CC BY
12
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 621.771.06
Артюх В.Г.
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ КОРОБКИ ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ
Рассматривается эффективность защиты прокатных клетей от поломок при помощи предохранительных коробок. Предложена конструкция предохранительной коробки, отвечающей требованию точности срабатывания и экономичности защиты. Определены ее основные параметры.
В настоящее время рабочие клети прокатных станов практически не имеют предохранительных устройств, несмотря на острую необходимость в них [1]. Широко распространенные ранее предохранительные стаканы и предохранительные коробки (ПК) имеют много недостатков, и прежде всего - нестабильность величины выключающего усилия [2].
Одна из попыток усовершенствования ПК описана в работе [3]. Предлагается коробка, включающая два боковых клина, соединенных между собой и контактирующих с упорным клином. Боковые клинья соединены двумя болтами, имеющими проточенные цилиндрические шейки. Эта коробка также не лишена недостатков. Соединительные болты разрушаются поочередно, из-за этого возникает перекос коробки. При разрушении болтов усилие падает до нуля и возникают ударные нагрузки в линии нажимного устройства.
Проточки на соединительных болтах являются концентраторами напряжений. Наличие таких концентраторов существенно снижает усталостную прочность болтов и может вызвать их разрушение при нормальных технологических нагрузках. Кроме того, коробка имеет малую жесткость, что ограничивает область ее применения.
Отсюда вытекают задачи дальнейшего совершенствования ПК. Прежде всего, нужно стабилизировать выключающее усилие ПК. Есть два фактора, которые оказывают наибольшее влияние на стабильность выключающего усилия. Это: 1) усталостное повреждение разрушаемого элемента (РЭ) в процессе работы предохранительного устройства (ПУ) и 2) нестабильность сил трения на клиньях ПК. Кроме того, нужно уменьшить динамические усилия, возникающие в клети после срабатывания ПУ, и уменьшить податливость ПК, снижающую общую жесткость клети.
Автором разработана конструкция предохранительной коробки, которая в значительной мере решает перечисленные выше вопросы [4]. Эта коробка включает в себя два боковых ¿стина, соединенных между собой и контактирующих с упорными клиньями (рис.1). Боковые клинья 1 установлены вплотную друг к другу и снабжены тремя соединительными болтами 2, причем центральный соединительный болт может быть выполнен из любой стали, а крайние соединительные болты выполняются из любого пластичного материала (например, из малоуглеродистой стали 20). Крайние болты выполняются гладкими, без дополнительных концентраторов напряжений; центральный болт может быть гладким, без канавки (если он изготовлен из высокопрочного или хрупкого материала) или иметь местное ослабление (если он изготовлен из пластичного материала).
ПК снабжена дополнительным упорным клином 4, установленным снизу симметрично по отношению к верхнему клину 3. Оба клина имеют возможность взаимного перемещения. В рабочем состоянии ПК эти клинья соединены между собой стяжными болтами.
Чтобы исключить перекосы отдельных деталей коробки и ударные нагрузки в линии нажимного устройства, разрушение болтов разделено на два этапа. При выключающем усилии Р* разрушается центральный болт, который или вследствие свойств материала, или вследствие имеющейся проточки имеет малую деформацию разрушения X*.
* ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преп.
л
О
Рис. 1 - Схема предохранительной коробки прокатной клети:
1-боковые клинья; 2- соединительные болты; 3^4 - упорные клинья; 5 - стяжной болт; Р -внешнее усилие, действующее на коробку.
При этой же деформации крайние болты растягиваются еще упруго (напряжения в этих болтах в момент разрушения центрального болта не превосходят предела пропорциональности их материала). После разрушения центрального болта усилие, передаваемое коробкой, несколько падает, но усилие на каждый из крайних болтов возрастает; в них появляются напряжения, превышающие предел текучести. Болты пластически деформируются, нагрузка плавно возрастает. Параметры болтов рассчитываются таким образом, чтобы при максимальной осадке ПК крайние болты не разрушались.
Рабочая характеристика такой коробки представлена на рис. 2.
Эта рабочая характеристика исключает удары, связанные с раскрытием и закрытием зазоров в кинематической цепи нажимного устройства.
Выше отмечалось, что деформация центрального болта (а, следовательно, и деформация коробки до ее срабатывания) существенно уменьшена; это значит, что жесткость данной конструкции значительно выше, чем у известных конструкций ПК.
Рассмотрим более подробно влияние ослабления центрального болта на точность срабатывания ПК. Любое ослабление (даже с плавными очертаниями) представляет собой концентратор напряжений, и значит, снижает усталостную прочность РЭ.
В этих условиях усталостную прочность центрального соединительного болта можно повысить изменением характера его нагружения (путем изменения для этого элемента коэффициента асимметрии цикла). Последнее возможно, если ПК будет представлять собой предварительно напряженную пару, причем одним из элементов пары должен быть центральный соединительный болт [5|.
Пусть предварительному нагружению ПК усилием Рп соответствует предварительное напряжение в центральном болте <тп. Тогда при внешнем воздействии на ПК пульсирующим циклом максимальные напряжения в болте составят:
а) при отсутствии предварительного нагружения
СГпш-О; (I)
б) при наличии предварительного нагружения
^тт ^л? СТтах ~ ^в э (2)
где сгв- предел прочности материала болта.
Рис. 2 - Рабочая характеристика предохранительной коробки:
Рр - разрушающая нагрузка для центрального болта; Ру - нагрузка в крайних соединительных болтах; Рт - нагрузка, соответствующая пределу текучести материала крайних болтов.
Коэффициент асимметрии цикла изменяется при этом от г, = 0 до г2 ~ стп / . Отметим,
/ств
что т2 величина положительная, т. е. г2 > 0; следовательно, такой цикл менее опасен, чем цикл с г, = 0 .
Для практики эксплуатации ПУ с предварительным напряжением наибольший интерес представляет требуемая величина напряжения стп . В работах [6,7] получены формулы для определения величины Стп на основе различных вариантов аппроксимации диаграммы предельных амплитуд для РЭ предохранителей.
Пусть центральный соединительный болт выполнен из легированной стали, поверхность его шлифована, он имеет проточку плавных очертаний, диаметр в ослабленном сечении составляет около 60 мм. Тогда при пульсирующем цикле нагружения и коэффициенте запаса усталостной прочности, равном 1,0, получим
ст„«0,75ста (3)
То есть для полного исключения усталостного разрушения в центральном болте нужно создать в нем предварительное напряжение, равное трем четвертям от предела прочности, что технически возможно. Если исключить концентрацию напряжений и применить упрочнение поверхности накаткой роликами, то получим
а„*0,5<т,. (4)
В этом случае достаточно создать предварительное напряжение, равное половине предела прочности.
Отметим, что предварительное нагружение РЭ любым по величине напряжением (даже меньшим требуемого для полного исключения усталостного разрушения) надо считать полезным, т.к. это всегда повышает долговечность, а следовательно, повышает точность и экономичность защиты.
Для осуществления предварительного нагружения в конструкцию ПК введены стяжные болты. Они также позволяют монтировать коробку в клети и демонтировать ее как единый узел. Наличие в конструкции ПК нижнего упорного клина позволяет выровнять условия трения на торцах коробки и добиться симметричного нагружения боковых клиньев, что исключает появление изгиба в соединительных болтах.
При подготовке ПК к работе ее после сборки сжимают на прессе. При этом сближение упорных клиньев 3 и 4 (см. рис. 1) происходит в основном за счет деформации соединительных
болтов 2, которые при этом получают предварительные растягивающие напряжения. Затем затягивают гайки стяжных болтов 5 и извлекают ПК из пресса.
В рабочей клети прокатного стана ПК устанавливают между нажимным винтом и подушкой рабочего валка. Зависимость общего усилия на соединительных болтах Q от внешнего усилия Р>Р„ определяется по формуле:
Л _ P(cos а - f sin а) (..
V ; z j W/
sin а + f cosa
где f - коэффициент трения скольжения в клиновой паре; a - угол наклона поверхностей скольжения к вертикали.
Центральный соединительный болт разрушается при нагрузке Рр; при этом в крайних болтах нагрузки составляют Ру. Затем усилие Ру возрастает до Рт; при этом выполняется условие
Р* = Рр + 2РУ > 2РТ (6)
Замыкание упорных клиньев 3 и 4 происходит до того, как могут разрушиться крайние болты.
После срабатывания коробка целиком извлекается из клети, а на ее место ставится новая. Старая коробка перезаряжается для очередной замены.
Предложенная ПК обладает по сравнению с известными в 1,2... 1,4 раза большей жесткостью; в 2...3 раза большей долговечностью РЭ; в 4...5 раз меньшими ударными нагрузками при срабатывании; в 1,5... 2,0 раза меньшим временем замены.
Выводы
Предложенная предохранительная коробка может служить эффективным ПУ для рабочих клетей обжимных станов. Все ее рабочие характеристики существенно лучше, чем у известных ПК. Надежность и экономичность защиты при помощи такой ПК отвечают современным требованиям.
Перечень ссылок
1. Опыт эксплуатации и анализ конструкций предохранительных устройств /Артюх В.Г., ШмельковД.Н., Майтамал В.Н., Кирияченко Ю.Н. II Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1999. - Вып.4. - С. 110-126.
2. Анализ состояния защиты от поломок металлургических машин/ Ободовский Б. А., Артюх Г. В., ЗуевБ.П. и др. II Защита металлургических машин от поломок. - М., 1972. - Вып. 1. - С. 7-13.
3. Гладышев P.M., Паначев ВВ. Механическое и транспортное оборудование трубных цехов. - М.: Металлургия, 1975. - С.324-325.
4. Пат. 2113923 Россия, МКИ В21ВЗЗ/00. Предохранительная коробка прокатной клети / Артюх В.Г., Артюх Г.В. (Украина).- №97108117/02; Заявлено 12.05.97; Опубл. 27.06.98; Бюл.№18.-7с.
5. Артюх В.Г. Применение предварительно напряженных пар в качестве предохранителей металлургических машин // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып.2. - С. 69-89.
6. Артюх ВТ. Особенности предварительного напряжения расходуемых элементов предохранительных устройств // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1998. -Вып.З. - С. 40-46.
7. Артюх В. Г. Аппроксимация диаграммы предельных амплитуд для разрушающихся элементов предохранителей // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1998. - Вып.З. - С. 55-64.
Артюх Виктор Геннадиевич. Канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры "Промышленное и гражданское строительство и сопротивление материалов", окончил Мариупольский металлургический институт в 1992г. Основное направление научных исследований -защита металлургических машин от поломок.
