CC BY
30
D. S. Еzupenok, D. Zh. Isakova, G. B. Nurgalieva, P. О. Bykov Increasing plasticity of medium steels at rolling temperatures
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 15.12.14.
Мацалада узджаз-цуйма дайындамаларыныц yшiншi салцындатылуын илемдеу температурасымен жузеге асыру есебтде болаттыц илемдшгт арттыру мумктджтерЫц зерттеу нэтижелерi усынылган.
The article presents the results of studies on the possibility of increasing the elasticity of increasing the elasticity of the steel at rolling temperatures through the implementation of tertiary cooling of the continuosly cast bullet.
УДК 669.02/.09
Д. Г. Жанзаков, Ж. С. Жумаш, Т. Н. Романов, А. В. Богомолов
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Статья посвящена проблеме совершенствования конструкции металлургического оборудования по производству стальных бесшовных труб для нефтегазовой отрасли.
Ключевые слова: металлургическое оборудование, стальные бесшовные трубы, нефтегазовая отрасль.
ТОО «KSP Steel», первое казахстанское предприятие по производству стальных бесшовных труб для нефтегазовой отрасли, отличается широкой номенклатурой металлургического оборудования. В частности для производства гильз - полых трубных заготовок используется прошивной стан поперечно-винтовой прокатки.
Почти во всех групповых приводах станов винтовой прокатки в шестеренных клетях применяются зубчатые передачи шевронного типа. Опыт эксплуатации таких шестеренных клетей показал, что при работе интенсивно изнашиваются и часто ломаются зубья только одной части шестерни и колеса (со стороны электродвигателя), другая же половина шестерни и колеса практически не изнашивается. Кроме того, недостаточно работоспособны шпиндельные устройства, рассчитанные по передаваемому ими моменту [1, с. 130].
Как известно, при прошивке заготовок рабочие валки воспринимают осевые усилия, противоположные направлению прокатки. Величина этих усилий достигает 25-35 % от общего усилия металла на валки. Под действием осевых усилий рабочий валок смещается в сторону шестеренной клети, так как практически во всех известных конструкциях рабочих клетей в системе рабочий валок - кассета - барабан - станина имеются значительные зазоры. Считалось,
что возможность перемещения валков компенсируется подвижным шлицевым соединением шпинделя, благодаря чему исключаются осевые нагрузки на шпиндель и зубчатую передачу. Однако расчеты показывают обратное, поскольку при осевом перемещении в шлицевом соединении необходимо преодолеть значительное усилие защемления, определяемое по формуле:
2М О =--Г
! 1Ш1
Ы1Л
где dшл - диаметр шлицев по делительной окружности;
/шл - коэффициент трения в шлицевом соединении.
Применительно к прошивному стану ТПА при /шл = 0,2, Мр== 150 к№м и dшл = 200 мм величина Q3 составляет 300 кН. При таком усилии защемления не обеспечивается перемещение одной части подвижного соединения относительно другой и при прокатке система валок - шпиндель - зубчатое колесо смещается до упора в противоположные зубья ведущей шестерни. Поэтому в таких станах нагрузка от ведущей шестерни к рабочим валкам передается одной стороной зубьев, а вторая сторона зубьев в передаче нагрузок практически не участвует.
Осевые усилия прокатки неблагоприятно сказываются также на работоспособности шпиндельных устройств, поскольку они достигают величин, соизмеримых с усилиями, вызываемыми крутящим моментом прокатки.
Действительно, на прошивном стане ТПА при крутящем моменте прокатки, равном 150 к№м усилие в шарнирах шпинделей составляет 440 кН, а осевое усилие, действующее на шпиндель, достигает 250-300 кН.
Анализ показывает, что радикальным средством повышения работоспособности шестеренной клети и шпиндельных устройств является создание рабочих клетей, в которых было бы исключено осевое перемещение рабочих валков. Улучшить условия работы шестеренных клетей существующих прошивных станов можно применением в этих клетях косозубых передач. В этом случае обеспечивается нормальная работа зубчатых передач независимо от величины осевых усилий прокатки. Работоспособность шпиндельных устройств в таких станах повысится, если использовать такую конструкцию уравновешивающего устройства, которая компенсирует массу шпинделя, а также увеличить нагрузочную способность шпинделей [2, с. 208].
Проведенные исследования позволили рекомендовать для прошивного стана ТПА 30-102 косозубую передачу вместо шевронной при создании новой шестеренной клети. Применение косозубой передачи наряду с увеличением межцентрового расстояния с 1000 до 1300 мм повышает работоспособность клети в 4-5 раз. Конструкция шестеренной клети выполнена согласно разработанным выше рекомендациям с поворотом ее относительно оси прокатки.
Шпиндельные устройства в приводах прокатного оборудования работают в очень тяжелых условиях. При крайне ограниченных габаритах и значительных перекосах в шарнирных муфтах они передают большие динамические нагрузки.
Большое распространение в прокатном производстве получили универсальные шпиндели с шарниром трения скольжения, отличающиеся высокой прочностью
25
шарнирных элементов и компактностью. Однако из-за больших удельных давлений в подшипниках и отсутствия совершенных средств подачи смазки такие шарниры быстро изнашиваются. Частая замена бронзовых вкладышей приводит к простоям, а следовательно, к снижению производительности оборудования. Кроме того, работа на шпинделях с подшипниками скольжения сопровождается резким ухудшением динамической характеристики привода и стана в целом. Эти недостатки универсальных шпинделей усугубляются при высоких скоростях работы, характерных для современных прокатных станов [3, с. 326].
На данный момент разработана новая конструкция шпиндельных устройств на подшипниках качения для прокатных станов, выгодно отличающихся от известных следующими особенностями:
1) углы перекоса шарнирных муфт могут быть практически любыми;
2) стойкость подшипниковых узлов достаточно высока;
3) шпиндели легко и быстро соединяются с прокатными валками;
4) в подшипниковых узлах хорошо удерживается смазка;
5) конструкция хорошо центрируется и проста в эксплуатации.
Большая грузоподъемность подшипниковых узлов достигается благодаря рациональной конструкции шарнирных муфт: подшипниковые узлы расположены у наружной поверхности муфты, благодаря чему удается установить мощные подшипники. Шпиндельное устройство состоит из двух шарнирных муфт, промежуточного вала и двух фланцев, один из которых соединяется с валом прокатного валка, а второй - с валом шестеренной клети. Шарнирная муфта состоит из двух полумуфт, цельной крестовины и четырех подшипниковых узлов.
Наружные кольца подшипников монтируются в проточках проушин полумуфт, а внутренние - на пальцах крестовины. Торцы проушины имеют прямые срезы, причем ширина проушин в каждой полумуфте на 6-10 мм меньше расстояния между ними. Такое исполнение позволяет не только упростить изготовление полумуфт, но и обеспечить удобную сборку и разборку шарнирных муфт. Работоспособность шпинделей и стабильность работы станов (особенно трубопрокатных) в большой степени зависит от точности центровки вращающихся масс.
В описываемой конструкции центровка полумуфт достигается тем, что кольца одного из противоположных подшипников установлены фиксированно; при этом наружное кольцо упирается в бурт полумуфты, а внутреннее прижимается к выступу крестовины. Расстояние от оси до выступов при изготовлении выдерживают строго определенным. Зазоры в подшипниках регулируют перемещением внутреннего кольца противоположного подшипника.
В предложенной конструкции [4, с. 2-3] шпинделя с наружной стороны, куда отбрасывается смазка при вращении, применена глухая крышка, а с внутренней - стандартное резиновое уплотнение.
Важным конструктивным элементом в шпиндельных устройствах на подшипниках качения является соединение шарнирных муфт с фланцами. В известных шпиндельных устройствах соединение муфт с фланцами осуществляется при помощи вкладных болтов. Для центровки этих деталей используются посадочные кольцевые замки. 26
В рассматриваемом шпинделе муфты соединяются с фланцами и центрируются при помощи клинового устройства (рисунок 1), состоящего из пальца 1, который входит в отверстие муфты 2 и фланца 3, клина 4, врезанного в палец, пружин 5 и гайки 6, Передача крутящего момента между соединяемыми деталями осуществляется специальными замками. Предварительное сжатие пружин 5 обеспечивает постоянное плотное прилегание торцов муфт и фланцев и тем самым исключает возможность разрушения соединения во время работы.
Такая конструкция позволяет упростить и в несколько раз ускорить операции соединения шпиндельных устройств и прокатных валков. Так, перевалку валков прошивного стана 30-102 со шпинделями прежней конструкции осуществляли за 2,5-3 ч, а перевалку валков того же стана со шпинделями новой конструкции выполняют всего за 1,0-1,5 ч. [5, с. 4-6].
Известно несколько способов соединения полумуфт и фланцев шпинделей с валками: шпоночное, шлицевое, четырехгранное, по прессовой посадке и др. Результаты промышленной эксплуатации показали, что шлицевые соединения при работе быстро изнашиваются, а четырехгранное соединение трудно осуществить и отцентрировать.
Рациональным оказалось соединение со срезанными лысками или шпоночное. Они обеспечивают надежную центровку деталей, просты в изготовлении и при соответствующем соотношении длины к диаметру (не менее 1, 2) надежны в работе.
Часто концы валов прокатных валков, на которые насаживаются фланцы шпинделя, делают укороченными. В этом случае даже соединение, выполненное со срезанными лысками или со шпонками, в работе недостаточно надежно.
В связи с этим рекомендуется применять для посадки фланцев на валы прокатных валков бесшпоночное неподвижное соединение монтируемое и демонтируемое с помощью гидрораспора.
В настоящее время на основе рассмотренной конструкции шпиндельного устройства на подшипниках качения разработаны различные модификации.
В частности, имеется шарнирная муфта с комбинированными подшипниковыми узлами, в которых восприятие радиальной нагрузки осуществляется радиальными подшипниками 1, а осевых - упорными подшипниками 2. Долговечность подшипниковых узлов в шарнирной муфте такой конструкции в четыре-пять раз превышает долговечность подшипниковых узлов рассмотренного шпинделя.
Рисунок 1 - Клиновое устройство
Станы винтовой прокатки длительное время изготовлялись с групповым приводом, в составе которого имеются электродвигатель переменного или постоянного тока, главный шпиндель, шестеренная клеть и универсальные шпиндели. Широкое распространение групповых приводов объясняется наличием в них жесткой кинематической связи между валами, которую обеспечивает шестеренная клеть, компактностью привода и меньшей мощностью электродвигателя по сравнению с суммарной мощностью электродвигателей индивидуальных приводов.
Станы винтовой прокатки ранее проектировали на небольшую производительность, электродвигатели имели сравнительно малую мощность, установка углов подачи в них не превышала 10-12°. В таких станах было оправдано применение группового привода.
В современных станах винтовой прокатки с мощными электродвигателями целесообразно применять индивидуальные приводы. Особенно рациональна установка таких приводов при работе станов на больших углах подачи, поскольку в этом случае значительно проще обеспечивается равномерность скоростей вращения прокатных валков при небольших (до 8-10°) углах перекоса в шарнирных муфтах. В настоящее время применяют две разновидности индивидуальных приводов - с редукторами и без редукторов. В последнем случае между главным и универсальным шпинделями применяют дополнительную опору.
Положение привода в станах винтовой прокатки определяется конструктивными особенностями рабочей клети и прежде всего углом раскатки рабочих валков.
В прошивных станах с бочковидными валками, в которых отсутствует угол раскатки, привод может быть размещен как на входной, так и на выходной стороне. Однако с точки зрения удобства обслуживания стана (смена рабочего инструмента, выполнение операции настройки и т. д.), а также рационального размещения оборудования предпочтительнее расположение привода на входной стороне.
Наличие углов раскатки ограничивает выбор положения привода. Как известно, в станах, имеющих угол раскатки, шпиндельные устройства соединяются с рабочими валками со стороны больших подшипниковых опор. Этим обусловлено положение главного привода на выходной стороне стана с грибовидными валками, что затрудняет обслуживание из-за отсутствия свободного подхода к очагу деформации [6, с. 375].
Выводы:
1. Проведен краткий литературный обзор и патентный поиск по проблеме совершенствования конструкции металлургического оборудования, а именно - прошивных станов трубопрокатного производства.
2. Установлено, что наиболее удачное расположение оборудования и удобное обслуживание обеспечиваются в станах с чашевидными валками. В этом случае привод, размещаемый на входной стороне, можно оборудовать более мощными, чем в бочковидных станах, шпиндельными устройствами, а на выходной стороне открывается свободный подход к рабочим органам клети, благодаря чему появляется возможность быстрой смены рабочего инструмента и упрощается настройка стана.
3. В рамках действующего филиала кафедры металлургии на ТОО «KSP Steel» на предлагаемые технические решения рекомендуется разработать конструкторскую документацию в специальной части дипломных проектов студентов образовательной программы 5В072400 «Технологические машины и оборудование».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Сержанов, Р. И., Богомолов, А. В. Формирование прокатного производства в Павлодаре: проблемы и перспективы. - Наука и техника Казахстана. - №3. - 2005. - C. 128-135.
2 Давильбеков, Н. Х. Оборудование прокатных цехов: Учебник. - Алматы : КазНТУ, 2002. - 243 с.
3 Королев, А. А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов: Учебник для вузов. 4-е изд. перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1987. - 480 с.
4 Описание изобретения к патенту РФ №2387500. Способ производства бесшовных труб на агрегатах с прошивными станами. ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».
5 Описание изобретения к патенту РФ №2386494. Стан поперечно-винтовой шаговой прокатки. ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».
6 Технология трубного производства: Учебник для вузов/ В. Н. Данченко, Коликов А. П., Романцев Б. А. - М., 2002. - 640 с.
Материал поступил в редакцию 15.12.14.
Д. Г. Жанзаков, Ж. С. Жумаш, Т. Н. Романов, А. В. Богомолов
Металлургияльщ к^рал-жабдьщтарыныц к^растырылымдылыгын жетшд1ру
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 15.12.14 ,баспаFа тYстi.
D. G. Zhanzakov, Zh. S. Zhumash, T. N. Romanov, A. V. Bogomolov
Improving the design of metallurgical equipment
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 15.12.14.
Макала болатты ттсаз цубырларыныц eHdipici бойынша муцайгаз саласы ушт металлургиялыц курал-жабдыцтарыныц курастырылымдылыгын жетiлдiру мэселелерiне арналады.
The article is devoted to improving the design of metallurgical equipment for the production of seamless steel tubes for the oil and gas industry.
