Исследование динамики захвата гильзы валками пилигримового стана Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.771.06-589.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАХВАТА ГИЛЬЗЫ ВАЛКАМИ ПИЛИГРИМОВОГО СТАНА

© 2011 Ю.Е. Раскатов

Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург

Поступила в редакцию 21.03.2011

Описана методика расчета максимальных динамических нагрузок в линии привода пилигримово-го стана при мгновенном приложении нагрузки.

Ключевые слова: пилигримовая прокатка, алгоритм, энергоёмкость, математическая модель, динамический момент, расчетная модель

Для создания и совершенствования материально-технической базы и оборонной мощи России необходимо развитие ряда важнейших отраслей промышленности, а именно: металлургической, энергетической, химической, нефтяной, газовой, машиностроения, а также оборонной и капитального строительства. Трубная промышленность является отраслью металлургии. В связи с этим перед трубной промышленностью стоит задача - увеличить объем производства труб повышенного качества, расширить их сортамент, увеличить выпуск экономичных профилей и повысить степень обеспечения трубами необходимого сортамента ведущих отраслей страны. Бесшовные трубы применяются во всех отраслях промышленности: газовой, нефтяной, где они используются не только как продуктопроводные, но и для бурения и обсадки скважин, в машиностроении, где они используются для изготовления деталей, элементов машин и установок, а также в оборонной промышленности. Одним из основных способом производства бесшовных горячекатаных труб большого и среднего диаметров с толщинами стенок от 7 до 100 мм и более является прокатка на установках с пи-лигримовыми станами. Использование непрерывно-литых заготовок круглого сечения обеспечило значительные преимущества пи-лигримового способа производства труб.

Общеизвестны преимущества пилигри-мовой прокатки труб: возможность применения литого слитка, получение труб большого диаметра (до 630 мм) без применения станов -расширителей, прокатка труб длиной до 40 м, прокатка особотолстостенных, профильных и труб переменного сечения, возможность производства труб более мелкими партиями (до

Раскатов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургические и роторные машины». E-mail: raskatov@pochta.ru

одной трубы) и др. На пилигримовых станах производят трубы весьма широкого сортамента и практически любого назначения: трубы нефтяного сортамента, обсадные, баллонные, котельные, трубы из специальных сталей и сплавов, биметаллические трубы разных сочетаний (для АЭС и для транспортировки сыпучих абразивных материалов), трубы спецназначения для ВПК. Эти преимущества дают основание считать, что способ пилигримовой прокатки труб еще долгие годы будет успешно конкурировать с другими способами производства труб.

Бесшовные трубы диаметром более 406 мм с разными толщинами стенок без применения специального оборудования (гидравлических прессов и станов расширителей) можно производить только на ТПУ с пилигримовыми станами. Экономичность производства труб малыми партиями (до одной трубы) также следует отнести к достоинствам установок с пи-лигримовыми станами. Об этом также свидетельствует анализ технико-экономических показателей различных способов производства стальных труб [1]. При пилигримовой прокатке бесшовных труб цикл деформации гильзы периодически осуществляется за один оборот валков с переменным радиусом калибра, причем направление вращения валков противоположно направлению подачи гильзы. При этом особенно важно оценить условия захвата металла валками, закономерности формирования мгновенного очага деформации, и изменения скорости перемещения гильзы, а также уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана. Уравнение движения гильзы при её захвате имеет вид:

G dVr = nR2ó(rk cos a — <Jn sin a) (1)

2g dt

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №1(3), 2011

где О - вес гильзы и дорна, кН; Уг - скорость перемещения гильзы, м/с; Я - переменный радиус бойковой части валка, м; 5 - дуга соприкосновения металла с валками, рад; тк - касательное контактное сопротивление, МПа; оп -нормальное напряжение, МПа; а - угол захвата, рад.

Скорость гильзы и угол д связаны зависимостью [2]:

V = Я соэа

йг

(2)

Подставив зависимость (2) в уравнение (1) получим дифференциальное уравнение для д:

й52 йг2

+ в28 = 0

где

о = 12ПгЯ(&Ага-Т) .

в V о '

(3)

(4)

в

эт в1г

отсюда

й8

-= (О0 СОБ в1г

йг

(5)

(6)

С учетом (6) зависимость для определения скорости гильзы принимает вид:

V- = Я ео8а а0 созв^г

(7)

уравнение движения валка при наличии упругой связи в переходной стадии захвата имеет вид:

З ф + С(р = -пЯ З3гк (8)

где З - момент инерции валка, тм (кНмс ); ф - угол поворота валка, рад; ф - угловое ускорение валка, с-2; С - жесткость упругой связи, кНм.

Подставив д из (5) в уравнение (8) получим:

З ф + с ( = -жЯътк ^т в1г (9)

в

ф + в2 ( = к бш в1г

где

в =

1С.; с-1; к =П Тк^О, с-2

(10)

(11)

Общее решение уравнения (3) имеет вид

д = с1 ¿¡пв1г + с2 соъв^г

Начальные условия: г=0, д=0, йд/йг=ю0, где ш0 -угловая скорость валка, 1/с. С учетом начальных условий зависимость для определения дуги соприкосновения металла с валками принимает вид:

Общее решение дифференциального уравнения (10):

( = с1 соэ вг + с2 эт вг +

к

в2 -в

-эт в1г

(12)

С учетом начальных условий: г=0, ф=0, ф = 0, решение уравнения (10) принимает вид:

к

эт вг -^Шп вг

в

(13)

Динамический момент крутильных колебаний

МД =

ск

в2 -вв

Г в Л эт вг -—эт вг

1 в

(14)

Исходные данные для расчета, результаты расчета на рис. 1: ш0 = 4,72 с-1, Яс = 0,27 м, З = 0,7 тм2, с = 9000 кН м, а = 15о, ап = 105 МПа, О = 1,87 +1,66 = 3,53 т, в = 113 1/с, в = 9,7 1/с, И = 1230 с-2, МД = 520 кН м.

Расчет параметров механической системы пилигримового стана показал, что отношение массы якоря двигателя и маховика к суммарной массе системы, которое называют коэффициентом распределения масс, близка к единице. В связи с этим амплитуда колебаний якоря и маховика в десятки раз меньше амплитуды колебаний валка, а переходный процесс захвата гильзы валками может без больших погрешностей рассматриваться как упругие колебания приведенной массы валка относительно якоря двигателя и маховика, вращающихся с постоянной скоростью. Для одномас-совой расчетной модели дифференциальное

Рис. 1. Зависимость максимальной амплитуды динамического момента от жесткости шпинделей пилигримового стана

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Тетерин, П.К. Теория периодической прокатки. -М.: Металлургия, 1978. 256 с.

2. Лехов, О.С. Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов. - М.: Машиностроение, 1975. 184 с.

3. Чечулин, Ю.Б. Измерение нагрузок на шпинделях валков пильгерстана / Ю.Б. Чечулин и др. // Металлург. 2007. №6. С.47-49.

RESEARCH THE DYNAMICS OF BARREL CAPTURE BY PILGER MILL ROLLS

Вывод: на основе теоретического исследования динамики захвата гильзы валками пи-лигримового стана разработана методика расчета максимальных динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана, при мгновенном приложении нагрузки.

© 2011 Yu.E. Raskatov Ural Federal University, Ekaterinburg

The design procedure of maximum dynamic loadings in drive line of pilger mill is described at instant load application is described.

Key words: pilger rolling, algorithm, power requirement, mathematical model, dynamic moment, computational model

Evgeniy Raskatov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the "Metallurgical and Rotor Machines" Department. E-mail: raskatov@pochta.ru