчетную модель в виде 1/4 части станины (рис. 2). Нагрузка прикладывается в виде равномерно распределенного давления на поверхность контакта верхней поперечины станины с гайкой нажимного винта и на контактную поверхность нижней поперечины станины с подушкой нижнего опорного валка. Граничные условия на перемещения накладываются по плоскостям симметрии. Станины клети выполнены из литой стали 25Л, поэтому для расчета были приняты
модуль упругости Е= 2,1-105 МПа и коэффициент Пуассона д=0,27. Сила, приложенная к модели, соответствует номинальной нагрузке на клеть 20 МН, что дает распределенную нагрузку в зоне контакта с нажимной гайкой 60,3 МПа, и в зоне контакта с подушкой опорного валка 16,3 МПа.
Рис. 2. Расчетная модель станины стана 1700
Результаты расчета показали, что в станинах стана 1700 наибольшие напряжения омакс = Oi = 370 МПа возникают на поверхности галтели радиусом 3 мм (см. рис. 2) в зоне контакта верхней поперечины станины с гайкой нажимного винта. Напряжения в остальных конструктивных концентраторах станин не превышают 100 МПа.
Станины клетей работают в условиях отнулевого цикла нагружения. В справочной литературе нет данных об усталостных испытаниях образцов стали 25Л, вырезанных из крупногабаритных отливок. В [3] представлены результаты таких испытаний для стали 35Л. Материалы станины из стали 25Л и отливки для образцов из стали 35Л близки по химсоставу, механическим свойствам и технологии изготовления, поэтому для оценки прочности станины стана 1700 использованы результаты для стали 35Л, полученные в [3]: предел выносливости при симметричном цикле с_1 = 96 МПа, при отнулевом цикле с0 = 190 МПа.
По расчетным значениям максимальных напряжений и результатам усталостных испытаний получаем для станин стана 1700 запас прочности по усталости п = Со/ Смакс=190/370 = 0,51<1. При запасе прочности по усталости п<1 возникновение и развитие трещин усталости, приводящее к «внезапному» разрушению станин, является закономерным.
Второй этап экспертизы состояния станин включает в себя исследование натурных станин методами неразрушающего контроля. Состояние станин стана 1700 в зоне радиусной галтели КЗ (см. рис.2), где по расчету максимальные напряжения превышают предел прочности материала по усталости, было проверено методом вихретокового контроля. Результаты контроля показали, что в правой станине клети в радиусной галтели К3 возникла трещина, имеющая протяженность в окружном направлении 265 мм и глубину 35 мм. Дальнейшая эксплуатация станины с трещиной неизбежно приведет к разрушению станины и длительной остановке стана.
Точный подсчет времени эксплуатации до полного разрушения станины невозможен вследствие статистического разброса усталостных характеристик материала и отсутствия закономерностей, связывающих рост трещины с напряженным состоянием в ее вершине. Поэтому для обеспечения дальнейшей безотказной работы станин необходимо осуществить их модернизацию с обеспечением неограниченной долговечности галтельных переходов как при проектной, так и при увеличенной в 1,5 раза нагрузке на станины.
Модернизация станины заключается в изменении геометрии радиусной галтели с заглублением ее в вертикальную стенку отверстия диаметром 700 мм для установки гайки нажимного винта (рис. 3). Спрофилированная галтель позволяет снизить напряжения в концентраторе в 3,36 раза с 370 МПа до 110 МПа (рис. 4), что дает запас прочности по усталости п = с0/ смакс=190/110=1,73. При увеличении силы прокатки до 30 МН запас прочности по усталости будет равен п=1,15>1, что также обеспечивает неограниченную долговечность станины.
Рис. 3. Конструкция галтельного перехода с заглублением в вертикальную стенку отверстия для установки гайки нажимного винта
/Ш 110
110.016
- 47.777 -90.4896 -33.2023 24.0851 81.3725 -119.133 -61.846 -4.55857 52.7288
Рис. 4. Напряженное состояние (а1, МПа) галтельного перехода с заглублением в вертикальную стенку отверстия для установки гайки нажимного винта
Выполнение галтели с поднутрением стенки отверстия под гайку нажимного винта осуществляется на месте мобильным расточным станком. После выполнения галтели с поднутрением проводится повторная дефектоскопия поверхности галтели. Обнаруженные трещины завариваются по специальной технологии без предварительного подогрева и последующей термообработки материала станины.
Максимальный экономический эффект достигается своевременным (до момента возникновения трещин) проведением экспертизы состояния станины и внедрением конструктивно-технологических решений, устраняющих причину ее разрушения. Выводы
1. Значительное число внезапных разрушений станин, вызывающих длительные простой линий производства проката, расходы на ремонт и запасные части, связано с возникновением и развитием трещин усталости в радиусной галтели зоны контакта верхней поперечины станины с гайкой нажимного винта.
2. Устранение причины возникновения трещин и обеспечение долговечности станин без ограничения времени эксплуатации достигается изменением геометрии радиусной галтели с заглублением ее в вертикальную стенку отверстия для установки гайки нажимного винта.
3. Изменение геометрии радиусной галтели не требует изменения конструкции и первоначальной компоновки деталей нажимного устройства, осуществляется на месте с применением мобильного расточного оборудования.
Список литературы
1. Иванова Н. С. Конкурентная стратегия компании // Проблемы современной науки и образования, 2015. № 2 (42). С. 99-101.
2. Морозов Б.А. Моделирование и прочность металлургических машин. Машгиз, 1963. С. 284.
3. Морозов Б.А., Коновалов Л.В., Сурков А.И. и др. Комплексное изучение условий нагружения и напряженного состояния станины блюминга 1100 КМК// Труды 1-ой конференции по расчетам на прочность металлургических машин, М. Сб. № 24, 1969. Т. 2. С. 3-16.
4. Маслова О.А. Развитие навыков быстрого решения через применение равносильных переходов // Проблемы современной науки и образования, 2015. № 6 (36). С. 25-29.
5. Волков А.Ю. Формула для горизонтального смещения опоры фермы под действием равномерной нагрузки по верхнему поясу // Научный альманах, 2017. № 2-3(28). С. 250-253.
6. Берлизева А.Е. Прокатные станы // Вопросы науки и образования, 2017. № 2 (7). С. 73-75.
7. Кирсанов М.Н. Аналитическое выражение для прогиба балочной фермы со сложной решеткой // Моделирование и механика конструкций. 2016. № 4. С. 4.
8. Юлдашев В.А., Юлдашева Л.В. Формирование основных САПР компетенций в сфере техники и технологий в учебном процессе технического университета // Вопросы науки и образования, 2017 № 5 (6). С. 38-40.
9. Волков А.Ю. Расчет на усталостную прочность станины прокатного стана // Вопросы науки и образования, 2018. № 1 (13). С. 34-35.
10. Волков А.Ю. Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин // Academy, 2017. № 12 (27). С. 20-22.
11. Волков А.Ю. Определение тематики запроса, используя модели данных // Проблемы современной науки и образования, 2018. № 1 (121). С. 5-11.
12. Волков А.Ю. Определение коэффициентов запаса по усталостной прочности основания пресса 80МН // Academy, 2018. № 2 (29). С. 29-31.
