CC BY
11
ТЕХНОЛОГИИ
И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ TECHNOLOGIES
AND MACHINES FOR FORMING
2.5.7 ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
TECHNOLOGIES AND MACHINES FOR FORMING
DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-154-160
Совершенствование привода прокатного стана 2000
на ПАО «Северсталь»
А.А. Герасимова3 ©, М.В. Васильев'3 ©, В.А. Наговицынс ©
Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г. Москва, Российская Федерация
a E-mail: allochka@rambler.ru b E-mail: mv@karfidovlab.com, c E-mail: nagovitsin.91@mail.ru
Аннотация. Целью научной работы является модернизация шестеренной клети стана горячей прокатки 2000 на ПАО «Северсталь», что позволит повысить срок службы привода в целом. Метод совершенствования приводов заключается в модернизации шестеренной клети, а именно в замене шевронного зацепления c повышенным классом точности изготовления и контактной прочности зубчатых передач, при неизменных габаритах фундаментов. В результате выполненных расчетов установлено: увеличение срока службы за счет материала, средний срок службы шевронного зацепления из марки стали 12ХН3А составляет 8,2 года, возможность уменьшения ширины зубчатого зацепления. При расчете на контактную прочность расчетное значение составило 872,9 МПа, что не превысило допустимое 1209,6 МПа. Нагрузочная способность при изгибе также показала, расчетное значение 116,8 МПа, не превышающее допустимое 458,1 МПа. У спроектированного зубчатого зацепления, где был изменен модуль, количество зубьев и ширина зубчатого венца, обеспечена усталостная выносливость.
Ключевые слова: прокатный стан, шестеренная клеть, изгиб, модуль зацепления, модернизация
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Герасимова А.А., Васильев М.В., Наговицын В.А. Совершенствование привода прокатного стана 2000 на ПАО «Северсталь» // Computational nanotechnology. 2022. Т. 9. № 1. С. 154-160. DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-154-160
DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-154-160
Improving the Drive of the Rolling Mill 2000
at PJSC Severstal
A.A. Gerasimovaa ©, M.V. Vasilievb ©, V.A. Nagovitsync ©
National Research and Engineering University "MISIS", Moscow, Russian Federation
a E-mail: allochka@rambler.ru b E-mail: mv@karfidovlab.com, c E-mail: nagovitsin.91@mail.ru
Abstract. The purpose of the scientific work is to modernize the gear cage of the hot rolling mill 2000 at PJSC Severstal, which will increase the service life of the drive as a whole. The method of drive modernization consists in the modernization of the gear cage, namely, the replacement of the chevron engagement with an increased class of manufacturing accuracy and contact strength of gears, with the same dimensions of the foundations. As a result of the calculations performed, it was found: an increase in service life due to the material, the average service life of the chevron engagement made of steel grade 12KHN3A is 8.2 years, the possibility of reducing the width of the gear engagement. When calculating the contact strength, the calculated value was 872.9 MPa, which did not exceed the permissible 1209.6 MPa. The bending load capacity also showed an estimated value of 116.8 MPa, not exceeding the permissible 458.1 MPa. The designed gear engagement, where the module, the number of teeth and the width of the gear ring were changed, has fatigue endurance.
Key words: rolling mill, gear cage, bending, engagement module, modernization
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день, актуальной остается тема модернизации привода клетей и повышение их работоспособности и безотказной работы, а также внедрение новых систем управления, так как с каждым годом возрастает объем производства горячекатаного листа и помимо этого увеличивается спрос на листы из трудно деформируемых сплавов, что приводит к быстрому износу транзитной линии.
ПАО «Северсталь» является международной вертикально-интегрированной группой, которая производит листы и трубы горячего и холодного проката. Горячекатаный лист является заготовкой для цехов холодного проката. Однако так же может использоваться как отдельная продукция для продажи. Производство плоского проката происходит в цехах, которые условно делятся на цеха горячего плоского проката и цеха, предназначенные для холодной прокатки.
Прокат горячих листов проходит в нескольких листопрокатных цехах, а именно ЛПЦ-1 и ЛПЦ-2, которые являются основными мощностям по производству данного продукта.
Листопрокатные станы занимают лидирующее место в производстве стали [1-3], при этом с развитием технологий растет спрос на данный вид продукции.
Наряду с этим постоянное расширение сортамента прокатываемой продукции с выпуском листов из сплавов, которые требует больших усилий для деформации. Из этого следует, что повышается износ механических деталей главной линии: редукторы, шестеренные клети, универсальных шпинделей, подшипников.
Экспериментальные исследования показывают, что постоянные нагрузки приводят к усталостному характеру разрушения деталей трансмиссии, а именно: поломки зубчатых зацеплений, поломки рабочих валков по шейкам и головкам шпинделей. Усталостная поломка зубьев - основной дефект в зубчатом зацеплении [4-6].
Актуальной темой является модернизация привода клетей и повышение их работоспособности и безотказной работы, а также внедрение новых систем управления.
Одним из методов модернизации приводов заключается не в замене всей транзитной линии, а в модернизации отдельных элементов системы. При модернизации шестеренной клети происходит замена шевронного зацепления с повышением класса точности и контактной прочности зубчатых передач, при неизменных габаритах фундаментов, и уменьшение ширины зубчатого колеса. Окупаемость высокой стоимости материалов, использованных для замены шевронного зацепления, произойдет за счет увеличения срока службы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью научной работы является модернизация шестеренной клети стана горячей прокатки 2000 на ПАО «Северсталь», что позволит повысить срок службы привода в целом. Метод совершенствования приводов заключается в модернизации шестеренной клети, а именно в замене шевронного зацепления с повышенным классом точности изготовления и контактной прочности зубчатых передач, при неизменных габаритах фундаментов. Дополнительно
TECHNOLOGIES AND MACHINES FOR FORMING
к этому рассмотрение варианта уменьшения ширины зубчатого колеса, для снижения материальных затрат и уменьшение массы данного элемента шестеренной клети.
Шестеренная клеть входит в состав главной линии прокатного стана и предназначена для разделения крутящего момента с последующей передачей вращения к приводным валкам через универсальные клети.
Главная линия прокатного стана (рис. 1) содержит основное оборудование для передачи крутящего момента к приводным валкам, в стане 2000 приводными валками являются рабочие валки.
В стане горячей прокатки 2000 насчитывается всего 12 горизонтальных рабочих клетей, из них черновая группа с 1
по 5 и чистовой группы с 6 по 12. Все рабочие клети чистовой группы является четырехвалковыми (два опорных и два рабочих валка) [7].
Все клети «кварто» имеют индивидуальный привод, усилия прокатки в каждой клети предается от электродвигателя и шестеренной клети. Данный метод передачи момента необходим, так как, во-первых, необходимо обеспечивать заданную скорость и усилия прокатки для получения прокатанного листа стали с разным химическим составом и толщиной. Во-вторых, из-за непрерывности прокатки, то есть прокатываемый лист находится во всех клетях одновременно, необходимо обеспечивать натяжения полосы за счет скорости.
- 1 / 1 1 1 --I--1 1 1 1 --
1
1
]-=
Рис. 1. Главная линия прокатного стана 2000: 1 - рабочая клеть «кварто»; 2 - уравновешивающие устройство для шпинделей; 3 - универсальные шпиндели; 4 - шестеренная клеть; 5 - моторная муфта; 6 - двухъякорный электродвигатель постоянного тока
Fig. 1. Main line of mill 2000:
1 - working cage "quarto"; 2 - balancing device for spindles; 3 - universal spindles; 4 - gear cage; 5 - motor coupling; 6 - dual-core DC electric motor
Передача приводным валкам вращения и моментов осуществляется за счет безредукторного привода от электродвигателя постоянного тока через шестеренную клеть и универсальных шпинделей. Дополнительно предусмотрены муфты предельного момента и промежуточный вал. Крутящий момент от электродвигателя через промежуточный вал и муфту передается на шестеренную клеть, которая предназначена для разделения крутящего момента и передачи вращения далее на универсальные шпиндели, которые шарнирно соединены с рабочими валками.
Основными элементам шестеренной клети (рис. 2) является: станина (со съемной крышкой), шестерни, подшипники и подушки. Из-за того, что зубья нарезаются сразу на вал, используется другое название для шестерни - шестеренные валки.
Шестеренные валки изготавливают из марок стали 40ХН [8] с поверхностной закалкой зубьев. Обязательно предусмотрено система жидкой смазки для шевронного зубчатого зацепления, а также уплотнений, которые предотвращают
попадание смазочного материала на фундамент из-за негативного воздействия.
Шестеренные валки, не модернизированной шестеренной, клети имеют исходный контур: т = 28 мм, z = 32, А = 1000 мм и шириной зубчатого венца Ьт = 1600 мм. Материал шестерен 40ХН с поверхностной закалкой зубьев и с классом точности 2 или 3.
Одним из критериев безотказной работы является средний ресурс. Исследования показывают, что средний ресурс данного материала t = 0,5 года [9]. Снижение показателя среднего ресурса происходит за счет значительного повышения нагрузок, которые в свою очередь возникают из-за увеличения сортаментов трудно деформируемых материалов. Из этого следует, что необходимо подбирать новый материал для шестеренных валков. В нашем случае подбираем материал цементируемую сталь 12ХНЗА, которая применяется для ответственных нагруженных шестерен разного модуля, работающие с большими нагрузками и средний ресурс, которой составляет 8,2 года.
5
Рис. 2. Схема шестеренной клети с межосевым расстоянием 1 м:
1 - станина; 2 - подшипники скольжения; 3 - шестеренный валок
Fig. 2. Diagram of a gear stand with a center distance of 1 m:
1 - bed; 2 - plain bearings; 3 - gear roll
Массовые доли элементов стали 12ХН3А: 0,09-0,16% С, 0,17-0,37% Si, 0,6-0,9% Сг, 2,75-3,15% 0,3-0,6% Мп.
Основными параметрами шестерен шестеренной клети являются межосевое расстояние, начальный диаметр, число зубьев, и ширина шестерни. При проектировании данные параметры выбираются в зависимости от стана в соответствии с ГОСТ 3705-56. В нашем случае предметом исследования является шевронное зацепление без изменения межосевого расстояния. Далее необходимо провести проверочные расчеты на прочность и усталость контактных поверхностей, так как при эксплуатации чаще всего происходит разрушение активных контактных поверхностей [10; 11].
Геометрические параметры зубчатого зацепления осуществлялся согласно ГОСТ 21354-87 в порядке, представленном ниже.
Подбираем ширину венца, с учетом заданного межосевого расстояния:
b = ф. a = 1 • 1,000 = 1,000 мм
w т ba w ' '
(1)
где Ьш - ширина венца, мм; фЬа - коэффициент ширины зубчатого венца [12]; аш - межосевое расстояние, мм.
Исходная ширина зубчатого колеса 1600 мм, так как подобранный нами материал имеет прочность выше, то предлагается сделать узкий по ширине зубчатый венец коэффициент, которого от 1 до 1,6.
Определяем модуль зацепления:
т = (0,016-0,0351^ = 0,025 • 1,000 = 25 мм (2)
где т - модуль зацепления, мм.
Выбираем модуль в соответствии со стандартным рядом т = 25 мм [13].
Подбираем угол наклона линии зуба:
b,„ >-
4m
sinß'
(3)
где в - угол наклона линии зуба, град. Из условия находим, что в = 30°. Рассчитываем суммарное количество число зубьев:
2 о, cos ß 2 ■ 1000 ■ cos 30
zs -- =-= 69 я 70,
m 25
(4)
где хг - суммарное число зубьев.
Так как в шестеренной клети шестерня и колесо имеют одинаковое количество зубьев, то г = г2 = 35. Уточняем значение угла наклона линии зуба:
zym 70 ■ 25
cos В = -^ =-,
2aw 2 1000
Из данного уравнения угол получаем, что в = 29°.
(5)
TECHNOLOGIES AND MACHINES FOR FORMING
Рассчитываем: • делительные диаметры d± и d2 (мм)
z1m
d1 = d2 =-,
cosp
начальные диаметры и Л (мм) d = d = Л;
W1 W2 1
диаметры вершин зубьев Л и Л (мм) d = d = d, + 2т;
01 02 1
диаметры впадин Л и Л, (мм)
/1 /2
Л = Л = Л. + 2,5т.
/1 /2 1
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
(6)
(7)
(8) (9)
Спроектированное зубчатое зацепление должно удовлетворять критериям работоспособности. Шестерные валки передают большие крутящие валки, по этой причине их изготавливают как цельный вал с нарезкой на нем зубьев с высокой точностью обработки.
Проверка прочности передач проводилась по следующим видам разрушений [15]:
• контактная выносливость, которая характеризует способность активных поверхностей зубьев обеспечивать требуемую безопасность против усталостного выкрашивания;
• на изгибную выносливость, характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам в основании зуба.
При проверки зубчатых колес на прочность необходимо, чтобы выполнялось условие:
а < [а ].
Н L Н'
(10)
При расчете на прочность необходимо, чтобы выполнялось условие по формуле (10):
ан = 872,9 МПа < [ан ] = 1051,9 МПа.
Из приведенных выше расчетов можем сделать вывод, что при статической нагрузке зубья не разрушатся, и обеспечена усталостная выносливость. А также изменения в ширине зубчатого венца влекут за собой уменьшения используемого материала при этом передачи крутящего момента без поломок.
ВЫВОДЫ
1. При расчете на контактную прочность расчетное значение составило 872,9 МПа, что не превысило допустимое 1209,6 МПа. Нагрузочная способность при изгибе также показала, расчетное значение 116,8 МПа, не превысило допустимое 458,1 МПа.
2. У спроектированного зубчатого зацепления, где был изменен модуль, количество зубьев и ширина зубчатого венца, обеспечена усталостная выносливость. При изменении ширины, можно будет в дальнейшем получить уменьшение массы данного элемента.
Таблица 1
Геометрические параметры шевронной передачи [Geometric parameters of herringbone gear]
Параметр [Parameter] Обозначения [Designations] Значения [Values]
Число зубьев [Number of teeth]: • шестерня [gear] • колесо (wheel) Zi Z2 35 35
Модуль, мм [Modulus, mm] m 25
Угол наклона, град. [Inclination angle, degree] ß 29
Коэффициент смешения [Displacement factor] *1 = *2 0
Передаточное число [Gear ratio] u 1
Межосевое расстояние, мм [Center distance, mm] a w 1000
Начальный диаметр, мм [Initial diameter, mm] d = d Wi W2 1000
Диаметр вершин зубьев, мм [Tooth top diameter, mm] d = d a1 a2 1050
Диметры впадин зубьев, мм [Tooth through diameter, mm] fO. 1 1 .fd. 937,5
Степень точности передачи ГОСТ 1643-81 [14] [Transmission accuracy as per GOST 1643-81] 6
Окружная скорость, м/с [Circumferential speed, m/s] V 5,2
Материал [Material] Шестерня и колесо [Gear and wheel] 0
Твердость поверхности зуба (средняя), HRC [Tooth surface hardness (average), HRC] 56-63
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИВОДА ПРОКАТНОГО СТАНА 2000 НА ПАО «СЕВЕРСТАЛЬ»
Герасимова А.А., Васильев М.В., Наговицын В.А. Литература
1. Целиков А.И., Полухин П.И., Гребеник В.М. и др. Машины и агрегаты для производства и отделки проката: учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1987.
2. Тенденции изменения производственных и экономических показателей металлургических и трубных предприятий России [Электронный ресурс]. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=24153477 (дата обращения 16.11.2021).
3. Официальный сайт ПАО «Северсталь» [Электронный ресурс]. URL: https://chermk.severstal.com/ (дата обращения 16.10.2021).
4. Gerasimova A.A., Radyuk A.G., Zarapin A.Yu. The calculation of the thickness of thermal spray coating for protection of low alloyed steel when heated under rolling // Materials Science Forum. 2018. Vol. 945. Pp. 729-734. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ MSF.945.729.
5. Рудской А.И., Лунев В.А. Теория и технологии прокатного производства. М.: Лань, 2016. 528 с.
6. Герасимова А.А. Исследование закономерностей пластического деформирования полых стальных профилей сжатием // Computational Nanotechnology. 2019. № 3. С. 22-26.
7. Dykha A., Artiukh V., Sorokatyi R. et al. Modeling of wear processes in a cylindrical plain bearing // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2021. 1259 AISC. Pp. 542-552.
8. Fomin A.A., Gusev V.G., Timerbaev N.F. The processing of the profile surface of the work-pieces, characterized by low rigidity // Solid State Phenomena. 2020. 299 SSP. Pp. 852-860.
9. Веренев В.В., Большаков В.И. Состояние вибрационной диагностики и мониторинга оборудования прокатных станов // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. научн. тр. 2006. № 12. С. 267-281.
10. Горбатюк СМ. Технологии и машины обработки давлением: учебник. М.: Изд. дом НИТУ «МИСиС», 2019. 219 с.
11. Liu J., Zhu C., Li G. application research progress of coatings on copper plate in continuous casting mould // Cailiao Daobao/ Materials Reports. 2019. No. 33 (9). Pp. 2831-2838.
12. Devyatiarova V.V., Balakhnina E.E., Valeeva L.M. Development of a mathematical model for a workpiece heating and cooling in a protective medium while treatment under pressure // Defect and Diffusion Forum. 2021. No. 410. Pp. 115-122. DOI: https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/ddf. 410.115.
13. Gerasimova A.A., Valeeva L.M. Development of a technological scheme for rolling 10G2SFB thick sheet steel // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2020. Issue 19. Pp. 17-21. DOI: 10.26160/2474-5901-2020-19-17-21.
14. ГОСТ 1643-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски. Введ. 01.07.1981. М.: Изд-во стандартов, 1981. 44 с.
15. Чернавский С.А., Снесарев Г.А., Козинцов Б.С. Проектирование механических передач: учеб. справочное пособие. 5-е изд. перераб. М.: Машиностроение, 1984. 560 с.
References
1. Tselikov A.I., Polukhin PI., Grebenik V.M. et al. Machines and aggregates for the production and finishing of rolled products: Textbook for universities. Moscow: Metallurgiya, 1987.
2. Trends in the production and economic indicators of metallurgical and pipe enterprises in Russia [Electronic resource]. URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=24153477 (data of accesses: 16.11.2021).
3. The official website of PJSC Severstal [Electronic resource]. URL: https://chermk.severstal.com/ (data of accesses: 16.10.2021).
4. Gerasimova A.A., Radyuk A.G., Zarapin A.Yu. The calculation of the thickness of thermal spray coating for protection of low alloyed steel when heated under rolling // Materials Science Forum. 2018. Vol. 945. Pp. 729-734. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ MSF.945.729.
5. Rudskoy A.I., Lunev V.A. Theory and technologies of rolling production. Moscow: Lan Publishing House, 2016. 528 p.
6. Gerasimova A.A. Investigation of the regularities of plastic deformation of hollow steel profiles by compression. Computational Nanotechnology. 2019. No. 3. Pp. 22-26. (In Rus.)
7. Dykha A., Artiukh V., Sorokatyi R. et al. Modeling of wear processes in a cylindrical plain bearing. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2021. 1259 AISC. Pp. 542-552.
8. Fomin A.A., Gusev V.G., Timerbaev N.F. The processing of the profile surface of the work-pieces, characterized by low rigidity. Solid State Phenomena. 2020. 299 SSP. Pp. 852-860.
9. Verenev V.V., Bolshakov V.I. State of vibration diagnostics and monitoring of rolling mill equipment. Fundamental and applied problems of ferrous metallurgy. 2006. No. 12. Pp. 267-281.
10. Gorbatyuk S.M. Technologies and machines of pressure treatment: Textbook. Moscow: Publishing House of NUST MISIS, 2019.
11. Liu J., Zhu C., Li G. application research progress of coatings on copper plate in continuous casting mould. Cailiao Daobao/ Materials Reports. 2019. No. 33 (9). Pp. 2831-2838.
12. Devyatiarova V.V., Balakhnina E.E., Valeeva L.M. Development of a mathematical model for a workpiece heating and cooling in a protective medium while treatment under pressure. Defect and Diffusion Forum. 2021. No. 410. Pp. 115-122. DOI: https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/ddf.410.115.
13. Gerasimova A.A., Valeeva L.M. Development of a technological scheme for rolling 10G2SFB thick sheet steel. Journal of Advanced Research in Technical Science. 2020. Issue 19. Pp. 17-21. DOI: 10.26160/2474-5901-2020-19-17-21.
14. State Standard GOST 1643-81 Basic standards of interchangeability. Gear gears are cylindrical. Moscow: Publishing House of Standards, 1981.
15. Chernavsky S.A., Snesarev G.A., Kosinzov B.S. Mechanical transmission design. Moscow: Mechanical Engineering, 1984.
Статья проверена программой Антиплагиат. Оригинальность - 86,96%
Рецензент: Чиченев Н.А., доктор технических наук, профессор; профессор кафедры инжиниринга технологического оборудования НИТУ «МИСиС»
Статья поступила в редакцию 14.01.2022, принята к публикации 12.02.2022 The article was received on 14.01.2022, accepted for publication 12.02.2022
TECHNOLOGIES AND MACHINES FOR FORMING СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Герасимова Алла Александровна, кандидат технических наук; доцент Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Москва, Российская Федерация. РИНЦ Author ID: 872766; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1317-9025; Scopus Author ID: 54404655200; Researcher ID: AAD-7091-2021; E-mail: allochka@rambler.ru
Васильев Михаил Владимирович, старший преподаватель Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Москва, Российская Федерация. Scopus Author ID: 57221043813; E-mail: mv@karfidovlab.com
Наговицын Владимир Андреевич, аспирант Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Москва, Российская Федерация. Scopus Author ID: 55965943300; E-mail: nagovitsin.91@ mail.ru
ABOUT THE AUTHORS
Alla A. Gerasimova, Cand. Sci. (Eng.); associated professor at the National Research and Engineering University "MISIS". Moscow, Russian Federation. Author ID: 872766; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1317-9025; Scopus Author ID: 54404655200; Researcher ID: AAD-7091-2021; E-mail: allochka@rambler.ru
Mikhail V. Vasiliev, senior lecturer at the National Research and Engineering University "MISIS". Moscow, Russian Federation. Scopus Author ID: 57221043813; E-mail: mv@karfidovlab.com
Vladimir A. Nagovitsyn, graduate student at the National Research and Engineering University "MISIS". Moscow, Russian Federation. Scopus Author ID: 55965943300; E-mail: nagovitsin.91@mail.ru
