CC BY
67
Серiя: Техшчш науки
УДК 621.771.06
Артюх В.Г.1, Артюх Г.В.2, Ломакина Н.В.3, Мазур В.О.4
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РАСПОРА РАБОЧИХ КЛЕТЕЙ
В статье рассмотрена необходимость и обоснована целесообразность использования беззазорних соединений между контактными поверхностями подушек рабочих валков (наделок) и станин (лицевых планок) для уменьшения динамических горизонтальных сил при прокатке и увеличения срока службы оборудования. Предложено техническое решение на базе черновой толстолистовой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000 ПАО «ММК им. Ильича» (г. Мариуполь, Украина), которое может использоваться на большинстве тяжелонагруженных листовых и трубопрокатных станов.
Ключевые слова: прокатный стан, рабочая клеть, захват раската валками, горизонтальная сила, зазор, горизонтальный распор клети.
Артюх В.Г., Артюх Г.В., Ломатна Н.В., Мазур В.О. Доцыьшсть використання пристроив горизонтального розпору клтей. У статт1 розглянуто необх1дтсть та обгрунтовано доцтьтсть використання беззазорних з 'еднань м1ж контактни-ми поверхнями подушок робочих валкгв (надыок) та станин (лицьових планок) для зменшення динам1чних горизонтальних сил та збыьшення терм1ну служби устат-кування. Запропоновано технгчне ршення на баз1 чорновог прокатног клгтг кварто ЛПЦ-3000 ПАТ «ММК гм. 1лл1ча» (м. Мар1уполь, Украгна), яке може використову-ватися на бгльшостг важконавантажених листових та трубопрокатних стамв. Ключовi слова: прокатний стан, робоча клть, захват розкату валками, горизонтальна сила, зазор, горизонтальний розтр клгтг.
V.G. Artyukh, G.V. Artyukh, N.V. Lomakina, V.O. Mazur. Expediency of application of a device for making the horizontal thrust of a rolling mill stand. The article shows the necessity and it is proved the usage of gapless connections between contact surfaces of rolling rolls chocks (lining straps) and frames (facing strips) for reduction of dynamic horizontal forces during rolling and increasing of equipment durability. Technical solution is offered on the base of the roughing four-stand of the '3000' thick plate mill shop of PJSC 'MMPP n. Ilich' (Mariupol city, Ukraine) which can be used on most heavy loaded plate and tube rolling mills.
Keywords: rolling mill, working stand, metal biting, horizontal force, gap, horizontal thrust of stand.
Постановка проблемы. Рабочие клети прокатных станов, как правило, эксплуатируются с использованием интенсивных режимов работы, при которых масса раската непрерывно увеличивается по сравнению с первоначально рассчитанной изготовителями оборудования, и зачастую с использованием скоростей задачи в валки большими, чем соответствующие скорости прокатки на рабочих валках (РВ), что вызывает значительные увеличения коэффициентов динамичности прокатных клетей [1]. Такой динамический характер нагружения может приводить к явлениям усталости и даже к поломкам дорогостоящего оборудования. Кроме того, такой характер нагружения со временем приводит к пластическим деформациям проемов станин, лицевых планок, подушек и наделок [2, 3]. Восстановление этих деталей чрезвычайно трудоемко и дорого. Поэтому необходимым является использование технологических и конструктивных мер уменьшения динамических сил.
Анализ последних исследований и публикаций. Известно, что основными причинами возникновения динамических нагрузок при работе прокатного стана являются: захват металла
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 инженер - конструктор ПКО, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь
4 инженер - конструктор ПКО, ПАО «ММК им. Ильича», г. Мариуполь
Серiя: TexHÍ4HÍ науки
валками и сброс нагрузки (выход металла из валков). Изначально нагрузки концентрируются в зоне пластической деформации металла, а их дальнейшее распространение происходит через верхний рабочий (ВРВ) и нижний рабочий (НРВ) валки.
Значительный рост динамических нагрузок при захвате металла валками связан с ростом зазоров и их ударным замыканием в соединениях: элементов главного привода; поверхностей, передающих усилие прокатки; элементов клети (подушек РВ и опорных валков (ОВ), станин, лицевых планок и наделок).
Одними из наиболее «опасных» динамических нагрузок, которые действуют на оборудование валковой группы и станин при прокатке, являются горизонтальные силы, величины которых могут достигать значений 9...12 МН [3, 4 и 5], в том числе и из-за наличия зазоров в горизонтальном направлении между элементами узлов подушек и станин. Поэтому целесообразным является нахождение конструктивных и технологических средств и технических решений, позволяющих обеспечить нулевые начальные условия и беззазорное движение системы при прокатке раската, что значительно улучшит динамические характеристики всего стана. Наиболее интересные конструкторские и технические решения по использованию устройств горизонтального распора прокатных клетей и ликвидации зазоров между лицевыми планками и наделками их авторами предлагается внедрить на действующем прокатном оборудовании [6, 7]. Общими недостатками этих решений являются: отсутствие возможности продолжать прокатку при поломке одного устройства горизонтального распора клети, значительная металлоемкость устройств; отсутствие демпфирующих элементов для снижения энергии удара ВРВ и НРВ в сборе с подушками, проводками, наделками и т.д. о станины прокатной клети. Устранению этих недостатков и служит данная статья.
Цель статьи - анализ целесообразности использования беззазорных соединений между контактными поверхностями подушек рабочих валков (наделок) и станин (лицевых планок) для уменьшения динамических горизонтальных сил при прокатке и увеличения срока службы оборудования. Для черновой толстолистовой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000, которая является одной из основных прокатных клетей на ПАО «ММК им. Ильича», необходимо предложить техническое решение, обеспечивающее увеличение срока службы основного прокатного оборудования и качество получаемого проката. При этом его установка должна быть возможна на используемом оборудовании без значительных токарных операций, что может ослабить существующие детали и узлы.
Изложение основного материала. Ниже рассматривается техническое решение, обеспечивающее получение беззазорного соединения между контактными поверхностями наделок подушек РВ и лицевых планок станин на базе черновой толстолистовой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000 ПАО «ММК им. Ильича» (Украина, г. Мариуполь). Объект и места предполагаемого монтажа устройств горизонтального клинового распора клети (ГКРК) выбраны не случайно, а исходя из того, что черновая клеть ЛПЦ-3000 эксплуатируется с 1983 года, и за это время на ее базе выполнено несколько научно-исследовательских работ [8, 9], данные из которых необходимы для выполнения прочностного расчета устройств ГКРК. При этом новая конструкция узлов ГКРК обеспечивает плавное и равномерное распределение горизонтальной нагрузки между контактными поверхностями лицевых планок станин и наделок подушек РВ, изготовленных из низкомодульного материала, и позволяет снизить горизонтальные динамические нагрузки и колебания, генерируемые в деталях валковой группы и станин, способствуя стабилизации взаимного положения РВ для улучшения качества проката.
В данной работе детально показана установка устройств ГКРК на базе подушек НРВ со стороны привода черновой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000. Техническое решение поясняется описанием и прилагаемыми чертежами, где изображены: на рис. 1 -черновая прокатная клеть ЛПЦ-3000 (общий вид со стороны привода); на рис. 2 сечение А-А согласно рис. 1 (сторона привода); на рис. 3 -сечение Б-Б согласно рис. 2 (рабочее и нерабочее положения).
Черновая прокатная клеть кварто ЛПЦ-3000 с установленными узлами ГКРК (рис. 1) включает подушки 1 и 2 верхнего 3 и нижнего 4 ОВ, которые контактируют с соответствующими РВ 5 и 6.
Подушки 7 ВРВ 5 установлены в проемах подушек 1 верхнего ОВ 3, а подушки 8 НРВ 6 установлены в проемах станин 20.
Узлы ГКРК в клети кварто ЛПЦ-3000 работают следующим образом. При завалке новых
Серiя: Технiчнi науки
или вывалке отработавших РВ 5 и 6 с подушками 7 и 8 приводные клинья 15 находятся в нерабочем положении. После установки подушек 7 и 8 в рабочее положение, используя фиксаторы 14, гайки 18, шайбы 19 и рычаги 13 (рис. 2), перемещают приводные клинья 15 в рабочее положение. При этом перемещаются в рабочие положения подвижные клинья 16 и вставки 17 (рис. 3), что приводит к равномерному сжатию на требуемую величину 5=1-3 мм вставок 17, наделок 11 и 12, изготовленных из низкомодульного материала. В результате полностью ликвидируется зазор А (см. рис. 3) между контактными поверхностями планок 9 и 10, 11 и 12, что в несколько раз снижает величину горизонтальной силы удара при захвате металла РВ 5 и 6 и выходе прокатываемого металла из валков. При изменении величины «раствора» РВ 5 и 6 перемещение приводных клиньев 15 в нерабочее положение не потребуется, так как использование вставок 17 и наделок 11 и 12, изготовленных из низкомодульного материала, не препятствует перемещению подушек 7 и 8 РВ 5 и 6. При этом использование вставок 17 и наделок 11 и 12, изготовленных, например, из полиамида, полипропилена, полиэтилена или полиуретана с большой энергоемкостью позволяет: равномерно распределить горизонтальную нагрузку между контактными поверхностями планок 11, 12, подушек 7, 8 и планок 9, 10, подушек 1 и станин 20. При малых величинах динамической силы горизонтального удара целесообразно изготавливать вставки 17 и наделки 11 и 12 из полиамида или полипропилена, при значительных величинах горизонтальных сил из полиэтилена или полиуретана.
Выполненные аналитический и прочностные расчеты устройств ГКРК подтверждают целесообразность их использования не только на базе черновой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000, но и в прокатных клетях различных типов станов, что позволит снизить энергию горизонтального удара подушек ВРВ и НРВ о станины (подушки ОВ). Кроме этого, уменьшатся величины горизонтальных колебаний элементов клети за счет равномерного распределения и демпфирования горизонтальной нагрузки между контактными поверхностями лицевых планок станин (подушек ОВ) и наделок из низкомодульного материала подушек РВ.
Рис. 1 - Общий вид черновой прокатной клети с узлами ГКРК со стороны привода
Рис. 2 - Общий вид подушки НРВ с установленными узлами ГКРК
Рис. 3 - Сечение узла ГКРК: а - нерабочее положение; б - рабочее положение
Сер^я: Техшчш науки
Ниже приведены результаты прочностного расчета деталей узлов ГКРК, устанавливаемых на базе подушки НРВ (сторона привода) черновой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000. Для этого определялись эквивалентные напряжения (для стальных деталей) и напряжения сжатия (для элементов из полиуретана) в системе «подушка НРВ со стороны привода (материал сталь 30ХГСФЛ по ГОСТ 977-75) - детали узлов ГКРК - наделка (материал полиуретан); лицевая планка станины (материал сталь 45 по ГОСТ 1050-88) - станина (материал сталь 20Л по ГОСТ 977-75)» возникающие при захвате металла валками. Для этого была построена математическая
модель (ММ) (рис. 4), в которой узлы и детали находятся в рабочем положении, выполнены нагружение ее горизонтальной силой Б=0,51МН [9] и расчет с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в соответствии с последовательностью и рекомендациями при выполнении прочностных расчетов [10]. Результаты прочностного расчета эквивалентных напряжений по Mises-у показаны на рис. 5-6, где при одинаковых функциях (названиях) элементов узлов ГКРК приводятся детали с максимальными величинами напряжений.
Результаты прочностного расчета напряжений сжатия показаны на рис. 6, где показана вставка с максимальными величинами напряжений. При таком на-гружении деталей из полиуретана максимальное напряжение сжатия осж = 12,27 МПа (рис. 6) при допускаемом напряжении [осж] = 15.. .18 МПа, принимаемом в зависимости от марки полиуретана. Суммарная осадка наделки подушки НРВ и вставки из полиуретана в направлении действия горизонтальной силы составила 8 = 0,9.1,2 мм, что является допустимым [10] и свидетельствует о необходимости выдвигания узлов ГКРК на величину 1,2.1,5 мм для ликвидации зазора в горизонтальном направлении.
Рис. 4 - Схема нагружения ММ силой Б: 1 - подушка НРВ; 2 - клин приводной; 3 - клин подвижный; 4 -вставка; 5 - рычаг; 6 - наделка подушки НРВ; 7 -лицевая планка; 8 - станина
Рис. 5 - Результаты прочностного расчета подушки НРВ со стороны привода
Рис. 6 - Результаты прочностного расчета вставки
Для подтверждения целесообразности использования устройств ГКРК на базе подушки НРВ (сторона привода) черновой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000 было выполнено нагруже-
Серiя: Техшчш науки
ние ММ используемого в настоящее время оборудования согласно [10]. Результаты расчета приведены в таблице 1.
Для обоснования принятых технических решений по конструктивному исполнению устройства ГКРК необходимо сравнить результаты прочностных расчетов моделей (см. табл. 1). Результаты процентного уменьшения максимальных эквивалентных напряжений оэкв. тах, возникающих в соответствующих элементах черновой клети с узлом ГКРК подушки НРВ, в сравнении с рассчитанными оэкв. тах в элементах черновой клети имеющейся конструкции при горизонтальном динамическом ударе подушки НРВ о станину приведены в таблице 2.
Таблица 1
Величины максимальных напряжений в деталях ММ
Напряжения Подушка НРВ Клин приводной Клин подвижный Наделка (вставка) Тяга Лицевая планка Станина
Детали узлов ГКРК Оэкв. max, М^Па 32,849 23,167 19,006 X 39,38 53,524 57,302
Осж. max, МПа X ......... ......... 12,27 х X X
Действующее оборудование Оэкв. max, М^Па 81,319 X X 198,686 х 286,226 93,174
Таблица 2
Процентное уменьшение максимальных эквивалентных напряжений при использовании узлов ГКРК
Станина Лицевая планка Подушка НРВ
Уменьшение, % 38,5 81,3 59,6
Как видно из результатов расчета (см. табл. 2), при использовании устройств ГКРК существенно уменьшатся максимальные эквивалентные напряжения в узлах черновой прокатной клети кварто ЛПЦ-3000. Материалоемкость и компактность узлов ГКРК позволяет выполнить их установку в установочные пазы в подушках РВ как в новое, так и реконструированное оборудование. Разработка защищена патентом Украины на изобретение [11].
Выводы
Использование устройств ГКРК позволит: снизить горизонтальные динамические нагрузки и колебания, действующие на оборудование валковой группы и станины; более равномерно распределить горизонтальную нагрузку между контактными поверхностями лицевых планок станин и наделок подушек РВ; ликвидировать зазор между контактными поверхностями устройств ГКРК в горизонтальном направлении при эксплуатации прокатных клетей; стабилизировать взаимное положение РВ для улучшения качества проката.
Список использованных источников:
1. Артюх В.Г. Влияние времени захвата раската рабочими валками на динамические нагрузки в листовых прокатных клетях / В.Г.Артюх, С.В.Казанцев, В.О.Мазур // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2010. - Вып. 12. - С. 163-171.
2. Повышение работоспособности валковых опор широкополосных станов / Ю.В.Липухин [и др.] // Сталь. - 1987. - №1. - С. 56-61.
3. Ищенко А.А. Экспериментальная оценка ударных нагрузок на станины рабочих клетей листовых станов. / А.А.Ищенко, И.А.Калиниченко, В.П.Гришко // Сталь. - 2009. - №5.- С. 56-58.
4. Снижение динамических нагрузок при захвате полосы на широкополосных станах / В.Д.Плахтин [и др.] // Черная металлургия: Бюллетень ин-та «Черметинформация». - 1983. -№10. - С. 36-37.
5. Мазур В.О. К вопросу определения горизонтальных сил при листовой прокатке / В.О.Мазур // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2008. - Вып. 10. - С. 79-86.
6. Пат. 2014919 Россия, МКИ В 21 В 31/04. Рабочая клеть листового прокатного стана / Плахтин В.Д., Бобух И.А., Канев Н.Г. и др. (Украина) // №5056022/27. Заявлено 02.06.1992; Опубл. 30.06.1994, Бюл. №12.- 5с.
7. Пат. 2025158 Россия, МКИ В 21 В 31/02. Комплект подушек валков прокатной клети / Бо-
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2010 р. Серiя: Техшчш науки Вип. 21
бух И.А., Плахтин В.Д., Пономарев В.И. и др. (Украина) // №5030585/27. Заявлено 04.03.1992; Опубл. 30.12.1994, Бюл. №12.- 9с.
8. Разработка мероприятий по стабилизации работы главных линий рабочих клетей ТЛС 3000 ММК им. Ильича при проектной производительности и их внедрение. Этап III. Разработка технических требований на изготовление и эксплуатацию основных деталей рабочих клетей стана и предложений в технологические инструкции по производству тяжелого сортамента: отчет о НИР: № 70 - 2462 / ВНИИМЕТМАШ; рук. Коновалов Л.В.; исполн.: Воронцова Г.В. и др. -Москва, 1992. - 218 с.
9. Исследование динамических нагрузок на станины клети стана 3000 в процессе прокатки и разработка предложений по оптимизации его работы: отчет о НИР: № 6/04 / ПГТУ; рук. Ищенко А.А.; исполн.: Гришко В.П. и др. - Мариуполь, 2006. - 118 с. - № ГР 0104U005363.
10.Артюх В.Г. Анализ напряженного состояния элементов прокатной клети / В.Г.Артюх [и др.] // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 2010. - Вып. 12. - С. 172-178.
11.Пат. 92400 Украша, МПК В21В 13/00. Комплект подушок валюв прокатно! клт / Ар-тюх В.Г., Артюх Г.В., Мазур В.О. (Украша) // №a 2009 00190.- Заявлено 12.01.2009; Опубл. 25.10.2010, Бюл. №20.- 6с.
Рецензент: В.И. Капланов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 17.12.2010
