Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

УДК 621.771.251

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ МАШИН І АГРЕГАТІВ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА

ТОНКОГО ЛИСТА

05.05.08 - Машини для металургі йного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Лєєпа Ігор Іванович

Дніпропетровськ - 2003



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Механічне обладнання металургійних заводів” Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, член-кор. НАН України Большаков Вадим Іванович, Інститут чорної металургії НАН України, директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Богдан Кім Степанович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, старший науковий співробітник відділу автоматизації, м. Київ.

доктор технічних наук, професор Учитель Олександр Давідович, Криворізький металургійний факультет Національної металургійної академії України, декан, завідувач кафедри "Електро-механічне обладнання металургійних заводів", м. Кривий Ріг.

Провідна установа: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Механічне обладнання заводів чорної металургії” (м. Донецьк).

Захист відбудеться “_22_”_червня_2003 р. о _12-30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.03 Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4, НМетА України, 1-й навч. корпус.

Автореферат розісланий “_17_”_травня_2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна



АНОТАЦІЯ

Лєєпа І.І. Наукове обгрунтування раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2003.

У роботі захищаються математичні моделі процесу захвату зливка кернами, динамічних процесів у механізмах керування кліщами, піднімання, пересування кліщових кранів, що спрямовані на підвищення їх ефективності. В роботі захищається методика оцінки максимальних технологічних навантажень і ефективності системи гідророзпору робочих валків у клітях станів холодної прокатки листа, математичні моделі перехідних процесів у головній лінії, пружній системі кліті та зоні деформації, у приводі нажимних гвинтів, експериментальне і теоретичне обгрунтування причин значних динамічних навантажень при гальмуванні нажимних гвинтів, особливості гальмування самогальмуючих глобоїдних передач при розкритті зазорів у приводних валах. У роботі захищається математична модель поривів, браку полоси, руйнування пічних роликів, шляхи усунення цих недоліків і підвищення ефективності агрегатів безперервного відпалювання. У роботі захищаються математичні моделі утворення дефекту полоси і роликів “ребристість” на дресировочних станах з індивідуальним редукторним приводом робочих валків на прикладі стана 2500 ММК, на дресировочних станах з груповим приводом робочих валків на прикладі стана 1700 КарМК, на дресировочних станах з безредукторним приводом робочих валків через опорні на прикладі стана 1400 КарМК з розробкою заходів по усуненню “ребристості” на листах і валках. У роботі захищається математична модель динамічних процесів у агрегатах поперечного різання, направлена на підвищення точності карток та їх виходу.

Ключові слова: динаміка, кліщовий кран, керн, захват, механізм, міцність, надійність, листопрокатний стан, агрегат безперервного відпалювання, дресирвочний стан, агрегат поперечного різання, правильна машина, полоса, літучі ножиці.



АННОТАЦИЯ

Леепа И.И. Научное обоснование рациональных параметров машин и агрегатов для производства тонкого листа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.08 - Машины для металлургического производства. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2003.

В работе показано, что надежность захвата и травмируемость слитка зависит от условий пластического формоизменения материала слитка в зоне контакта с керном. Разработана лабораторная установка, на которой исследованы особенности пластического течения материала слитка при внедрении кернов различного типа в слиток. Выполнено исследование влияния динамических процессов в механизме подъема на надежность захвата слитков с учетом упругости клещей. Экспериментально установлено, что в процессе дозажатия слитка клещами изменение усилий зажатия и подъема носит колебательный характер, для обоснования которого разработан математический аппарат и выполнен динамический анализ процесса дозажатия слитка клещами. Разработан математический аппарат для оценки максимальных динамических нагрузок в приводе механизма управления клещами, разработан математический аппарат для оценки динамических нагрузок, действующих на металлоконструкцию моста и механизм подъема, вызванных падением или “перехватом” слитка. Впервые выполнено экспериментальное исследование динамических нагрузок и характера их распределения при совместной работе механизмов подъема, управления клещами и металлоконструкции моста на разных режимах. На уровне изобретения предложена конструкция клещей, в которой используются распорные усилия от зажатия слитка для фиксации клещевин в закрытом положении. Выявлено, что основной причиной неудовлетворительной работы двухдвигательного привода механизма передвижения моста колодцевого крана являются различные величины зазоров в левой и правой ветвях привода и ударное замыкание зазоров.

Разработана методика оценки максимальных технологических нагрузок и эффективности установки системы гидрораспора рабочих валков в клетях станов холодной прокатки листа. Получена система уравнений, описывающих динамическое взаимодействие переходных процессов в главной линии, упругой системе клети и очаге деформации, с помощью которой установлено, что применяемые на станах холодной прокатки листа системы защиты по максимальному току не способны предохранять оборудование главных линий от динамических перегрузок при захвате из-за недостаточного быстродействия. Разработаны математический аппарат и аналоговая модель для анализа динамических нагрузок в приводе нажимных винтов, разработана и внедрена предохранительная упруго-демпфирующая система, позволяющая уменьшить динамические нагрузки в приводе нажимных винтов, увеличить быстродействие регулятора толщины. Разработан математический аппарат и динамическая модель линии привода, учитывающие особенности торможения самотормозящейся глобоидной передачи при раскрытии зазоров в приводном валу, на уровне изобретения предложен способ управления нажимными винтами, исключающий возможность заклинивания в самотормозящейся червячной паре. Разработана на уровне изобретения и внедрена новая конструкция привода печных роликов с регулируемым пружинным подвешиванием.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что зубчатое зацепление в редукторе приводной линии рабочих валков дрессировочных станов с индивидуальным редукторным приводом (стан 2500 ММК) является источником высокочастотных ударных вибраций, которые приводят к появлению дефекта “ребристость” на поверхности полосы и валков; при дрессировке на станах с групповым приводом рабочих валков (стан 1700 КарМК) после захвата полосы образуется замкнутая механическая цепь с неравными передаточными отношениями между рабочими и шестеренными валками, вследствие чего одна ветвь замкнутого контура закручивает другую, возникают дополнительные моменты сил упругости в шпинделях, которые продуцируют дефект “ребристость”; при дрессировке на станах с безредукторным приводом рабочих валков (стан 1400 КарМК) источником дефекта “ребристость” являются колебания натяжения в полосе, приводящие к нарушению сцепления рабочего и опорного валков. Для разных типов дрессировочных станов разработаны и внедрены мероприятия, устраняющие дефект “ребристость”. Экспериментальным и теоретическим исследованиями динамической точности агрегатов поперечной резки установлено, что разброс отрезаемых длин карточек возникает из-за колебаний в линии привода режущих барабанов и правильных роликов, рывков натяжения полосы в момент реза. Получены математические соотношения, позволяющие для заданного сортамента и режима резки определить величину критического прогиба полосы и рациональную настройку проводкового стола. С целью уменьшения разброса отрезаемых длин на уровне изобретения предложен способ порезки, обеспечивающий силовое замыкание люфтов в приводе правильных роликов и растяжение полосы в момент правки. Для определения рациональных параметров резино-металлических элементов выполнено динамическое исследование линии привода летучих ножниц. Для повышения динамической точности барабанных летучих ножниц разработано на уровне изобретения и внедрено устройство, обеспечивающее с помощью тормозного генератора управляемое силовое замыкание люфтов в линии привода режущих барабанов в момент реза.

В работе защищается новый подход в выборе кернов клещевых захватов, новая математическая модель формирования нагрузок на узлы и агрегаты колодцевых кранов, новая методика расчета самотормозящихся глобоидных передач при наличии зазоров в кинематических парах, предохранительная упруго-демпфирующая система в приводе нажимных винтов станов холодной прокатки, специальный способ торможения нажимных винтов станов холодной прокатки, подпружиненный навесной привод печных роликов в агрегатах непрерывного отжига, механизмы возникновения дефекта “ребристость” в зависимости от типа привода рабочих валков, способ настройки проводкового стола, способ порезки с натяжением полосы на входе в правильную машину, устройство управляемого силового замыкания люфтов в линии привода режущих барабанов агрегатов поперечной резки.

Ключевые слова: динамика, клещевой кран, керн, захват, механизм, прочность, надежность, листопрокатный стан, агрегат непрерывного отжига, дрессировочный стан, агрегат поперечной резки, правильная машина, полоса, летучие ножницы. гідророзпір прокатка деформація навантаження



ABSTRACT

Leyepa I.I. Scientific basis of rational parameters of machines and aggregates for the production of sheet.- Manuscript.

Dissertation for academic degree of Doctor of technical sciences in speciality 05.05.08 - Machines for Metallurgical Production. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2003.

Mathematical models of remote-controlled tongs of ingot by cores, of dynamic processes in mechanisms of control by clips, lifting, moving for clip cranes, which are directed for rise of their efficacy, are defended. The methods of estimate for maximum technological loads and effectiveness of system for hydrothrust of working rolls in rolling mills for cold rolling of plate, mathematical models of transitional processes in main line, resilient system of stand, centre of deformation, in drive of push screws, experimental and theoretical basis for causes of big dynamical loads after braking of push screws, particularity of self-braking for globoidal transmissions after generation of lashes in driving shafts are defended. The mathematical model of fractures, rejects of plate, destruction of furnace rolls, paths of removal of that defects and improvement of effectiveness of plants for unbroken annealing are defended. Mathematical models of forming defects of plate and rolls “rebristost” in temper mills with individual drive of rolls, as example in temper mill 2500 MMK, in temper mills with group drive of rolls, as example in temper mill 1700 KarMK, in temper mills with non-reducing drive of rolls, as example in temper mill 1400 KarMK with development of actions for removal of defects “rebristost” on plates and rolls are defended. The mathematical model of dynamical processes in plants for cross cutting, which is directed for rise of accuracy and quantity of plates is defended.

Key words: dynamics, clip crane, core, clamp, mechanism, strength, reliability, sheet mill, plant for unbroken annealing, temper mill, plant for cross cutting, aggregate for straightening, plate, flying shears.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У цей час істотно зростає доля листового прокату в загальному випуску прокатної продукції при значному розширенні його сортаменту, в тому числі при виробництві тонкого листа. Інтенсифікація процесу прокатки слябів, що являють собою вихідний напівпродукт для виробництва листа, вимагає скорочення часу посадки і видачі зливків з нагрівальних колодязів за рахунок збільшення швидкостей механізмів колодязних кранів, що призводить до травмування зливків, переобтяження конструкцій, до руйнування вузлів і механізмів колодязних кранів. Першорядне значення у такому разі мають знання дійсних процесів, що виникають в елементах устаткування безперервних станів холодної прокатки, причин виникнення значних динамічних навантажень, істотної різнотовщинності листа, питання вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів, що забезпечують високу точність листа, максимальну продуктивність і довговічність устаткування. Аварійні розладнання агрегатів безперервного відпалювання призводять до значних втрат полоси, що оброблена відпалюванням, через перехід її до некондиційного металу. При дресировці часто виникає дефект “ребристість” на поверхні полос та валків, котрий, не змінюючи геометричних параметрів листа, значно погіршує його товарний вигляд, не зникає при фарбуванні. Дефект “ребристість” має різне походження, залежить від типу привода стана, потребує вивчення і розробки заходів по його усуненню. Важливе значення має розв'язання проблеми підвищення точності довжин карток, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, підвищення їх виходу з рулона за рахунок усунення немірних довжин, скорочення поля допусків і витрат матеріалу покриття (олова, цинку) на фінішній стадії обробки.

Тому наукове обгрунтування раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа являє собою значну наукову проблему, що має важливе значення для країни.

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами університету. Робота виконана відповідно до Міжвузівської цільової науково-технічної програми НДР на 1986-90 р.р. "Метал", затвердженої наказом Мінвузу СРСР №599 від 18.08.86., по науково-дослідному плану Дніпродзержинського державного технічного університету, є складовою частиною наступних тем: №221/90/229 “Розробити і впровадити нову форму зливкозахватних кернів і нову конструкцію кліщей колодязного крана, що забезпечують надійність захвату нахилених зливків” державна реєстрація №0190.0061381, №222/85/25 ”Дослідження динамічних навантажень колодязних кранів вантажопідйомністю 32/50 тон з метою розробки заходів, що направлені на удосконалення конструкцій машин”, державна реєстрація №0185.0023718, №221/83/636 “Розробка і впровадження заходів по усуненню причин руйнування глобоїдних передач і підвищенню динамічної точності лінії приводу нажимних гвинтів стана 1700 холодної прокатки”, державна реєстрація №0183.0011847, №225/85 “Розробка, дослідження і впровадження заходів по удосконаленню устаткування агрегата безперервного відпалювання (АБВ) ЛПЦ-3 ММК”, державна реєстрація №0185.0045412, №223/83 “Дослідження динамічних навантажень у приводних лініях двоклітьового стана 1400”,

державна реєстрація №0183.0038208, №221/84/183 “Розробка заходів по підвищенню точності порізки холоднокатаних листів на агрегатах поперечної різки комбіната ім. Ілліча”, державна реєстрація №0184.0049257. У цих роботах автор приймав безпосередню участь і був їх науковим керівником.

Мета роботи полягає в науковому обгрунтуванні раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа на основі їх динамічного аналізу.

Об'єкт дослідження -удосконалення механічного устаткування для виробництва тонкого листа.

Предмет дослідження -параметри машин і агрегатів для виробництва тонкого листа.

Ідея роботи полягає у використанні методів динаміки складних систем для вибору розрахункових схем, на їх основі розкритті невідомих явищ в процесі формування зовнішніх навантажень, передачі внутрішніх зусиль у машинах і агрегатах при виробництві тонкого листа, спрямованих на підвищення їх ефективності.

Методи досліджень. Теоретичне дослідження взаємодії кернів кліщових захватів колодязних кранів зі зливками основане на теорії пластичності, експериментальне дослідження пластичного течіння матеріалу зливків при входженні кернів різного типу виконане на лабораторній установці, що моделює пластичні макропроцеси. Дослідження динаміки навантаження несучих конструкцій колодязних кранів основане на теорії коливань, виведенні диференціальних рівнянь руху, їх аналізі та розв'язанні. Дослідження динаміки листопрокатних і дресировочних станів комплексне, коли експериментально визначаються власні динамічні характеристики, форми коливань, по котрим вибирається розрахункова динамічна схема, розробляється математична модель. Дослідження агрегатів безперервного відпалювання основане на визначенні віброактивності пічних роликів методами динаміки складних систем, виборі параметрів пружної підвіски навісного привода методами будівельної механіки. Обгрунтування заходів по підвищенню точності довжин листів, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, базується на теорії гнучких, масивних, пружних ниток і теорії коливань. В основу експериментальних досліджень покладено тензометричний метод.

Наукові положення, які виносяться на захист:

- процес входження кернів у зливок являє собою неусталене пластичне формозмінення матеріалу з геометричною подібністю;

- для кожної маси зливка існує тип кернів і зусилля їх затиснення кліщовим механізмом, які забезпечують мінімальне травмування та безпечне транспортування зливка;

- для кожної конструкції колодязного крана і маси зливка існують умови надійного захвату, зона підвищеного ризику при транспортуванні зливка і верхня межа швидкості піднімання;

- надійність захвату зливка істотно підвищується при установленні у механізмі керування кліщами пружного блока; існує раціональне співвідношення між жорсткостями і масами моста і механізма піднімання колодязного крана, коли динамічні навантаження виявляються мінімальними;

- дійсні навантаження у головних лініях станів холодної прокатки при захватах полоси можуть бути визначені тільки при урахуванні проковзування робочих і опорних валків і додаткового момента, який витрачається двигуном на переборення пружних і інерційних сил при деформації кліті; існують раціональні величини попереднього розпору і обтиснень по клітях, при котрих динамічні навантаження у головних лініях будуть мінімальними;

- зниження динамічних навантажень у приводах нажимних гвинтів станів холодної прокатки, скорочення простоювання та підвищення ефективності системи струмного захисту устаткування досягаються установленням у приводі запобігаючої пружно-демпфіруючої системи, використанням спеціального способу гальмування нажимними гвинтами і усуненням зайвих зв'язків в упорному вузлі черв'яка;

- скорочення руйнувань пічних роликів, поривів і дефектів поверхні полоси у агрегатах безперервного відпалювання досягається установленням навісного привода пічних роликів з регульованим пружинним врівноважуючим пристроєм;

виключення дефекту "ребристість" на полосі та валках досягається застосуванням раціональних швидкісних режимів дресировки, системи віброізоляції робочих валків, способу дресировки з одним нижнім приводним шпинделем, амортизатора роликового вимірювача натяжіння;

підвищення динамічної точності агрегатів поперечного різання тонких полос, ресурса правильних роликів, якості поверхні карток, що відрізаються, і їх виходу з рулона, а також скорочення витрат покриття при їх оздобленні досягаються застосуванням стабілізатора прогину полоси, способу різання з натяжінням полоси на вході у правильну машину, гальмового генератора для замикання люфтів у лінії приводу ріжучих барабанів.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- вперше установлено вплив динамічних процесів у механізмі піднімання на надійність захвату з урахуванням пластичного формозмінення матеріалу при входженні кернів у зливок і пружності кліщів, визначені умови надійного захвату, зона підвищеного ризику і верхня межа швидкості піднімання зливків, раціональне співвідношення параметрів механізмів керування кліщами, піднімання, металоконструкції моста;

- установлено, що максимальні динамічні навантаження, які діють на металоконструкцію моста, механізми піднімання і керування кліщами виникають при падінні і перехваті зливка, розроблена методика їх розрахунку;

- розроблена методика визначення динамічних навантажень у станах холодної прокатки, яка враховує динамічну взаємодію головної лінії, пружної системи кліті та зони деформації, а також можливість проковзування робочого і опорного валків і додатковий момент, який витрачається двигуном на переборення інерційних та пружних зусиль при деформації кліті;

- установлено, що для рівномірного завантаження механічного устаткування і зниження пікових навантажень при захваті полоси у приводних лініях безперервних станів холодної прокатки необхідно прагнути до такого режиму роботи, коли відносні обтиснення у всіх клітях, окрім останньої, однакові, а в останній складають 10-15%;

- вперше установлено, що переобтяження у лінії приводу нажимних гвинтів, які викликають спрацювання запобігаючих муфт, руйнування і простоювання станів, обумовлені люфтами у кінематичних парах і особливостями гальмування самогальмуючого глобоїдного редуктора, а зниження ресурса глобоїдного редуктора відбувається через наявність зайвих зв'язків в упорному вузлі черв'яка; для їх усунення запропоновані та впроваджені принципово нові технічні рішення;

- установлено, що причиною поривів і травмування поверхні полоси, руйнування шийок пічних роликів у агрегатах безперервного відпалювання є віброактивність приводу їх обертання, усунення котрої досягається застосуванням привода з регульованою пружинною системою врівноважування;

- установлено, що недостатня кінематична точність зубчастого зачеплення у редукторі приводної лінії робочих валків дресировочного стана з індивідуальним редукторним приводом, автоколивання, котрі з'являються внаслідок виникнення замкнутого контуру в кінематичному ланцюгу дресировочного стана з груповим приводом, динамічна неврівноваженість роликового вимірювача натяжіння дресировочного стана з індивідуальним приводом через опорні валки є причинами "ребристості" на поверхні листів і валків, для усунення котрих розроблені нові технічні рішення;

вперше установлено, що ривок натяжіння у полосі в момент різання "просмикує" полосу правильних роликів, розвантажує приводну лінію роликоправильної машини і призводить до розкриття зазорів, а коли поздовжнє зусилля з боку полоси і момент сил різання зникають, відбувається ударне замикання люфтів, що призводить до розбіжностей довжин карток і зниження динамічної точності агрегатів поперечного різання, для усунення котрих на рівні винаходів запропоновані та впроваджені принципово нові пристрої.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обгрунтована:

- застосуванням апробованих методів теоретичної механіки та динаміки машин з пружними ланками;

- достатнім співпадінням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, розбіжність не перевищує 22%.

Наукове значення роботи полягає в обгрунтуванні параметрів кернів кліщових захватів, що мінімально травмують зливки, в оптимізації конструктивних і режимних параметрів колодязних кранів за критерієм мінімальних динамічних навантажень при достатній надійності захвату зливка, у розкритті механізму високої віброактивності та переобтяжень механічного устаткування станів холодної прокатки, в установленні впливу пружного підвішування навісного привода на динаміку навантаження пічних роликів агрегатів безперервного відпалювання, у розкритті механізму виникнення “ребристості” валків і полос при обробці на дресировочних станах, у встановленні причин розбігу довжин карток, що відрізаються, в обгрунтуванні рішення, яке підвищує динамічну точність агрегатів поперечного різання.

Практичне значення роботи полягає в тому, що для зниження травмованості зливків запропоновані форми кернів та вузли їх рухомого закріплення у кліщевині; для підвищення надійності захвату зливків і зменшення віброактивності запропонований пружний блок механізму керування кліщами. Для натискних пристроїв безперервних станів холодної прокатки розроблена конструкція пружно-демпфіруючого пристрою, що дозволяє істотно зменшити жорсткість і загальний зазор у лінії приводу, підвищити її демпфіруючі характеристики; запропоновано спосіб керування нажимними гвинтами установочних механізмів прокатного стана і пристрій для реалізації способу, котрий виключає можливість заклинювання в самогальмуючій черв'ячній парі та істотно знижує динамічні навантаження в лінії приводу і в опорних вузлах черв'ячного вала редуктора; запропонована конструкція вузла упорних підшипників з самовстановлюючими елементами; маючи на увазі забезпечення надійності роботи механізмів обертання пічних роликів запропонована установка регульованих пружинних опор під навісні приводи; з метою усунення дефекту "ребристість" для дресировочного стана 2500 розроблена система віброізоляції робочих валків; на дресировочному стані 1700 запропонована схема приводу, яка виключає появу замкнутого механічного контура; для позбавлення від підвищеної віброактивності роликового вимірювача дресировочного стана 1400 розроблено три варіанти реконструкції підшипникових опор; з метою підвищення динамічної точності агрегатів поперечного різання запропоновані та упроваджені винаходи, котрі дозволили усунути немірні довжини, підвищити вихід карток з рулона і скоротити витрати олова при їх лудінні.

Практична реалізація роботи:

- впроваджена методика вибору раціональних параметрів механізма піднімання та керування кліщами колодязних кранів у проектному інституті при заводі „Сибтяжмаш”;

- на кліщовому колодязному крані слябінга 1150 Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджена пружна штанга у механізмі керування кліщами, вузол рухомого закріплення керна у кліщовині, а також керни зі сферичною робочою поверхнею, що скоротили руйнування устаткування і травмованість зливків;

-Уральського машинобудівного завода в практику проектування станів холодної прокатки впроваджена методика розрахунку і конструктивна схема пружно-запобігаючої системи для приводу механізма установки валків;

- на стані 1700 холодної прокатки Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджені система амортизації і спосіб керування приводом установочного механізма четвертої кліті, котрі зменшили динамічні навантаження і підвищили точність прокатного профіля;

- у приводі установочного механізма п'ятої кліті стана 1700 холодної прокатки Карагандинського металургійного комбіната впроваджена пружно-запобігаюча система, яка дозволила підвищити точність профіля, що катається, і скоротити руйнування запобігаючих ланок та простої стана;

- на стані 1700 холодної прокатки Карагандинського металургійного комбіната впроваджені режими обтиснень по клітях, що забезпечують мінімальні навантаження в приводах клітей при захватах полоси;

- на дресировочному стані 2500 Магнітогорського металургійного комбіната впроваджені раціональні швидкісні режими дресировки, при котрих не виникає дефект „ребристість” на поверхні холоднокатаних полос;

- на дресировочному стані 1700 Карагандинського металургійного комбіната впроваджений режим дресировки з одним приводним валком, що дозволило позбавитись вібрацій, перенавантажень у шпинделях і скоротити витрати опорних і робочих валків;

- на двоклітьовому дресировочному стані 1400 Карагандинського металургійного комбіната впроваджені спосіб підбору робочих і опорних валків, а також раціональні швидкісні режими дресировки, при котрих істотно знижуються віброактивність стана, скорочуються витрати опорних і робочих валків, брак по дефекту „ребристість” на поверхнях полос та валків;

- на агрегатах поперечного різання тонких полос стана 1700 холодної прокатки Маріупольського металургійного комбіната ім. Ілліча впроваджені пристрій для компенсації люфтів у приводі і стабілізатор прогину полоси, що дозволили підвищити точність листів, що відрізаються, і вихід карток з мінімальним допуском;

- на агрегатах поперечного різання цеху жесті Магнітогорського металургійного комбіната впроваджені пристрої, що дозволили підвищити точність і якість карток, що відрізаються, їх вихід з мінімальним допуском, скоротити витрати покрить при оздобленні.

Апробація роботи. Основні положення дисертації оприлюднені і отримали підтримку на VI Міжнародній нараді по теорії механізмів і машин (Ленінград, 1971 р.), на IV Міжнародному конгресі по теорії механізмів і машин (Англія, Ньюкасл, 1975 р.), на І Всесоюзному з'їзді по теорії механізмів і машин (Алма-Ата, 1982 р.), на ІІ Всесоюзному з'їзді по теорії механізмів і машин (Одеса, 1987 р.), на ІІ Всеукраїнській науковій конференції „Математичні проблеми технічної механіки” (Дніпродзержинськ, 2002 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (Дніпропетровськ, 2002 р.), на засіданні об'єднаного науково-технічного семінару в Дніпродзержинському державному технічному університеті (Дніпродзержинськ, 2003 р.), на засіданні об'єднаного науково-технічного семінару в Донецькому національному технічному університеті (Донецьк, 2003 р.), на засіданні об'єднаного семінару в Національній металургійній академії України (Дніпропетровськ, 2003 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 34 статті у фахових наукових виданнях, отримано 16 авторських свідоцтв на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з загальної характеристики роботи, шести глав, висновків, викладена на 298 сторінках машинописного тексту, містить 121 рисунок, 13 таблиць, список використаних джерел з 150 найменувань і 21 сторінку додатків. Загальний обсяг роботи - 465 сторінок.

Робота виконана у Дніпродзержинському державному технічному університеті. При виконанні досліджень автору була надана допомога з боку доцента кафедри „Механічне обладнання металургійних заводів” Бейгула О.О.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан проблеми, мета роботи, постановка задач досліджень

Операції по зняттю зливків з залізничних платформ, посадці їх у нагрівальні колодязі, вийняттю з колодязів і посадці у зливковоз виконують колодязні крани, які відрізняються від мостових кранів загального призначення підвісом вантажу і наявністю кліщового механізма для захвату і транспортування зливків. Загальні питання кранових конструкцій висвітлені з працях Олександрова М.П., Дукельського О.І., Іванченка Ф.К., Казака С.А., вантажозахватні пристрої - у працях Андреєва О.Ф., Вайнсона О.О., Четвертака О.М., Шиферштейна Е.І. Аналіз літературних джерел показав, що зниження навантажень відбувається в основному по шляху зміни жорсткості ланок машин. В цьому ж напрямку удосконалюються методи розрахунку на міцність металоконструкцій вантажопідйомних машин. Проектування вантажопідйомних машин з використанням методів, що враховують вплив співвідношення жорскостей і мас на динамічні навантаження багатомасових систем, не знайшло відповідного застосування на практиці.

У прокатному виробництві першорядне значення мають питання вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів, які дозволяють забезпечити високу точність листа, максимальну продуктивність стана. У сучасних умовах виробництво холоднокатаних листів відбувається на безперервних станах холодної прокатки, у яких формуються геометричні розміри і форма полос. Зростаючі вимоги до геометричної точності прокатки викликають необхідність значного підвищення швидкочинності установочних механізмів. У цьому напрямку відомі наукові праці Большакова В.І., Василева Я.Д., Іванченка Ф.К., Кожевникова С.М., Лєнського О.М., Мазура В.Л., Праздникова А.В., Саф'яна М.М., Чекмарьова О.М. Разом з тим аналіз відомих праць дозволяє заключити, що виконані дослідження не дають інформації про

природу дійсних процесів, що виникають у головних лініях листопрокатних станів, в них не запропоновані ефективні методи зниження динамічних навантажень, посилення затухання коливань у лінії приводу і зменшення різнотовщинності листа.

Для сучасного прокатного виробництва характерне впровадження безперервних процесів, у тому числі агрегатів безперервного відпалювання листового прокату у вертикальних протяжних пічах, до яких ставляться підвищені вимоги відносно надійності та довговічності, оскільки їх ремонт супроводжується тривалою зупинкою чи порушенням режиму роботи в цілому. Споріднені питання висвітлені у працях Іванової Н.І., Лаврентика І.І., Маковського В.А., Тимчака В.М.

На поверхні холоднокатаних листів поява “ребристості” приводить не тільки до погіршення зовнішнього вигляду кузова автомобіля, але і до зниження механічних властивостей таких листів при глибокій та складній штамповці. Виявленню причин “ребристості” присвячені праці Ананьєвського М.Г., Беняковського М.О., Файнберга Л.Б., Шварцмана З.М., де відзначається, що джерелом дефекту “ребристість” є коливання устаткування під час прокатки чи дресировки полоси. Разом з тим, вплив режимів роботи устаткування на якість поверхні листів, що дресируються, розглянуто недостатньо.

Різання полоси на мірні довжини робиться у холодному стані на агрегатах поперечного різання. Аналіз існуючої інформації свідчить про те, що практично відсутні рекомендації по підвищенню точності довжин карток, що відрізаються на агрегатах поперечного різання, без спеціальних систем вирівнювання швидкостей полоси і ножів.

В зв'язку з наведеним сформульована наступна мета роботи: наукове обгрунтування раціональних параметрів машин і агрегатів для виробництва тонкого листа на основі їх динамічного аналізу. Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і розв'язані наступні задачі:

Дослідження динамічних процесів у механізмах кліщових колодязних кранів, розробка заходів по підвищенню їх надійності та зниженню травмованості зливків.

Дослідження динамічних процесів у приводних лініях тонколистових станів холодної прокатки і розробка заходів по підвищенню їх надійності.

Дослідження і впровадження заходів по вдосконаленню устаткування агрегатів безперервного відпалювання полос.

Дослідження динамічних процесів у приводних лініях дресировочних станів, розробка і впровадження заходів по зниженню їх віброактивності.

5 Дослідження динамічних процесів у агрегатах поперечного різання і обгрунтування заходів по підвищенню точності довжин холоднокатаних листів, що відрізаються.

Розділ 2. Дослідження динамічних процесів у механізмах кліщових колодязних кранів, розробка і впровадження заходів по підвищенню їх ефективності

Кліщові колодязні крани забезпечують посадку зливка у нагрівальні колодязі і видачу їх на технологічну лінію прокатки. Удосконалення кліщів колодязних кранів вимагає розв'язання цілого комплексу проблем, серед яких чільне місце посідає надійність захвату зливків. У цьому зв'язку виконано експериментальне дослідження процесу захвату зливка кернами на лабораторній установці, в тому числі моделювання цього процесу та планування експерименту.

Отримані аналітичні вирази, побудовані графіки залежностей зусиль зажиму від глибини проникання для клина і конуса

(1)

де _Т - границя текучості при чистому зсуві, Па;

W - ширина клина, м.

- половина кута при вершині керна, рад;

- кут розхилу центрованого поля ліній ковзання, рад;



(2)

Отримані аналітичні вирази для визначення критичних тангенціальних зусиль для клина і конуса

(3)

(4)

установлені емпіричні залежності для обчислення зусиль, необхідних для проникання сферичних та зубчастих кернів на певну глибину

(5)

(6)

де D - діаметр сферичного керна, м;

п - число зубців зубчастого керна.

Критичні зусилля, які викликають проковзування зливка відносно сферичного та зубчастого кернів, з урахуванням перерозподілу площі контакту зі зливком:

(7)

(8)



Побудовані графіки залежностей глибини проникання кернів від маси зливків та зусиль зажиму від глибини проникання для сферичних, зубчастих, призматичних та конусних кернів.

Розглянуті динамічні процеси у механізмі піднімання з урахуванням пружності кліщів та їх впливу на надійність захвату зливків. Зроблено припущення, що намотка підйомних канатів на барабан відбувається з постійною швидкістю v₀, а тертя у кулісному механізмі кліщів відсутнє.

На підставі розв'язання системи рівнянь отримані умови надійності захвату зливка:

(9)

(10)

де т₁ - маса кліщового захвату, кг;

т₂ - маса зливка, кг;

С₁ - приведений коефіцієнт жорсткості канатів, Н/м;

С_п - приведений коефіцієнт жорсткості захватних важелів, Н/м

v - швидкість піднімання зливка, м/с.

З метою розробки математичного апарату для оцінки максимальних навантажень розглянуті процеси, що виникають у кінематичному ланцюгу механізму керування кліщами, в тому числі посування рухомих частин кліщового захвата при його розкритті, коли має місце слабина каната механізма керування кліщами. На першому етапі посування відбувається усунення зазору у вигляді слабини каната, на другому етапі починає рухатись маса рухомих частин кліщового захвата. Отримано вираз коефіцієнта переобтяження пружного зв'язку при замиканні кліщів для випадку падіння і перехвату зливка

, (11)

де - приведений зазор, м;

F_max - максимальне динамічне навантаження пружного зв'язку, Н;

С - коефіцієнт жорсткості підвіски, Н/м.

Коефіцієнт переобтяження, що відповідає замиканню кліщів при падінні зливка, визначається підстановкою у формулу (11) маси рухомих частин кліщового захвату (т = т_кз), коефіцієнта жорсткості каната механізма керування С і зазору , що обумовлений слабиною каната. Коефіцієнт переобтяження, що відповідає замиканню кліщів при перехваті зливка, для випадку h < визначається підстановкою у формулу (11) маси зливка (т = т_с), коефіцієнта жорсткості підйомних канатів С₁ і зміщення зливка h відносно кернів, а при h > - маси т = т_с, коефіцієнта жорсткості каната механізма керування С і зазору .

Слабина каната механізма керування кліщами є необхідним експлуатаційним параметром, котрий забезпечує нормальні умови захвату при дозажатті зливка і виключає спонтанне відкриття кліщів при підніманні; у той же час зазор у кінематичному ланцюгу у вигляді слабини каната обумовлює динамічні навантаження у приводній лінії, котрі викликають руйнування елементів механізма керування кліщами. Враховуючи актуальність цього питання, виконано експериментальне дослідження навантаження механізма керування кліщами колодязного крана вантажопідйомністю 32/50 т з метою виявлення причин руйнування устаткування та розробки заходів по їх усуненню.

Оцінка динамічних навантажень, діючих на металоконструкцію моста і механізм піднімання, викликаних падінням чи перехватом зливка, виконується за допомогою двомасової розрахункової схеми (рис. 1) з наступним аналізом впливу деяких параметрів системи на величину навантажень у пружних зв'язках. До таких параметрів віднесені С₁ - коефіцієнт поперечної жорсткості балок моста, т₁ - сумарна маса моста і візка; С₂ - коефіцієнт поздовжньої жорсткості канатів механізму піднімання, т₂ - сумарна маса вантажу і вантажозахватного пристрою.

Для запропонованої розрахункової схеми система диференціальних рівнянь має наступний вигляд:

(12)

На підставі розв'язання системи рівнянь (12) отримані власні кругові частоти і максимальні зусилля у зв'язках

(13)

де

(14)

(15)

З формул (13) - (15) виходить, що власні кругові частоти р₁, р₂ і зусилля F₁, F₂ залежать від співвідношень коефіцієнтів жорсткості = С₁/С₂ та мас = т₁/т₂. Показано, що існує оптимальне співвідношення між жорсткостями і масами моста і механізма піднімання, коли динамічні навантаження виявляються мінімальними; для керування співвідношенням між жорсткостями моста і механізма піднімання з метою мінімізації динамічних навантажень запропоновано ввести у силову схему штанги і поліспасного блока амортизатор з регульованим коефіцієнтом жорсткості.

Вперше виконано експериментальне дослідження динамічних навантажень і характеру їх розподілу при сумісній роботі механізмів піднімання, керування кліщами і металоконструкції моста при виконанні операцій захвату та звільнення зливка, звільнення зливка у повітрі, а також зрив і перехват зливка з амортизатором і без амортизатора, встановленого у ланцюгу механізма керування кліщами, в результаті котрих установлено, що максимальні динамічні навантаження на міст і механізм піднімання виникають при перехваті зливка кліщами.

Виявлено, що основною причиною незадовільної роботи двомоторного приводу механізму пересування моста є різні величини зазорів у лівій і правій гілках приводу і ударне замикання зазорів, тому при пуску відбувається перекіс моста і підвищений знос реборд ходових коліс, а також виникають значні динамічні навантаження, для зменшення котрих запропоновані чотириступінчаста потенціометрична схема керування двигунами при пуску і гальмуванні та заміна зубчастої муфти на пружну.

Розділ 3. Дослідження динамічних процесів у приводних лініях тонколистових станів холодної прокатки, розробка і впровадження заходів по підвищенню їх ефективності

Дослідження динаміки приводних ліній тонколистових станів холодної прокатки виконано на прикладі стана 2800 комбінату „Запоріжсталь”, на якому найбільш яскраво проявляються характерні особливості механізма привода, тому отримані результати мають досить загальний характер і можуть бути використані для розуміння роботи інших листопрокатних станів. При проведенні експериментального дослідження на стані 2800 замірені наступні параметри: крутний момент на корінному валі, тиск металу на валки, струм у ланцюгу якоря двигуна, швидкість обертання робочого валка, швидкість обертання опорного валка, різниця швидкостей між робочим і опорним валками, зазор у силовій лінії, переміщення опорного валка у горизонтальній площині, переміщення робочого валка.

Динамічний аналіз і експериментальні дані показують, що розрахункова схема лінії приводу листопрокатного стана може бути представлена у вигляді тримасової електромеханічної системи з пружним, розривним фрикціонним зв'язком, котра навантажується моментом двигуна М₁ і моментом сил опору М₂ .

Момент М₁ визначається рівняннями, що описують поведінку електродвигуна, а момент М₂ - рівняннями, що описують заповнення зони деформації металом, змінюється в залежності від кута повороту робочого валка. Виведено рівняння напруженого стану в лінії передачі для випадку сумісного руху робочого та опорного валків

(16)

де

а для руху з проковзуванням

(17)

де

Умова сумісності руху робочого і опорного валків:



(18)

а умова проковзування має наступний вигляд:

(19)

Диференціальні рівняння (16) і (17) дозволяють визначати динамічні навантаження у лінії передачі системи у будь-який момент часу.

Отримані рівняння динаміки лінії приводу листопрокатного стана розв'язані методом електронного моделювання. Аналогова модель головної лінії стана 2800 комбіната „Запоріжсталь” побудована відповідно системі отриманих рівнянь, розв'язок її визначають наступні параметри: струм електродвигуна і, швидкість обертання якоря двигуна ₁, момент сил пружності в лінії передачі М₁₂, кутова швидкість робочого ₂ і опорного ₃ валків та їх різниця ₂₃, а також деформація кліті. У відповідності з цим побудовані графіки залежностей динамічних навантажень у головній лінії від конструктивних і режимних параметрів.

На підставі нехтування ковзанням між полосою та валком, уяві про тиск металу на валки у період заповнення зони деформації, що дорівнює середньому тиску при усталеному процесі прокатки, отримано уточнений аналітичний вираз моменту сил опору при прокатці листів

(20)

де в - ширина полоси, м;

r - радіус робочого валка, м;

- початковий кут зустрічі валка з полосою, рад;

- частота обертання валків, 1/с;

- власна частота коливань системи “кліть-валки” при захваті полоси, 1/с.

З виразу (20) після деяких спрощень отримано вираз для максимального моменту прокатки

(21)

Маючи на увазі, що

коефіцієнт технологічного переобтяження дорівнює

(22)

або після перетворень

(23)

де С_п - жорсткість полоси у зоні деформації, Н/м;

С_k - приведена жорсткість кліті, Н/м;



п - С_п/С_k.

Виходячи з енергетичної концепції, отримано вираз для додаткового моменту, що підводиться з боку двигуна через лінію передачі до валків і затрачується на подолання пружних та інерційних сил при поступальному русі системи “кліть-валок”, а також для коефіцієнту статичного переобтяження

(24)

де С_nk = C_k + C_n - приведена жорсткість кліті з урахуванням жорсткості полоси у зоні деформації, Н/м.

(25)

Заміри крутних моментів у шпинделях робочих валків чотириклітьового стана 2500 Магнітогорського металургійного комбіната та п'ятиклітьового стана 1700 Карагандинського металургійного комбіната холодної прокатки показали, що при захватах полоси валками у приводних лініях виникають пікові навантаження, що в 1,2-2,0 рази перевищують навантаження у стаціонарному режимі прокатки. Значення коефіцієнтів статичного переобтяження для приводних ліній цих станів по результатам обробки експериментальних даних отримані наступними (№1-5-кліті):

З метою виявлення частого спрацьовування муфт граничного моменту виконано експериментальне дослідження процесів, що виникають при прокатці у приводних лініях нажимних пристроїв другої та п'ятої клітів безперервного стана 1700 холодної прокатки КарМК. Виявлено, що при розгоні максимальні пікові навантаження істотно залежать від характеру змінення електромагнітного моменту двигуна. Введення при розгоні приступки у струмовій діаграмі двигуна знижує динамічні навантаження, але при цьому зменшується швидкочинність нажимних гвинтів і погіршується якість регулювання профілю.

З метою розробки математичного апарату для оцінки пікових навантажень і заходів для їх зниження розглянуті динамічні процеси, що виникають у пружній електромеханічній системі приводу нажимних гвинтів. В результаті аналізу конструкції механізма і його частотної характеристики, отриманої експериментально, виявлено, що розрахункова схема для дослідження динамічних навантажень лінії приводу нажимних гвинтів безперервного стана 1700 холодної прокатки КарМК може бути представлена у вигляді двомасової системи з пружним, розривним зв'язком.

Сформульована задача визначення величини і характеру динамічних навантажень, що виникають у пружному зв'язку розглянутої системи у будь-яку фазу руху приводної лінії. Отримана система диференціальних рівнянь, що описують коливання у лінії приводу

(26)

де ₁, ₂ - кути повороту першої і другої мас відповідно, рад;

І₁, І₂ - моменти інерції першої і другої мас відповідно, кгм²;

С₁₂ - крутильна жорсткість валопроводу, Нм/рад;

М₁, М₂ - зовнішні моменти, що діють на першу і другу маси відповідно, Нм.

Для підвищення точності визначення зусиль у зв'язках система рівнянь (26) зведена до одного диференціального рівняння у відносних кутах повороту

₁₂=₁-₂.

(27)

Приймаючи початкову умову такою, що зазор у лінії приводу розкритий наполовину, одержані наступні додаткові умови\

(28)

Таким чином система рівнянь, що описують напружений стан у приводній лінії нажимних гвинтів з урахуванням затухання, має наступний вигляд:

(29)

Оскільки система (29) істотно нелінійна, її розв'язок виконано з залученням аналогової обчислювальної машини. Аналіз результатів електронного модулювання свідчить про те, що ефективне зниження пікових навантажень може бути досягнуто зменшенням жорсткості приводної лінії, зазорів у з'єднаннях кінематичних пар, збільшенням демпфіруючих властивостей приводної лінії та моменту інерції двигуна. На цій підставі розроблено і впроваджено пружно-демпфіруючий пристрій у лінії приводів нажимних гвинтів стана 1700 холодної прокатки КарМК.

Виконано дослідження впливу передач, що самогальмуються, на динамічні навантаження у лінії приводу нажимних пристроїв тонколистових станів на перехідних режимах.

Під час гальмування зазор розкривається і з вхідного вала самогальмуючого глобоїдного редуктора раптово зникає момент двигуна, а оскільки передача руху від колеса на черв'як неможлива, то миттєво гальмується черв'ячна пара і виникає ударне замикання зазорів. Після ударного замикання зазору максимальний момент М сил пружності у приводній ділянці вала визначається диференціальним рівнянням

(30)

де

і - передаточне число черв'ячної пари.

Розв'язок рівняння (30)

(31)



- величина зазору у приводному валі, рад.

Максимальний момент сил пружності у приводній ділянці вала

(32)

При постійному моменті гальмування коефіцієнт динамічності у приводі складає

(33)

Після замикання зазору, коли пружні коливання у лінії приводу затухають, на вхідний вал черв'ячного редуктора діє момент гальмування, котрий уповільнює механізм установки валків. При цьому у зчепленні черв'ячної пари виникають навантаження, оцінку котрим дають наступні рівняння:

кінематичне рівняння

(34)

основне силове співвідношення у черв'ячній парі

(35)



де P_r - окружне зусилля черв'яка, Н;

P_k -окружне зусилля черв'ячного колеса, Н;

- кут тертя, рад;

- кут підйому гвинтової лінії черв'яка, рад.

рівняння руху черв'ячного колеса і черв'яка при гальмуванні

(36)

(37)

де І_k - момент інерції черв'ячного колеса і наступних мас, котрі обертаються на осі колеса, кгм²;

I_r - момент інерції черв'яка, кгм².

У результаті сумісного розв'язання рівнянь (34)-(37) отримано динамічний момент на черв'ячному колесі

(38)

Розрахунковий момент на колесі дорівнює М_к, тоді коефіцієнт переобтяження передачі складає

...