CC BY
23
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19
УДК 621.771.06
Артюх В.Г.1, Артюх Г.В.2, Мазур В.О. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СИЛЫ ПРИ ПРОКАТКЕ
Рассмотрены причины появления горизонтальных сил при прокатке. Указаны негативные последствия наличия этих сил: разбивание подушек, станин и их креплений. Перечислены меры уменьшения величин опасных горизонтальных сил: снижение скорости захвата, ликвидация зазоров и амортизация ударов подушек о станину.
Наличие в рабочих клетях прокатных станов при прокатке горизонтальных сил, направленных вдоль оси прокатки, подтверждается характером повреждений, которые испытывают подушки рабочих и опорных валков, а также лицевые наделки и проемы станин. Это приводит к большим затратам на ремонт или замену указанных поврежденных деталей [1], что подтверждает актуальность анализа причин появления горизонтальных сил и разработки мероприятий по уменьшению их величин.
Менее известен тот факт, что повреждения деталей (шпиндели, муфты и т.д.) главных линий прокатных станов также связаны с силами горизонтального направления. Известны работы, в которых отмечается влияние горизонтальных сил при прокатке на величину момента сил упругости в главной линии стана [2, 3]. Это влияние очень существенно и в ряде случаев долговечность деталей главных линий полностью определяется уровнем горизонтальных сил при прокатке. В связи с этим появляется необходимость изучения особенностей возникновения и изменения во времени горизонтальных нагрузок.
Целью настоящей работы является анализ причин появления горизонтальных сил при прокатке для выбора оптимальных мер по профилактике их возникновения.
Рассмотрим эти процессы на примере листовых прокатных станов, например, непрерывных широкополосных станов (НТТТС) Изучение изменения нагрузок в клетях и приводах этих станов проводится практически непрерывно [4, 5], что объясняется их высокой динамичностью и аварийностью. При этом, как правило, фиксируются нагрузки в клети (сила прокатки) и в главной линии (момент сил упругости). Измерение этих величин не вызывает принципиальных затруднений. В то же время прямых измерений горизонтальных сил нет и при том по вполне объективным причинам [6].
Одна из них заключается в том, что силу контактного взаимодействия между подушкой и станиной нельзя измерить непосредственно, не повлияв при этом на величину этой силы. Определить же эту силу по показаниям отдельных датчиков (не влияющих из - за своей миниатюрности на величину силы) очень трудно из-за сложности форм соударяемых тел и сложности их напряженного состояния, исключающих проведение достоверной тарировки системы измерений.
В то же время известны результаты, полученные непрямыми методами, например, путем замеров ускорений отдельных точек подушки, или путем сопоставления осциллограмм силы и момента прокатки [7]. Последний метод, при наличии указанных осциллограмм, достаточно прост и информативен. Он позволяет найти максимальное значение горизонтальной силы, ее направление, продолжительность и характер действия.
' ПГТУ. канд. техн. наук, доц.
2ПГТУ, доцент
3ПГТУ, аспирант
Что касается причины появления горизонтальных сил, то их несколько. Первая из них - это наличие силы, втягивающей раскат в валки. Она ограничивается предельным углом захвата и зависит от величины обжатия, силы трения, инерционной силы, приложенной от раската к валкам.
Появляется эта сила в момент касания раскатом рабочих валков, направлена она навстречу движущемуся раскату. Эта сила разгоняет узел рабочих валков с подушками и шпинделями в пределах имеющегося зазора между подушками рабочих валков и станинами. После выбора зазора подушка рабочего валка ударяет в проем станины или подушки опорного валка, при этом сила удара может возрасти в несколько раз по сравнению с первоначальной силой, приложенной от раската к валку [8]. Далее происходит колебательный процесс с изменением направления горизонтальной силы и постепенным ее уменьшением.
Для клетей черновой группы НШС 1700, ОАО «ММК им. Ильича» (Украина, г. Мариуполь), продолжительность колебательного процесса составляет 4 = 0>6 с [9]. Параметры колебательного процесса зависят в основном от момента инерции ротора приводного электродвигателя и от жесткости главной линии стана. Поскольку все клети черновой группы имеют одинаковые двигатели, а жесткость главных линий отличается несущественно, то параметры колебательных процессов, исключая амплитуду, во всех клетях черновой группы примерно одинаковы.
В работе [7] приведен пример определения величины горизонтальной силы по двум осциллограммам: силы прокатки и момента прокатки.
Поскольку сила прокатки плавно (без колебаний) нарастает в процессе захвата металла валками, а установившееся значение момента прокатки («технологический момент») соответствует конечному значению момента при захвате, то осциллограмма силы прокатки может оказаться «лишней» при определении горизонтальной силы.
В первом приближении идеальный процесс нарастания момента прокатки при захвате можно изобразить двумя прямыми (рис. 1): наклонной линией 1 от начала до окончания
_ захвата и горизонтальной линией 2, изображающей
установившийся процесс прокатки. Область, что находится вне линий 1 и 2, (то есть все отклонения от этих линий) можно в первом приближении считать следствием горизонтальных сил.
--'- Таким образом, имея осциллограммы крутящих
моментов, можно оценить величину и характер изменения Рис. 1 - График идеального горизонтальных сил.
нарастания момента Так, для клетей и приводов с наибольшими
прокатки при захвате в коэффициентами динамичности, наибольшими будут и первом приближении горизонтальные силы. По этому признаку легко оценить все
клети НШС.
Известно, что коэффициенты динамичности для отдельных листовых станов могут достигать величин кл = 4... 5, а иногда их значение доходит до кл = 8,0 [10]. Эти станы имеют наивысший уровень горизонтальных нагрузок (рис. 2). В то же время имеются, в том числе в составе НШС такие клети (последние 2-3 клети чистовой группы), для которых кд = 1,2... 1,5, то есть существенно меньше, чем в черновой группе. Эти клети при захвате металла валками испытывают незначительные горизонтальные нагрузки (рис. 3).
Отметим еще одну особенность горизонтальных сил, - они имеют одинаковое направление на обоих рабочих валках и изменяются синхронно. Сумма этих сил преобразуется в момент, который опрокидывает рабочую клеть и действует при каждом захвате и выходе металла из рабочих валков. Величина опрокидывающего момента в 5... 10 раз больше установившегося момента прокатки. Этот момент носит колебательный характер и действует на рабочую клеть при каждом захвате.
Максимальная величина опрокидывающего момента
№оп = ^тах -До >
где /тах - максимальное значение равнодействующей горизонтальных сил;
- плечо силы /П1ах относительно плоскости крепления станины.
Рис. 2 - Кривая колебаний момента прокатки при значительных горизонтальных силах, возникающих при захвате
Рис. 3 - Кривая колебаний момента прокатки при малых горизонтальных силах
На практике Я0 » V, где г - радиус рабочего валка (рис. 4).
При нормальной
работе стана опрокидывающий момент, действующий на клеть, равен разности крутящих моментов, действующих на шпиндели. Эта величина незначительна, она не оказывает заметного действия на прочность крепления клети.
При поломке одного из шпинделей прокатка продолжается через второй шпиндель, при этом опрокидывающий момент, действующий на клеть равен моменту прокатки, это более существенно, чем в варианте работы без поломки.
В то же время опрокидывающий момент от
Яо
горизонтальных сил в 4...8 раз (в раз)
превышает этот опрокидывающий момент. При этом такие нагружения воспринимаются клетью при каждом захвате и сопровождаются колебаниями.
Рис. 4 - Схема действия горизонтальных сил Данная нагрузка расшатывает клеть и
на станину рабочей клети снижает усталостную прочность ее креплений.
ЛПЦ-ЗООО ОАО «ММК им. Ильича» Кроме того, ухудшается качество нагружения
станины, форма которой не рассчитана на восприятие горизонтальных сил.
Практика эксплуатации некоторых прокатных клетей, например, клетей пилигримовых станов, которые нагружаются регулярно повторяющимися горизонтальными силами, показывают, что на этих клетях разрушаются не только крепления станины к плитовинам. На станинах появляются усталостные трещины.
Итак, мы выяснили, что горизонтальные силы не только разбивают подушки и станины, нарушают их крепления, но и снижают долговечность деталей главных линий. Моменты, создаваемые в главных линиях горизонтальными силами, могут в несколько раз превышать полезные (технологические) моменты прокатки.
Повышение долговечности деталей прокатных станов в значительной мере связано с возможностью уменьшения горизонтальных сил.
Ниже рассмотрены наиболее простые и надежные варианты снижения горизонтальных сил.
Вариант № 1. Снижение скорости захвата. При заданных параметрах прокатки (величина обжатия, температура, радиус рабочего валка, характеристики прочности и пластичности прокатываемого материала) наибольшее влияние на величину начальной горизонтальной силы оказывают скорость прокатки и масса раската. Инерционная горизонтальная сила, зависящая от массы раската и его ускорения, при вхождении в валки может быть уменьшена снижением скорости захвата. При этом имеется несколько схем замедления процесса захвата.
Схема 1.1. Фигурная обрезка переднего конца полосы. Подобная обрезка может в 1,5...2 раза увеличить продолжительность захвата раската рабочими валками, соответственно пропорционально снизить скорость нарастания нагрузок. Этот вариант неоднократно был опробован и подтвердил свою эффективность. Однако на практике он не нашел широкого применения из-за неравномерности деформации фигурного переднего конца и трудностей вхождения полосы в последующую клеть.
Схема 1.2. Для станов реверсивного типа, рабочие валки которых приводятся от двигателя постоянного тока, имеется возможность регулировать скорость захвата изменением частоты вращения приводных двигателей; для этого нужна специальная настройка автоматики управления двигателями. Подобная схема также имеет недостатки, а именно - сложность схемы управления, потеря производительности и т.д. На практике данная схема ограниченно применяется.
Схема 1.3. Еще один вариант - установка в главной линии стана специального автоматически работающего устройства, а именно, упругого вала - энергоаккумулятора, упругий угол закручивания которого (приведенный к рабочим валкам) сравним с углом захвата. В этом случае время захвата также может быть увеличено в 1,5...2 раза, причем для этого не потребуется никакой автоматики. Даже при постоянной частоте вращения приводного двигателя за счет значительного упругого закручивания главной линии захват будет происходить при пониженной скорости, а выброс при повышенной. Такая схема не снижает производительности. Она подходит для всех типов приводов, в том числе для приводов с синхронными двигателями, установленными в черновой группе клетей. Подобная конструкция принята к внедрению для черновых клетей НШС 1700 ОАО «ММК им. Ильича».
Вариант № 2. Ликвидация зазоров. При наличии зазоров между подушками рабочих валков и наделками станин (или наделками опорных валков) первоначальная горизонтальная сила (сила инерции) будет разгонять рабочий валок с подушками в поле имеющегося зазора. Чем больше будет зазор, тем большую энергию приобретет валок (с подушками). Заканчивается такой разгон ударом о станину или подушку опорного валка и появлением другой горизонтальной силы - силы удара. В подавляющем большинстве случаев сила удара больше первоначальной силы инерции; зависит она от величины зазора, а, следовательно, от величины приобретенной энергии удара. Практика эксплуатации листовых прокатных станов подтверждает перспективность указанного выше варианта.
Вариант № 3. Амортизация ударов. Сила удара подушки о станину может быть существенно снижена, если между ними установить энергоемкий амортизатор (буфер). В качестве амортизаторов можно применить энергоемкие эластомерные устройства, например, защитные планки подушек вместо работающих [11]. Опробование подобных элементов было проведено в ЛИЦ - 3000 ОАО «ММК им. Ильича» и дало положительный результат. Работы в этом направлении продолжаются. Кроме монтажа амортизаторов на подушки, они могут быть установлены на станинах рабочих клетей:
а) под лицевыми наделками станин;
б) на опорных лапах станин.
Во всех указанных местах можно применить малогабаритные амортизаторы сжатия (<5 = 20...60 мм), изготовленные из литьевых конструкционных полиуретанов, имеющих достаточную удельную энергоемкость.
Таким образом, следует продолжить исследования по минимизации горизонтальных сил при прокатке с учетом приведенных рекомендаций.
Выводы
1. Имеется возможность существенно снизить опасные горизонтальные силы при прокатке. Внедрение отмеченных выше мероприятий (варианты № 1, № 2 и № 3) позволит стабилизировать горизонтальные силы на уровне, безопасном для прокатного оборудования по условиям его прочности.
2. Проведенные нами исследования горизонтальных сил при прокатке выявили их отрицательное влияние на долговечность прокатного оборудования, увеличения простоев и ремонтных затрат прокатных станов, что существенно уменьшает их производительность. Поэтому, данные исследования должны учитываться при проектировании нового и модернизации ранее эксплуатируемого прокатного оборудования.
Перечень ссылок
1. Большаков В.И. Особенности динамических нагрузок в главных линиях рабочих клетей стана 1700 / В.И. Большаков, В.В. Буцукин // Защита металлургических машин от поломок. -Мариуполь, 1997. - Вып. 2. - С. 25 - 32.
2. Артюх Г.В. Инженерные проблемы прочности металлургических машин / Г.В. Артюх,
B.Г. Артюх // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2003. - Вып. 7. -
C. 85 -95.
3. Влияние крутильных колебаний в линии привода на горизонтальные усилия в четырехвалковой прокатной клети / Гарцман С.Д., Рубанович Ю.А., Сафронов К.К. и др. II Исследование, расчеты и конструирование машин металлургического производства. Сборник научных трудов. - М.: Металлургия, 1980. - С. 137 - 140.
4 Вере нее В. В. Моделирование взаимодействия линии главного привода и упругой системы клети / В.В. Веренев, В.И. Большаков, H.H. Подобедов II Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2000. - Вып. 5. - С. 34 - 42.
5. Молчанов. А.И. Исследование динамических нагрузок в черновых клетях широкополосного стана 1680 при прямой прокатке слябов I А.И. Молчанов II Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 4. - С. 36 - 39.
6. О профилактике повреждений подушек листовых прокатных станов / В.Г. Артюх,
A.Н.Беляев, Г.В. Артюх, В.О. Мазур II Защита металлургических машин от поломок. -Мариуполь, 2006. - Вып. 9. - С. 80 - 82.
7. Артюх В.Г. Особенности нагружения листовых прокатных станов / В.Г. Артюх II Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2005. - Вып. 8. - С. 24 - 30.
8. Снижение динамических нагрузок при захвате полосы на широкополосных станах /
B.Д. Плахтин, Б.В. Симочкин, С.А. Москеитин и др. II Черная металлургия: Бюллетень ин -та «Черметинформация». - 1983. - №10. - С. 36 - 37.
9. Нагрузки и перегрузки в металлургических машинах / В.Г. Артюх. - Мариуполь: ПГТУ, 2008. - 244 с.
10. Большаков В.И. Методика исследования динамики приводов металлургических машин / В.И. Большаков II Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - № 3. - С. 72 - 79.
11. Выбор материала лицевых планок для подушек рабочих клетей / В.Г. Артюх II Металл и литье Украины. - 2005. - № 7 - 8. - С. 63 - 66.
Рецензент: М.В. Маргулис д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 21.01.2009
