Конструктивные особенности машин многократного кручения. Часть 2 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

128/ Л/1

rj^c: гг ггшг<г< lira 2 (60), 2011-

Analysis of modern tendencies of development of\ high-speed twisting machines for hardware branch is carried out. The presented review shows that development of perspective types of equipment for production of strands, cables and metal cord is not finished and creation of high-efficiency and economical twisting machines is being continued.

А. В. ВЕДЕНЕЕВ, РУП «БМЗ»

конструктивные особенности машин многократного кручения. часть 2.

Машины с улучшенной технологичностью при свивке

К недостаткам метода двойного кручения относится, прежде всего, повышенное требование к качеству перерабатываемой проволоки по чистоте стали (неметаллические включения, повышенное содержание цветных металлов, азота и др.), дефектам метизного передела (низкий запас пластичности, склонность к расслоению и др.). Такая чувствительность технологии при изготовлении канатов методом двойного кручения связана со спецификой деформирования проволоки при свивке, где основное деформирующее воздействие на проволоку - кручение+растяжение и на порядок меньше изгиб [1-3].

Снижению обрывности проволок может способствовать уменьшение величины укручивания проволок на шаге свивки за счет использования ротационной размотки для регулируемой подкрутки проволок, схема которой представлена на рис. 1 [4].

Проволока или прядь, разматываясь с катушки 1, сначала направляется против хода машины, полу-

чая первичную подкрутку со скоростью роторами 3, вращающимися синхронно в том же направлении, что и крутильный ротор машины 9 и 11. Затем, поступая в ротор 4, получают вторичную подкрутку. Далее проволоки или пряди формируются в структуру металлокорда в распределительном шаблоне 6, направляются в конус свивки в формирующих плашках 7, образуют витую структуру определенной конструкции, которая протягивается со скоростью Vсв и вращается со скоростью ротором 9 крутильной части машины. Затем метал-локорд проходит по «баллону» и поступает в ротор 11, где получает дополнительную подкрутку до готового шага.

Соотношение скоростей и является важным для проволоки с точки зрения напряженного состояния в свитой структуре, а для пряди, кроме того, с точки зрения изменения шага свивки:

¿к=-

^мк — ^н

1 +-

щ

р J

Рис. 1. Кинематическая схема свивочной машины двойного кручения с внешним расположением питающих катушек и узлом подкрутки проволок: 1 - питающая катушка; 2 - проволока; 3 - первичная подкрутка; 4 - вторичная подкрутка; 5 - направляющие ролики; 6 - распределительный шаблон; 7 - плашки; 8 - витая структура; 9 - первичная свивка; 10 - «баллон»; 11 - вторичная свивка; 12 - витая структура с номинальным шагом; 13 - торсионный узел; 14 - приемная катушка

где - конечный шаг свивки пряди в металлокор-де; 1н - начальный шаг свивки пряди до свивки в металлокорд; ¿мк - шаг свивки металлокорда; ¿мк+ - направления свивки металлокорда и пряди совпадают; ¿мк - - разное направление свивки ме-

таллокорда и пряди; 1 н—— - разное направление вращения свивочного ротора и ротационной размотки; 1---направление роторов совпадает.

На рис. 2 показана сравнительная схема образования упругих крутящих моментов для обычной машины двойного кручения и машины двойного кручения с ротационной размоткой.

-2 (60), 2011 /

а б

Рис. 2. Направление действия упругих крутящих моментов на проволоках (красный цвет) при полной деформации кручения проволок при свивке в металлокорд (черный цвет): а - после пластической деформации при кручении (синий цвет); б - после предварительной подкрутки (зеленый цвет); а - обычная машина двойной свивки; б - машина двойной свивки с регулируемой степенью подкручивания проволок (ротационная размотка)

За счет регулирования степенью подкрутки проволок перед свивкой в металлокорд можно добиться наилучшего прилегания проволок наружного повива к проволокам центральных слоев. Из рис. 2 видно, что использование ротационной размотки для отдельных проволок или прядей снижает уровень упругих крутящих моментов, поэтому в меньшей степени требуется воздействие тор-сиона для обработки корда крутильной деформацией. Снижение величины деформации кручения, как правило, ведет к снижению обрывности проволок при свивке.

На рис. 3 показана машина данного типа DV3TIR производства фирмы «Barmag», а технические характеристики машин, которые используются на РУП «БМЗ», приведены в табл. 1.

Таблица 1. техническая характеристика канатного оборудования с ротационной размоткой руП «БМЗ»

Технические данные Канатные машины

ШК-15 DTAF 630/7

Максимальная частота вращения, об/мин 3500 1800

Максимальное количество круток, крутки/мин 7000 3600

Количество зарядных катушек, шт. 15 + 1; 16 + 1 16 + 2 6 + 1

Диаметры зарядных катушек, мм 190; 275 275

Мощность двигателя, кВт 7; 11 5,5; 25; 2x1,5; 37

Уровень шума, дБ 77 82

Тип или диаметр приемной катушки, мм 190; 275; BS40; BS60; BS80/17; BS80/33 DIN630

Рис. 3. Свивочная машина с ротационной размоткой DV3TIR (фирма «Barmag»)

Особенно актуальным стала возможность регулирования степени деформации на проволоки с помощью ротационных размоток при изготовлении компактных конструкций металлокорда и при свивке корда из сверх- и ультравысокопрочной проволоки. В первом случае упругие моменты в проволоке направлены на уплотнение конструкции, во втором случае на проволоку воздействуют минимальными крутильными деформациями, снижая работу деформации и меньше травмируя проволоку.

Высокопроизводительные свивочные машины многократного кручения

В погоне за ростом производительности технологического оборудования и снижением себестоимости производители металлокорда ищут новые пути модернизации свивочного оборудования. Сдерживающим фактором для многих производителей являются ограниченные возможности технологического оборудования. Закупка новых единиц оборудования не всегда целесообразна, так как приводит к дополнительным затратам по подводу энергоносителей, перепланировке технологических участков (не всегда удачной). Дополнительной проблемой для широкомасштабного производства становятся использование морально устаревающего оборудования, а также возрастающие затраты на его ремонт. Перечисленные проблемы приводят к возрастанию себестоимости выпускаемого металлокорда, что немаловажно при получении прибыли в условиях рыночной экономики.

Одним из основных стратегических направлений увеличения производительности свивочного оборудования при производстве тросов и металло-корда является разработка машин с увеличенной кратностью свивки [5-7]. При этом возможно снижение скоростей вращения свивочных роторов, что, в свою очередь, позволит решить технические проблемы, связанные с обрывностью при свивке.

128 /

anw г гсшгмшм 2 (60), 2011-

Производительность машин многократного кручения определяется по формуле:

Гф

10е

КИО;

где Рф - фактическая производительность оборудования, кг/ч; N - количество шагов, производимых за один оборот ротора (для машин двойного кручения N = 2); ¿мк - шаг свивки металлокорда, мм; пр - скорость вращения свивочного ротора, об/мин; #мк - вес 1 пог. м металлокорда, г/м; КИО - коэффициент использования оборудования.

Из приведенной формулы видно, что особенностью кинематики свивки на машинах многократного кручения является то, что за один оборот свивочного ротора образуется длина металлокорда, равная N шагов свивки.

Полученная зависимость скорости наматываемого металлокорда от кратности образующегося количества шагов свивки металлокорда показывает, что с ростом числа шагов металлокорда за один оборот свивочных роторов канатной машины прямо пропорционально возрастет и ее производительность. Повышение производительности за счет роста скорости вращения свивочного ротора ограничено центробежной нагрузкой, воздействующей на вращающуюся нить металлокорда и приводящей ее к обрыву.

В качестве примера машин многократного кручения можно привести разработанную и успешно примененную фирмой «РкеПу» в 80-х годах машину СДТ-115 типа «тандем» в виде сдвоенных машин двойного кручения (рис. 4) [8].

Размещение двух свивочных узлов в единый агрегат свивки позволило повысить общую производительность производства канатов за счет исключения одной операции свивки. Развитием идеи «тандема» стала машина 4-кратной свивки QT3 производства фирмы «GCR» [5, 9] (рис. 5).

Особенностью машины является возможность изготовления металлокорда с разной скоростью вращения свивочных роторов модулей 1 и 2. Данные машины позволяют экономить производственные площади и линии коммуникаций. В свивочной машине четырехкратной свивки фирмы «GCR» (рис. 5) сочетается скорость вращения современ-

ных машин двойного кручения и в 2 раза большая производительность.

Готовый шаг свивки металлокорда на машине типа «тандем» образуется согласно кинематической зависимости:

14 =-

V

2 • 9,549(^1 + Ж2)

где V - скорость вытяжки металлокорда; Щ, Ж2 -соответственно угловая скорость вращения ротора модуля 1 и 2.

При одинаковой скорости вращения роторов свивочных модулей (Ж ), установленных по схеме «тандем», шаги металлокорда по зонам свивки распределяются следующим образом:

• модуль двойного кручения с отдающими катушками: I зона

V

h =

II зона

9,549W

12 =

V

1

= - ti;

2 • 9,549W 2

• модуль двойного кручения с приемном катушкой: III зона

IV зона

V 1

13 —-— _ ti;

3 3 • 9,549W 3

V 1

^ 4 =-= —11 .

4 • 9,549W 4

Таким образом, при использовании предложенной схемы величина исходного шага свивки уменьшается в 4 раза, т. е. во столько же раз увеличивается ее производительность.

При этом возникает вопрос об уровне обрывности проволок при свивке металлокорда, который

Рис. 4. Схема заправки свивочной машины СДТ-115 (фирма Рис. 5. Машина четырехкратной свивки (фирма «ОСЯ») «РпеПу») с расположением двух свивочных модулей типа «тандем»

г г^гтгггтгггг /190 -2 (60), 2011 / Ifcü

Рис. 6. Зависимость сопротивления деформированию ss от логарифмической интенсивности деформаций 1п(вг) для различных интенсивностей скоростей деформаций 1 - = 0,8-10"4 с-1; 2 - 0,8-10"3; 3 - 0,8-10"2; 4 - 0,8-10-1 с-1

при одинаковом качестве материала проволок будет зависеть от скорости деформации. При повышении скорости деформации растет неравномерность напряженного и деформированного состояния, что приводит к локализации деформации и разрушению проволоки [10]. С возрастанием скорости деформации возрастает доля упругих деформаций, но при этом уменьшается запас пластичности [11].

Ввиду того что наиболее опасной (с точки зрения обрывности) деформацией при свивке проволок на машинах двойного кручения является деформация кручения [1], то на рис. 6 приведено сравнение скоростей деформации при использовании различных вариантов свивочных машин многократного кручения.

Из рис. 7 видно, что с увеличением ступеней деформации скорость деформации снижается, что должно благоприятно сказаться на технологичности процесса свивки. На рис. 8 показана различная скорость деформации проволок через интенсивность изменения шага свивки при изготовлении металлокорда 2х0,30 НТ.

Полученные зависимости показывают, что для снижения скорости деформации проволок при свивке и соответственно повышения технологичности лучше подходят машины с кратностью свивки более двух.

Перспективы развития свивочных машин в сторону многократного кручения

Создание компактных свивочных машин многократной свивки только начинает зарождаться. В работе [7] описана машина для изготовления металлокорда, которая содержит свивочный модуль четверной свивки, включающий сдвоенные ротора типа «ротор в роторе», обеспечивающие компактное расположение скручивающих зон на одной станине, оснащенные роторными дисками (бугелями), причем внутренние роторы опираются на

Рис. 7. Изменение деформации кручения проволок при свивке металлокорда 2х0,30 НТ: 1 - обычная машина двойной свивки; 2 - машина типа «тандэм» со скоростью вращения первой пары роторов в 2 раза выше последней; 3 - машина типа «тандэм» с одинаковой скоростью вращения роторов свивочных модулей

Рис. 8. Изменение деформации кручения проволок от шага свивки при свивке металлокорда 2х0,30 НТ разными методами: 1 - обычная машина двойной свивки; 2 - машина типа «тандэм» со скоростью вращения первой пары роторов в 2 раза выше последней; 3 - машина типа «тандэм» с одинаковой скоростью вращения роторов свивочных модулей

внутренние стенки наружных роторов с помощью подшипников, диаметр внутренних роторных дисков (бугелей) меньше диаметра наружных роторных дисков (бугелей), наружная пара роторов присоединена к электродвигателю посредством синхронизирующего вала, а зубчатые колеса наружного и внутреннего роторов связаны паразитными (промежуточными) шестернями.

Фактически в данном типе свивочных машин заложено многократное повторение принципа двойного кручения, т. е. расположение отдельных узлов свивки по принципу «матрешки». На рис. 9 приведены схемы исполнения компактных свивоч-ных машин 4-кратной свивки с расположением разматывающихся катушек внутри свивочной части и вне ее.

При работе данных схем свивочных машин вращение наружных и внутренних роторов будет противоположным. Угловые скорости вращения

130 / 2,

2 (60), 2011-

жу»; б - «снаружи-вовнутрь» [7]; 1, 9 - наружная роторная пара; 2, 72 - роторные диски; 3, 10 - внутренние шестерни; 4, 7, 11 - внутренние ротора; 5, 15 - шестерни-сателлиты; 6, 14 - солнечная шестерня

роторных пар валов зависят от передаточного отношения зубчатой передачи.

В 2010 г. на выставке в г. Дюссельдорфе «Wire&Cable 2010» фирма «Euroalpha Srl.» представила машину 4-кратной свивки B630-F (рис. 10) [12].

Конструкция машины B630-F представляет собой схему «снаружи-вовнутрь» с возможностью изготовления конструкции 1 + 6 +12. Передача вращения от наружного ротора к внутреннему производится при помощи зубчато-ременных передач. При этом скорости вращения внутренних свивоч-ных роторов равны или больше скорости внешних роторов.

Другим вариантом машины многократной свивки является модель TS 2/200 (рис. 11, табл. 2), изготовленная РУП «БМЗ» на базе машины двойного кручения ТД 2/601 (фирма Danieli). Данная компактная машина 4-х кратной свивки выполнена в схеме «изнутри-наружу». Передача вращения от наружного ротора к внутреннему производится при помощи планетарной передачи. Скорость вращения внутреннего ротора в 2 раза превышает скорость вращения наружного свивочного ротора. В результате свивки за один оборот наружного ротора образуется шесть шагов свивки.

Таблица 2. Техническая характеристика канатного оборудования 4-кратной свивки

Технические данные

Максимальная частота вращения, об/мин

Максимальное количество круток, крутки/мин

Количество зарядных катушек, шт.

Диаметры зарядных катушек, мм

Уровень шума, дБ

Тип или диаметр приемной катушки, мм

Канатные машины

TS 2/200

3000

18000

2; 3; 4

190

77

190; 275; BS40; BS60; BS80/17; BS80/33

B 630-F

2500

10000

7; 19

DIN 560; DIN 800

80

DIN630

Согласно кинематике свивки, в машине № 2/200 шаг свивки пряди или каната определяется по выражению:

V

t iv>fxr — '

2 • 9,549(Жцар + ^внутр ) V V

2 • 9,549(Гнар + 21Гнар ) 6 ■ 9,54Шнар

где V - скорость вытяжки металлокорда; ^Гнар -угловая скорость вращения наружного ротора; Жвнутр - угловая скорость вращения внутреннего ротора.

Рис. 10. Машина 4-кратной свивки (фирма «Ешоа1рИа Srl.»): 1 - внутренняя дуга; 2 - наружная дуга

Рис. 11. Общий вид действующей машины TS 2/200 РУП «БМЗ»

Перспективой развития высокопроизводительного свивочного оборудования может быть совмещение машин 4-кратной свивки и схемы их состыковки в «тандэм» [7]. Но в этом случае рационально увеличение объема питающих и приемной катушек.

Выводы

Проведен анализ современных тенденций развития высокоскоростных свивочных машин для метизной отрасли. Увеличение кратности свивки дает возможность увеличения удельной производительности с единицы занимаемой технологиче-

/тггтг^ г: г/геттг гттгт /101

-2 (60), 2011 I IUI

ским оборудованием площади. Это, в свою очередь, ведет к снижению себестоимости канатных изделий. Направление на создание свивочных машин модульного типа также может привести к оптимизации затрат при эксплуатации, используя различные функциональные комбинации модулей размотки, свивки, намотки и др. Представленный обзор показывает, что развитие перспективных видов оборудования для изготовления прядей, канатов и металлокорда не закончено и продолжается создание высокоэффективных, экономичных и компактных свивочных машин.

литература

1. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Снижение обрывности проволоки при свивке из нее прядей и металлокорда на свивальных машинах двойного кручения. М.: БНТИ «Черная металлургия». 1991. № 1. С. 62-63.

2. Б и р ю к о в Б. А., Ф е о к т и с т о в Ю. В., В е д е н е е в А. В. Особенности свивки металлокорда на машинах одинарного и двойного кручения // Тез. докл. ВНТС «Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве». Магнитогорск, 1990. C. 101-102.

3. Н е м у д р ы й Б. А. Оборудование для свивки металлокорда. М.: Черметинформация. 1980. Сер. 9. Вып. 2.

4. К о р о л е в В. Д. Канатное производство. М.: Металлургия, 1980.

5. A double-double twist and a skip strander. Wire Journal International, May, 2000.

6. P a r i s e M., P a t t a c i n i P. Macchina per la trefolatura di un fascio di fili. Pat.№ PD32150 от 26.03.2010 г.

7. В е д е н е е в А. В., Ф и л и п п о в В. В., Б а г л а й Г. В. Способ изготовления металлокорда и машина для его осуществления. Пат. BY 7345 C1 от 24.05.2005 г.

8. Р а й з М. Ш., А н ц у п о в а Н. И., Г у р ь я н о в а Л. П. Совершенствование конструкций и технологии изготовления металлокорда. М.: Черметинформация. 1986. Вып. 2. Сер. Метизное производство.

9. В е д е н е е в А. В., П а н и з о в и ч В. С. Современные тенденции развития оборудования для свивки металлокорда // Литье и металлургия. 2005. № 4. С. 81-85.

10. Ф р и д м а н Я. Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974. Ч. 1.

11. В е р е щ а г и н М. Н., Б о б а р и к и н Ю. Л., С а в е н о к А. Н., В е д е н е е в А. В. и др. Влияние скорости волочения на температуру и напряженно-деформированное состояние высокоуглеродистой проволоки // Сталь. 2007. № 12, С. 53-58.

12. New four-twist bunching mashine from Euroalpha// EuroWire, January 2011.