CC BY
11
УДК 621.771.96
Ар тюх В. Г.
О ТОЧНОСТИ СРАБАТЫВАНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН
Анализ работы металлургических машин показывает, что подавляющее большинство из них нуждается в специальной механической защите, ограничивающей нагрузки и предотвращающей поломки дорогостоящих деталей и узлов [1].
Известно много работ, посвященных надежности металлургического оборудования. Гораздо меньше работ относится непосредственно к вопросам защиты от поломок и обобщению опыта эксплуатации предохранительных устройств (например, для прокатных станов) [1].
В последние 15-20 лет было предложено значительное количество конструкций предохранителей. Это предохранительные устройства (ПУ) с расходуемыми элементами (РЭ), пружинные, гидравлические, фрикционные и т. п. Однако надежно работающих предохранителей немного. Большинство предлагаемых конструкций не отвечает основным требованиям, предъявляемым к защитным устройствам. Такими требованиями являются:
1. Надежность защиты, т. е. надежное ограничение и стабилизация рабочих
нагрузок на безопасном уровне в клети и главной линии.
2. Экономичность защиты, т. е. простота конструкции, дешевизна и техно-
логичность изготовления предохранителя.
3. Варьирование усилием срабатывания предохранителя.
4. Быстрое (по возможности - автоматическое) восстановление работоспо-
собности предохранителя после срабатывания [1].
Рассмотрим работу идеального предохранителя на примере прокатной клети обжимного стана (например, слябинга). При заданных параметрах прокатки (марка стали, температура, ширина и высота сляба, раствор валков) усилие прокатки и величина обжатия будут зависеть от жесткости рабочей клети. Чем больше жесткость клети, тем больше усилие прокатки.
Для случая бесконечно большой жесткости клети обжатие будет равно разности исходной толщины сляба и раствора валков, а усилие будет соответствовать этому обжатию (деформация клети отсутствует). Для случая бесконечно малой жесткости клети обжатие и усилие будут равны нулю, а деформация клети равна разности исходной толщины сляба и раствора валков.
Отсюда вытекает принцип работы идеального предохранителя: он должен иметь переменную податливость (рис. 1, а). До определенного уровня нагрузки, называемой в дальнейшем выключающей нагрузкой Р*, предохранитель должен иметь малую податливость (в идеале - бесконечно малую), практически не влияющую на суммарную жесткость клети. При появлении нагрузки, превышающей выключающую, податливость предохранителя должна значительно увеличиться (в идеале - до бесконечности) и тем самым существенно уменьшить суммарную жесткость клети. Это предотвращает появление перегрузок в клети, а следовательно, и в главной линии стана.
Таким образом, предохранитель должен представлять собой элемент переменной податливости (податливость изменяется скачком). Для эффективной работы такого предохранителя необходимо, чтобы податливость его до срабатывания (до достижения выключающего усилия) была примерно на два порядка меньше, чем после срабатывания [1]. Желаемая рабочая характеристика такого предохранителя представлена на рис. 1,6.
Трудно найти среди существующих конструкций такую, которая в полной мере отвечала бы всем этим требованиям. Если проанализировать работающие предохранители, то прежде всего бросается в глаза, что практически все они относятся к одному типу - ПУ с РЭ. Характеристика предохранителей с РЭ такова, что нагрузка в них после срабатывания падает почти до нуля (т. е. она весьма далека от идеальной).
р р*
р р*
О
* О
л
а)
Рис. 1, Характеристики предохранителей
б)
а) идеальная характеристика: 1 - участок бесконечно малой податливости; 2 - участок бесконечно большой податливости.
б) реально достижимая характеристика: 1 - участок малой податливости; 2 - участок большой податливости.
X - осадка предохранителя; Р* - усилие срабатывания предохранителя.
Причем, обладая несомненной простотой устройства и обслуживания, они явно уступают другим типам ПУ по точности и экономичности.
Тем не менее, указанные недостатки устранимы. Данная работа ставит своей основной целью поиск путей повышения точности срабатывания ПУ с РЭ. Тогда применение их будет экономически оправдано.
Известны три группы характеристик, влияющих на точность срабатывания (стабильность величины разрушающего усилия):
1. Разброс механических характеристик материала РЭ.
2. Разброс конструктивных размеров РЭ и ПУ.
3. Усталостные явления (накопление повреждений) в РЭ [2].
Влияние первых двух факторов достаточно хорошо изучено - например, при определении механических характеристик в процессе испытания стандартных образцов или при испытаниях на срез с различными допусками в соединениях [3]. Имеются соответствующие рекомендации, позволяющие свести колебания величины разрушающего усилия до уровня ±5... 10%, что для реальных условий эксплуатации вполне приемлемо [3].
Гораздо хуже обстоит дело с усталостью РЭ. Здесь наблюдаются сразу два негативных процесса:
1. Снижение разрушающей нагрузки при циклическом нагружении (Р* может уменьшиться в 2...5 раз), т. е. уменьшение математического ожидания исследуемой величины.
2. Увеличение разброса (дисперсии) разрушающего усилия.
Условие исключения усталостного разрушения РЭ можно записать в
виде:
где стэ - эквивалентное напряжение в РЭ, определенное по одной из известных теорий прочности; аг - предел выносливости РЭ при нагружении циклом с характеристикой г.
Для выполнения этого условия нужно уменьшать стэ или увеличивать стг.
Известно несколько способов повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях циклического нагружения. Это уменьшение концентраций напряжений и характерного размера (снижение масштабного коэффициента), улучшение качества поверхности, поверхностное упрочнение и т. д. Эти способы направлены на увеличение предела выносливости детали при неизменной характеристике г (коэффициенте асимметрии) цикла нагружения. Но даже они используются далеко не полностью при проектировании ПУ. На ка-
(1)
федре ПГС и СМ ПГТУ разработаны устройства [4, 5], в которых использованы все вышеперечисленные способы.
Традиционные (или классические) приемы повышения усталостной прочности, однако, не позволяют полностью исключить усталостное разрушение РЭ при рабочих технологических нагрузках. Чтобы добиться такого результата, автором предложены нетрадиционные способы повышения усталостной прочности РЭ. Они сводятся к уменьшению эквивалентного напряжения в РЭ без изменения рабочих нагрузок на предохранитель.
Ниже рассмотрены несколько вариантов конструкций ПУ, имеющих повышенную усталостную прочность.
ВАРИАНТ 1. РЭ находится в состоянии всестороннего равномерного сжатия (ст, -у 0). ПУ - экструзионного типа [6]. Сжатый эластомер продавливается через отверстия - фильеры (рис. 2). Усталостное разрушение отсутствует. Изготовлены модели, которые испытаны в лабораторных условиях на статическую и циклическую нагрузки. Спроектировано ПУ для черновой клети №2 НШС-1700 ММК им. Ильича.
Рис. 2. Экструзионное предохранительное устройство.
1 - нажимное средство; 2 - подушка прокатного валка; 3 - пуансон;
4 - корпус; 5 - эластомер; 6 - бурт; 7 - отверстие-фильера;
ДН - рабочий ход предохранителя.
ВАРИАНТ 2. РЭ вообще не нагружен разрушающим усилием, за исключением нескольких малых зон. В этих зонах могут накапливаться повреждения и развиваться явления усталости, однако при работе предохранителя зона разрушения смещается на новое место, где повреждения не накапливались. РЭ - цилиндр с внешней многозаходной (чаще всего трехзаходной) резьбой, срезаемой кольцевым ножом, перемещающимся поступательно в осевом направлении (рис. 3). Снижения разрушающего усилия не происходит.
ВАРИАНТ 3. Зависимость между усилием Р на предохранителе и напряжением ст в РЭ - нелинейная (рис. 4). При нормальных технологических нагрузках
Ртехн. *(0,6...0,7)-Р* (2)
напряжение в РЭ
®техн. « (0,3...0,4)-СТВ (3)
где ав - предел прочности материала РЭ (рис. 5).
Это значительно повышает усталостную прочность РЭ. При Р > Ртехн меняется
Рис. 3. Предохранитель прокатной клети. 1 - наружный цилиндр; 2 - внутренний цилиндр; 3 - буртик; 4 - сегменты многозаходной спирали; 5 - продольные разрезы; 6 - сменная вставка; 7 - режущая кромка; (3 - угол наклона режущей кромки.
0 <зтиа. ег* в
Рис. 4. Зависимость между усилием на кольцевом ПУ и напряжением в РЭ.
схема напряженного состояния РЭ. Напряжения в ней возрастают быстрее, чем
нагрузка; при Р = Р* наступает разрушение. РЭ представляет собой толстостенный цилиндр с продольными прорезями, разделяющими его на ряд брусьев, теряющих устойчивость при перегрузе. Вначале (при Р<Ртехн ) РЭ
испытывает только сжатие, затем при потере устойчивости - сжатие и изгиб. Такое ПУ испытано на моделях в лабораторных условиях. Результаты испытаний подтверждают малую чувствительность ПУ к циклическим нагрузкам при отсутствии перегрузок.
Рис.5. Кольцевое ПУ с продольными прорезями. ВЫВОДЫ
1. Традиционными методами можно добиться повышения усталостной долговечности РЭ в несколько раз, в то время как нетрадиционные методы, предлагаемые в данной работе, позволяют повысить усталостную долговечность РЭ в десятки и сотни раз.
2. Эксперименты подтвердили возможность создания ПУ с РЭ, в которых ус-
талостное разрушение будет полностью исключено. Это приближает упомянутые ПУ по точности и экономичности к автоматическим.
Перечень ссылок
1. Создание и внедрение защиты от поломок вспомогательного металлургического оборудования завода им. Ильича. Разработка системы защиты от поломок главной линии слябинга и ножниц для порезки слябов: Отчет о НИР (заключ.) / ЖдМИ; Руководитель Б. А. Ободоеский, - № ГР 72009179; Инв.
. №Б390420,- Жданов, 1974.-137с.
2. Артюх В. Г. Повышение точности срабатывания предохранителей с разрушающимися элементами // III регион, науч.-техн. конф.: Тез. докл.- Мариуполь, 1995.-Т.2.-С.38.
3. Ободоеский Б. А., Жукоеец А. П., Артюх Г. В. Влияние степени точности изготовления предохранительных муфт со срезными пальцами на стабильность величины выключающего момента // Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР: строительная механика и расчет сооружений,- 1974.-Выпуск 5.-С.27.
4. Патент 13827 Украша, МКВ В 21 В 33/00. Запоб1жний шпшдель приводу прокатно! клт.
5. Патент 2021859 Россия, МКИ В21В 33/00. Предохранительно-разгрузочное устройств о прокатной клети.
6. Патент 2021860 Россия, МКИ В21В 33/00. Предохранительное устройство прокатной клети.
