CC BY
24
3 (84), 20161
УДК 621.771.014.2
Поступила 13.06.2016
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ПРОКАТКИ ПОЛОСЫ В ВАЛКАХ НЕРАВНОГО ДИАМЕТРА С ФИКСАЦИЕЙ КОНЦЕВОГО УЧАСТКА
DEFINITION OF CONDITIONS OF STRIP'S ROLLING IN ROLLS OF UNEQUAL DIAMETER WITH FIXING OF AN ENDING ELEMENT
Л. А. ИСАЕВИЧ, Д. М. ИВАНИЦКИЙ, М. Л. НЕСТЕРОВИЧ, Белорусский национальный технический
университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: [email protected]
L. A. ISAEVICH, D. M. IVANICKIJ, M. L. NESTEROVICH, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. E-mail: [email protected]
Предложена схема прокатки полосы переменной толщины с изгибом концевого участка. Определены условия прокатки полосы по предложенной схеме при изготовлении чеки тормозной колодки железнодорожного транспорта. Получены выражения для расчета крутящего момента на ведущем и ведомом валках. Выведены уравнения для расчета переднего натяжения и тянущего усилия на оправке с целью осуществления стабильного процесса прокатки.
The scheme of strip's rolling with variable thickness and with a bend of a trailer site is offered. Conditions of strip's rolling on the offered scheme at production of a brake shoe pin of railway transport are defined. Expressions for calculation of torsion torque on the leader and a permission rolls are defined. Equations for calculation of a forward tension and the pulling effort on a frame are defined.
Ключевые слова. Ассиметричная прокатка, крутящий момент, переднее натяжение, тянущее усилие. Keywords. Аsymmetric rolling, torsion torque, forward tension, pulling effort.
В настоящее время Белорусская железная дорога закупает на предприятиях Украины и России чеку тормозной колодки . В НИЛ ОМД БНТУ была разработана технология изготовления чеки тормозной колодки с использованием процесса прокатки на калиброванной оправке . На рис . 1 приведена схема процесса изготовления заготовки чеки тормозной колодки [1], заключающегося в том, что нагретую заготовку 1 устанавливают в зазор на калибрующей оправке 2 и фиксируют кулачковым зажимом 3 с помощью поворота рычага 4. Калибрующая оправка затягивается приводными валками 5 и 6 в зазор между ними, причем верхний валок изгибает и укладывает заготовку 1 на калибрующую оправку 2 и прокатывает переменный профиль . Затем поворотом рычага 4 отжимают кулачковый зажим 3 и снимают прокатанную заготовку переменного по длине профиля с изогнутым ее концевым участком . Снижение уширения получаемого изделия достигается передним натяжением заготовки в момент прокатки, что в свою очередь обеспечивается рассогласованием скоростей валка и калибрующей оправки . Это осуществляется за счет того, что верхний валок контактирует с оправкой ребордами, а бочка валка меньшего диаметра катится по заготовке . Из этого можно сделать вывод, что предложенная технология сочетает в себе сложный процесс прокатки, а именно:
• прокатка в приводных валках неравного диаметра (в нашем случае оправку принимаем за валок диаметром, равным бесконечности);
• прокатка полосы с рассогласованием скоростей деформирующего инструмента, поскольку это обусловлено тем, что бочка верхнего валка катится по заготовке, а нижний валок и реборды верхнего валка воздействуют на оправку и придают ей линейную скорость, равную окружной скорости нижнего валка и реборд верхнего валка;
• прокатка полосы переменного профиля с передним натяжением, что обусловлено фиксацией заготовки кулачковым зажимом 3.
При выбранной схеме прокатки вследствие разных окружных скоростей бочки верхнего валка и оправки, перемещаемой за счет вращения нижнего валка, нижний и верхний валки воспринимают раз-
100/
3 (84), 2016-
Рис . 1 . Схема прокатки полосы с рассогласованием окружных скоростей деформирующего инструмента и фиксацией концевого участка: 1 - заготовка; 2 - калибрующая оправка; 3 - кулачковый зажим; 4 - рычаг; 5 - верхний валок; 6 - нижний валок
личные по величине крутящие моменты . Распределение общего крутящего момента между валками при прокатке с рассогласованием окружных скоростей рассмотрено А . И . Целиковым и в [2-4] . В этом случае (рис . 2) возникающие горизонтальные силы Рх, которые взаимно уравновешиваются, вызывают отклонение равнодействующих сил Р от плоскости прокатки . При данной схеме также уравновешиваются силы контактного трения т на поверхностях верхнего и нижнего (оправки) валков .
С увеличением коэффициента рассогласования скоростей ^ = также увеличивается угол отклонения равнодействующих сил . В данном случае валок, вращающийся с большей скоростью будем называть ведущим, а валок, вращающийся с меньшей скоростью (Р2), - ведомым .
Момент прокатки на ведущем валке будем считать равным работе деформации на этом валке . Определим работу, совершаемую ведущим валком . Для этого вначале рассмотрим процесс симметричной прокатки
Силу трения на элементарной площадке контактной поверхности можно определить по выражению [2]
dF = тbRd а,
(1)
где Ь - ширина элементарной площадки контактной поверхности; Rda - длина элементарной площадки контактной поверхности
Согласно [2], выражение для нахождения работы элементарной силы трения dF в зоне отставания можно записать в виде
dA = \тЬЯ 2 d а.
(2)
Аналогично для зоны опережения:
dA" = ¡тЬЯ2 d ^а.
о
(3)
Затрачиваемая работа dA' в зоне отставания будет положительной ввиду передачи энергии в направлении от валка к полосе . В зоне опережения работе dA" следует присваивать отрицательный знак, так
X
Рис . 2 . Схема прокатки с рассогласованием окружных скоростей валков
аггг.^г: гг.гттлтгг
& / 101
-3 (84), 2016
как энергия будет передаваться от полосы к валкам . Учитывая знаки работы в зонах опережения и отставания, запишем выражение для определения суммарной работы сил контактного трения:
dA = dA'-dA" = 2tbR 2 d у
fa у Л
(4)
^ а - 2jd а
и о
Получим выражение для определения работы, совершаемой валком, проинтегрировав выражение (4) и пренебрегая бесконечно малой величиной d у:
А = 2тЬД 2 (а - 2у). (5)
Если учесть, что т = /а5, запишем выражения для определения крутящего момента при асимметричной прокатке на ведущем и ведомом валках соответственно:
МКР1 = 2/ а^2 (а1 - 2У1),
мкр2 = 2/а!ЬЯ2 (а 2 - 2у2 ) .
При предельном рассогласовании окружных скоростей валков У1 = 0 и у2 = 2у, тогда
Мкр1 = 2/а^а1, Мкр2 = 2/а3ЬЯ2 (а2 - 4у) , (6)
где а^ - предел текучести металла; /- коэффициент контактного трения . Положение нейтрального сечения определяется как [2, 5]:
а
у = — 2
( а > 1 - — 2 f
(7)
Тогда с учетом изложенного выше окончательно запишем выражения для определения крутящего момента на ведущем и ведомом валках соответственно
мкр1 = 2Ь'а 1а,
МКр2 =2 fbR
2
а
f
-а
(8)
Согласно выражениям (8), крутящий момент на ведомом валке МКр2 может иметь отрицательное значение, поскольку на поверхности контакта металла и валка преобладает зона опережения над зоной отставания и энергия передается от полосы к валку. В данном случае отрицательный знак крутящего момента оказывает негативное влияние на процесс прокатки и приводит к износу поверхности ведомого валка. Устранить негативное влияние крутящего момента при ассиметричной прокатке можно применением переднего натяжения полосы . В нашем случае переднее натяжение регламентируется рассогласованием скоростей деформирующего инструмента и фиксацией заготовки кулачковым зажимом (см . рис . 1) . Для того чтобы обеспечить стабильность процесса и предотвратить переход прокатки в процесс волочения, необходимо рассчитать суммарное значение тянущего усилия на профилированной оправке (рис . 3) .
Согласно нашей схеме, в очаге деформации возникает сила нормального давления N металла заготовки на калибрующую оправку, и подпирающая сила fN, действующая на поверхность контакта заготовки и калибрующей оправки . Поскольку рабочая поверхность оправки выполнена с углом в к направлению прокатки, у силы N возникают составляющие: вертикальная P - усилие давления металла и горизонтальная P tg в - подпирающее усилие, а у силы трения fN - горизонтальная подпирающая сила fNcos p. Также возникает горизонтальное тянущее усилие деформирования металла T, обусловленное фиксацией концевого участка полосы на оправке (см . рис . 1). В связи с этим суммарное значение тянущего усилия на профилированной оправке будет равно
T, = T + T + T = f°slb + P tg p + fN cos p, (9)
где T = f <5slb - горизонтальное тянущее усилие деформирования металла на оправке; T1 = Ptg p - подпирающее усилие давления металла заготовки от вертикальной составляющей нормальной силы давления N; T2 = fN cos p - подпирающая сила трения от нормального давления металла заготовки на калиброванную оправку.
Ш1 wrr^K ктглжгг.ь
I 3 (84), 2016-
R, / At
V \-«2~ \Д h=2) S- т г- =Л\г у т -- ш__
/ г
/У а' / /р / ь=о ^ тч L___
Рис . 3 . Схема прокатки с натяжением полосы
Рис . 4 . Силы, определяющие тянущее усилие прокатки на оправке
Если принять, что N=P /cos Р, P = aslb (где l - проекция дуги захвата; b - ширина прокатываемой полосы), то выражение (9) примет вид
Tz = faslb + vjb tg P + faslb = vslb (2 f + tg p). (10)
Из рис . 4 видно, что усилие натяжения уменьшится на величину горизонтальной подпирающей силы fN cos Р и P tg Р и будет равно горизонтальному тянущему усилию деформирования металла T.
Стабильность процесса прокатки с рассогласованием скоростей и передним натяжением полосы будет обеспечена при соблюдении условия
Tz R2 > MKp2. (11)
С учетом выражения (8) получим зависимость для тянущего усилия прокатки на оправке
(„2 Л
Tz > 2 fbR,
a
f
-a
(12)
/
С другой стороны, для реализации процесса прокатки полосы с рассогласованием скоростей и передним натяжением требуется сообщить определенное тянущее усилие профилированной оправке . Это можно реализовать, воздействуя ребордами верхнего валка и нижним валком силой Q на оправку и заготовку. Таким образом, возникает тянущее усилие TQ (рис . 5) . Очевидно, что сила Q задается нажимными винтами прокатной клети (рис . 5) . При этом она должна компенсировать распорное усилие Р между валками и обеспечить такой прижим реборд к оправке, чтобы возникло тянущее усилие TQ :
ггл-г: г: г^тштй / щч
-3 (84), 2016/ Ши
Рис . 5 . Действие усилий от реборд к оправке
=ал,
(13)
где Ql = Q - Р; /1 - коэффициент трения между оправкой и валками .
Усилие Р найдем делением Мкр2 на проекцию дуги захвата I при предельном рассогласовании скоростей:
Р =
2/ЬЩ.
кр2
( 2 а2
/
\
-а
I
^а2
= 2Щ7
(а ^ 2 - 1
/
(14)
Как уже отмечалось ранее, сжимающая сила Q предназначена для реализации процесса прокатки с передним натяжением, а стабильность процесса прокатки в свою очередь будет обеспечена при соблюдении условия (12) . Таким образом, можно записать
2Те = ТЕ .
(15)
Цифра 2 говорит о том, что сила TQ возникает со стороны обоих валков .
С учетом выражений (12) и (15) можно записать выражение для определения тянущей силы TQ для осуществления стабильного процесса прокатки полосы с рассогласованием окружных скоростей деформирующего инструмента и фиксацией концевого участка
TQ > /ЬЯ2
( 2 01
/
--О
(16)
Таким образом, можно сделать вывод, что для осуществления стабильного процесса прокатки полосы с рассогласованием окружных скоростей деформирующего инструмента и фиксацией концевого участка необходимо соблюдение двух условий:
1. Определенная величина тянущего усилия на оправке, которую находим по формуле (12) .
2. Величина тянущей силы, приходящейся на каждый из валков, которую находим по формуле (16) . В противном случае, при несоблюдении условия определенной величины усилия на оправке процесс
прокатки может перейти в процесс волочения При несоблюдении условия величины тянущей силы, приходящейся на реборду каждого из валков, процесс прокатки прекратится и произойдет буксование реборд по оправке
Литература
1. Исаевич Л. А. Технология изготовления полосовых заготовок переменной толщины с использованием локального изгиба / Л. А . Исаевич, В . А . Король, М . И . Сидоренко, Д. М . Иваницкий, В . И . Пушкевич // Материалы Междунар . науч . -техн . конф . профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БНТУ Минск: БНТУ, 2013 . 343 с .
2. Выдрин В. Н. Динамика прокатных станов . Свердловск: Металлургиздат, 1960 . 255 с .
Ш/^ггпгг: rfTcrj^crr.f,
I 3 (84), 2016-
3 . Степаненко А. В. Кинематические и силовые параметры прокатки с критическим рассогласованием окружных скоростей валков / А . В . Степаненко, Ю . В . Карпицкий, Л . А . Смирнова // Докл . НАН Беларуси . 1999 . Т 43, № 5 .С . 111-113 .
4. Степаненко А. В. Прокатка полос с критическим рассогласованием окружных скоростей валков / А . В . Степаненко, Л. А . Исаевич, Ю . В . Карпицкий, Л. А . Смирнова // «Технология 99»: Материалы 6-й Междунар . науч. -техн. конф . Братислава (Словакия), 1999 . Ч. 1. С . 417-420.
5 . Степаненко А. В. Прокатка полос переменного профиля / А . В . Степаненко, В . А . Король, Л. А . Смирнова. Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2001. 180 с .
References
1. Isaevich L. A. Tehnologiya izgotovleniya polosovyh zagotovok peremennoi tolschiny s ispolzovaniem lokalnogo izgiba [Manufacturing techniques of variable thickness strips with use of a local bend . ]. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tehnicheskoy konferencii profesorov, prepodavatelei, nauchnyh rabotnikov, aspirantov i studentov BNTU = Materials of the international scientific and technical conference of professors, teachers, scientists and graduate students. Minsk, BNTU, 2013, p . 343 .
2 . Vydrin V. N. Dinamikaprokatnyh stanov [Dynamics of rolling mills] . Sverdlovsk, Metallurgizdat Publ . , 1960, 255 p .
3. Stepanenko A. V, Karpickij Ju. V., Smirnova L. A. Kinematicheskie i silovye parametry prokatki s kriticheskim rassoglaso-vaniem okruzhnyh skorostej valkov [Kinematic and force parameters of rolling with the critical misalignment of the circumferential speeds of the rolls], Doklady NAN Belarusi = Reports of the national Academy of Sciences of Belarus, 1999, vol . 43, no . 5, pp . 111-113 .
4 Stepanenko A. V., Isaevich L. A., Karpickij Ju. V., Smirnova L. A. Prokatka polos s kriticheskim rassoglasovaniem okruzhnyh skorostej valkov [The rolling of a strip with the critical misalignment of the circumferential speeds of the rolls], «Tehnologija 99»Materialy 6-oj Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii = «Technology 99» Materials of 6th International scientific-technical conference . Bratislava (Slovakia), 1999, p. 1, pp . 417-420.
5 . Stepanenko A. V, Korol' V. A., Smirnova L. A. Prokatka polosperemennogoprofilja [The rolling of a strip with variable profile]. Gomel, Institute of mechanics of metal-polymer systems of the National Academy of Sciences of Belarus Publ . , 2001, 180 p .
