Модернизация летучих ножниц непрерывного широкополосного стана 2000

Ножницы с верхним резом просты по конструкции. Принцип работы этих ножниц состоит в следующем: нижний нож установлен неподвижно в станине ножниц; верхний нож укреплен в суппорте (ползуне) и при помощи кривошипного или гидравлического привода движется вниз и разрезает металл (рис. 3.1). Следует отметить, что резку металла можно осуществить лишь при наличии качающегося рольганга за ножницами, что усложняет конструкцию всей установки.



Рис. 4.1 Схема резки на ножницах с параллельными ножами: а) - с верхним резом; б) - с нижним резом; 1 - прижим; 2 - верхний суппорт; 3 - нижний суппорт; 4 - задний подъемно - качающийся рольганг

Ножницы с нижним резом не имеют этого недостатка и поэтому получили более широкое применение. Схема работы ножниц заключается в следующем: нижний нож смонтирован на суппорте (ползуне), который может подниматься вверх от кривошипного или гидравлического привода; верхний нож установлен в верхнем суппорте (ползуне) и тоже может перемещаться по вертикали.

Перед началом резания ножи раскрыты, и металл проходит между ними по рольгангу; нижний нож при этом находится ниже уровня поверхности (образующей) роликов рольганга и не мешает движению металла. Затем металл останавливается в необходимом положении (при помощи передвижного упора) и суппорт верхнего ножа опускается до соприкосновения с металлом; дальнейшее продвижение верхнего суппорта прекращается и начинает двигаться суппорт нижнего ножа; при этом происходит резание металла.

Ножницы с параллельными ножами конструктивно выполняют двух типов: с электромеханическим и гидравлическим приводами. Наиболее широкое применение получили ножницы с нижним резом и электромеханическим приводом эксцентрикового вала (нижнего или верхнего суппорта).

Эти ножницы имеют нижний приводной эксцентриковый вал, гидравлическое уравновешивание ползунов и гидравлический прижим. Ножницы этого типа рассчитаны на максимальные усилия резания 12,5; 16 и 20 МН; кинематические схемы этих ножниц аналогичны. Эксцентриковый (плавающий) вал приводится от электродвигателя. Ход ножей 350 мм, перекрытие ножей 15 мм, число полных ходов в минуту 8-12, число резов в минуту 5-8. Степень неуравновешенности механизма резания регулируется при настройке гидросистемы, при этом достигается условие, чтобы при повороте эксцентрикового вала сначала двигался вниз верхний суппорт.

Достоинства ножниц с параллельными ножами следующие:

резание совершается при ходе вверх нижнего ножа. При этом разрезаемый металл приподнимается нижним суппортом над рольгангом и ролики рольганга не испытывают усилий при резании;

прижим затрудняет искривление металла при резании и способствует получению ровного торцевого сечения;

усилие резания и боковые распирающие усилия воспринимаются только механизмом резания и на станину и фундамент не передаются;

расположение эксцентрикового вала на суппорте упрощает установку привода на низком фундаменте.

Гидравлические ножницы по конструкции значительно проще механических ножниц с электроприводом, так как они имеют ряд важных преимуществ, таких, как большое число ходов в минуту, т.е. большую производительность, простоту конструкции, меньшую массу оборудования и меньшую площадь, занимаемую ножницами в цехе.

Недостатком является то, что для работы таких ножниц требуется применение индивидуальных гидростанций большого давления.

4.2 Ножницы с наклонными ножами (гильотинные)

Гильотинные ножницы конструктивно выполняют двух типов: открытого и закрытого (рис. 3.2).

Рис.4.2. Схема гильотинных ножниц открытого (а) и закрытого (б) типов: 1 - нижний нож; 2 - верхний нож; 3 - прижим

Ножницы открытого типа имеют короткие ножи и одну станину с боковым просветом, через который подается разрезаемый металл; их применяют главным образом для резки сортового металла в холодном состоянии; в последнем случае форма ножей соответствует профилю сечения разрезаемого металла. Верхний (подвижной) нож - наклонный с углом наклона 2-5°.

Ножницы закрытого типа имеют две станины, соединенные внизу траверсой; в просвете между станинами перемещается суппорт с ножом.

Эти ножницы применяют для поперечной резки широких полос и листов в холодном и горячем состоянии. В зависимости от назначения ножницы закрытого типа выполняют с верхним или нижним подвижным ножом.

Ножницы с верхним подвижным ножом применяют главным образом как отдельно стоящие в прокатном цехе, а также в поточных линиях для поштучной резки листов на нужные размеры и обрезки боковых кромок.

Ножницы с нижним подвижным ножом обычно устанавливают в линии рольганга прокатного стана или в агрегатах резки полосы, т.е. в поточных технологических линиях; на этих ножницах осуществляется только поперечная резка или отрезка переднего и заднего конца у длинных полос.

В ножницах с верхним подвижным ножом этот нож установлен наклонно, а нижний нож - горизонтально. Угол наклона принимают в пределах 1-6⁰ в зависимости от толщины разрезаемых листов (чем больше толщина, тем больше угол наклона) с целью уменьшения усилия резания.

В ножницах с нижним подвижным ножом нож установлен прямо (а верхний наклонно, как в первом случае) или наклонно (а верхний - прямо). Практика показывает, что при резании верхним наклонным ножом полоса (лист) выгибается и рез получается косой; при резании нижним наклонным ножом полоса (лист) прижимается к верхнему прямому ножу и рез получается прямым (перпендикулярным). Поэтому на ножницах с нижним подвижным ножом последний устанавливают наклонно.

4.3 Дисковые ножницы

Дисковые ножницы применяют для обрезки кромок у широких полос и резки этих полос вдоль на более узкие полосы роспуска (рис. 3.3).

Рис. 4.3 Схема резки металла дисковыми ножницами: а) ножи установлены в одной вертикальной плоскости: б) верхний нож смещен в направлении движения полосы: 1 - диски ножей; 2 - полоса; 3 - кромка листа

Для получения качественной резки (прямой рез без заусенцев) дисковые ножи устанавливают с радиальным перекрытием Д = 1…3 мм (чем толще полоса, тем меньше перекрытие ножей). При толщине листа Н10 мм применяют отрицательное перекрытие с небольшим боковым (горизонтальным) зазором д = (0,05-0,08)Н (при резании полосы толщиной менее 0,2 мм ножи устанавливают плотно, без зазора). Толщину диска принимают в пределах 0,06-0,1 D.

Ножи изготовляют из хромовольфрамовой стали марки 5ХВС с твердостью после термообработки до 60 HRC; угол заострения ножей принимает 90° (ножи строго цилиндрические).

Если центры дисковых ножей установлены в вертикальной плоскости, то полоса на выходе из ножей будет изгибаться вверх (хотя и незначительно), а обрезаемая боковая кромка пойдет сначала горизонтально, а потом вниз (под собственной тяжестью). Для того чтобы полоса после резания выходила прямо, верхний нож смещают по направлению ее движения относительно нижнего ножа. Для направления и прижима полосы при резке имеются холостые верхние и нижние ролики.

4.4 Летучие ножницы

Летучие ножницы предназначены для резки полосы в процессе ее движения на ходу («на лету»), как правило, с большой скоростью. По конструкции летучие ножницы подразделяют на барабанные, качающиеся, маятниковые, кривошипно-рычажные. Во многих случаях работоспособность этих ножниц определяет производительность стана или агрегата.

4.4.1 Летучие ножницы качающегося типа

Летучие ножницы качающегося типа в последние годы широко применяют для поперечной резки рулонов на листы мерной длины. Принципиальная схема работы ножниц показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Схема летучих ножниц качающегося типа: 1 - рама; 2,9 - эксцентрики главного приводного вала; 3 - главный приводной вал; 4,8 - шатуны; 5 - эксцентрики вспомогательного вала; 6 - вспомогательный вал; 7 - суппорт

Верхний нож закреплен на раме 1 которая может совершать качательные движения на эксцентриках 2 главного приводного вала 3 при помощи шатунов 4, соединенных с эксцентриками 5 вспомогательного вала 6, имеющего дополнительный привод, кинематически связанный с приводом главного вала.

Нижний нож закреплен на суппорте 7 и перемещается в направляющих пазах рамы 1 при помощи шатунов 8, соединенных с эксцентриками 9 главного вала 3. Эксцентрики 2 и 9 расположены на валу диаметрально противоположно, поэтому при равномерном вращении; главного вала 3 верхний нож опускается, нижний поднимается и происходит резание полосы. При этом вспомогательный вал 6 вращается в ту же сторону, что и главный вал, шатуны 4 «качают» раму 1 на эксцентриках 2 и ножи описывают эллипсовидные траектории. Амплитуда качания рамы с ножами определяется положением эксцентриков 5 вала 6 относительно положения эксцентриков 2 главного вала 3.

Регулирование исходного положения вала 6 и амплитуды качания рамы 1 возможно осуществлять на ходу (при работе ножниц), благодаря чему достигается точное согласование скоростей ножей и полосы в момент резания. Главный вал 3 вращается от электродвигателя через коробку скоростей с бесступенчатым вариатором; от этого же двигателя приводится правильная машина (с подающими роликами), входящая в состав ножниц.

Летучие качающиеся ножницы имеют следующие преимущества:

простота и надежность режущего механизма; постоянство бокового зазора между ножами, благодаря чему обеспечивается качественное, почти перпендикулярное резание полосы;

режущий механизм имеет небольшие габариты и маховые массы, приводные валы вращаются почти равномерно;

мерная длина листов регулируется на ходу при помощи беступенчатого регулятора скоростей, за счет чего достигается высокая точность резания листов.

4.4.2 Маятниковые летучие ножницы

Маятниковые летучие ножницы просты по конструкции и надежны в эксплуатации, однако вследствие большой инерционности движущихся масс весьма тихоходны. Ножницы применяют для резания на ходу металла, движущегося со скоростью до 2,5 м/с. На рис. 4.5 представлена схема маятниковых ножниц конструкции ВНИИметмаша - СКМЗ[2].

Рис. 4.5. Схема маятниковых летучих ножниц: 1 - нижний суппорт; 2 - нижний нож; 3 - приводной вал; 4 - шатун;5- верхний суппорт с ножом; 6 - направляющие пазы 7 - контргруз; 8 - амортизатор

На среднем эксцентрике верхнего приводного вала 3 подвешен шатун 4 с суппортом 5 и верхним ножом. На двух боковых эксцентриках вала подвешен нижний суппорт 1 с ножом.

При повороте эксцентрикового вала на 360° верхний суппорт 5 опускается вниз на величину двойного эксцентриситета, а нижний суппорт 1 поднимается вверх и возвращается в исходное положение. В промежуточном положении при сближении ножей 2 происходит резание заготовки. Верхний суппорт перемещается в направляющих пазах 6 нижнего суппорта.

При резании движущейся заготовки суппорты, занимавшие перед резанием наклонное положение, движутся влево (по движению заготовки) подобно маятнику, подвешенному на верхнем приводном валу. Возврат маятника в исходное (правое) положение обеспечивается моментом от контргруза 7. Крайние положения маятника фиксируются амортизаторами 8.

Ножницы работают в режиме запусков электродвигателя от фотореле, установленного перед ножницами и засвечиваемого передним концом движущейся по рольгангу горячей заготовки. Ножницы предназначены для отрезки переднего конца горячей заготовки сечением до 150 х 150 мм. Максимальное усилие резания 2 МН, скорость заготовки при резании до 2,5 м/с.

4.4.3 Кривошипно-рычажные ножницы

Кривошипно-рычажные ножницы (рис. 4.6), широко используемые для резки полос толщиной 2-8 мм в холодном состоянии, обычно снабжают механизмом выравнивания скоростей, сообщающим ножам неравномерную скорость в течение полного оборота эксцентриковых валов, но выравнивающих скорость ножей по отношению к скорости полосы в момент реза. Суппорты ножей выполнены в виде рычагов 4, укрепленных одним концом на встречно вращающихся эксцентриковых валах, другим - на свободно качающихся тягах 3. Длина этих тяг несколько больше эксцентриситета эксцентриковых валов.

Рис. 4.6 Схема кривошипно-рычажных ножниц: 1 - ломающиеся рычаги; 2 - рама; 3 - качающиеся тяги; 4 - суппорты ножей

При резании листов длиной 3-6 м ножницы работают с пропуском реза при каждом втором обороте. В этом случае рама 2, на которой закреплены качающиеся тяги, периодически опускается ломающимися рычагами 1, приводимыми в движение специальным кривошипным механизмом, вращающимся со скоростью вдвое меньшей, чем ножницы. В момент, когда рама опущена, ножи не встречаются (на схеме показано пунктиром).

В барабанных летучих ножницах ножи в момент реза встречаются с полосой под некоторым углом, вследствие чего возникают большие ударные нагрузки а плоскость резания не получается вертикальной.

При таких режимах скорость движения ножей всегда значительно больше скорости полосы. При большом опережении ножей напряжения в разрезаемой полосе могут превосходить предел прочности материала полосы, что приводит к разрыву полосы раньше окончания ее резания.

В кривошипно-шатунных ножницах ножи совершают сложную эллипсовидную траекторию, а на участке резания эта траектория почти совпадает с горизонтальным движением полосы (рис. 4.7).



Рис. 4.7 Схема резания полосы на летучих кривошипно-шатунных ножницах: а) схема траекторий ножей; б) схема перемещения ножей в зоне резания

Жесткие рычаги АВС и А`B`C` шарнирно соединены в точках А и А` с рычагами АО и А`О`, центры которых B и B` вращаются по окружности вокруг центров О и О`₁. При вращении шарниров B и B` по окружностям рычаги АВ и А`В` качаются с рычагами АО и А`О`; при этом ножи будут совершать эллиптические наклонные траектории. На участке резания ножи движутся параллельно и горизонтально, благодаря чему плоскость резания будет вертикальной. Для уменьшения усилия резания верхний нож верхний нож устанавливается с наклоном, а боковой зазор между ножами можно регулировать изменением расстояния между шарнирами Аи О.

Одна из конструкций ножниц для реза толстых листов показана на рис. 4.12. Ножницы предназначены для обрезки на ходу переднего и заднего концов у горячен полосы (950-1000°С) толщиной до 30 мм и шириной до 1550 мм и установлены перед чистовым окалиноломателем непрерывной чистовой группы широкополосного стана [1,2].

Каждый суппорт 1 с ножом установлен на роликовых подшипниках, расположенных на концах оси 2; последняя эксцентрично закреплена на боковых втулках 3, опирающихся на роликовые подшипники, установленные в боковых стойках станин ножниц.

Рис. 4.8 Кривошипно-шатунные ножницы для резки толстой полосы конструкции СКМЗ

Втулки 3 торцами соединены с боковыми шестернями 4, находящимися в зацеплении с двумя ведущими боковыми шестернями 5 (i = 3,94) на валу 6, приводимом от электродвигателя мощностью 630 кВт (750/1000 об/мин) через редуктор (i = 2,54) и удлиненную зубчатую муфту. Для устранения изгиба полосы при резании предусмотрен пружинный прижим.

Ножницы работают с автоматическим пропуском на каждый рез, и перед включением двигателя ножи занимают строго фиксированное положение, контролируемое сельсином. Скорость движения полосы 0,6-2 м/с; длина ножей 700 мм, верхний нож наклонный (1:50); окружная скорость ножей соответствует скорости полосы; перекрытие ножей 3-5 мм; точность резания ±25 мм.

Недостатком ножниц является большая инерционность механизма резания при неравномерном движении ножей, поэтому такие ножницы применяют только для резания полосы при скорости до 2 м/с.

Для нормальной работы этих ножниц необходимо, чтобы на участке резания скорость ножей была только на 1-3% больше скорости движения полосы. Поэтому на ножницах для холодной резки применяют специальный механизм, предназначенный для выравнивания скорости ножей и полосы в момент резания.

4.4.4 Барабанные летучие ножницы

Барабанные летучие ножницы (одно- и двухбарабанные), весьма простые по конструкции и надежные в эксплуатации, получили широкое применение для горячей резки широких стальных полос толщиной до 30 мм и мелких сортовых профилей, а также для холодной резки стальных полос толщиной до 3 мм.

На рис. 3.8 показаны однобарабанные летучие ножницы для резки сортовой стали сечением не более 30 x 30 мм. Основные детали ножниц: диск (маховик) 3, который вращается на валу 2, установленном на подшипниках 1; ножи 7, укрепленные на рычагах 6, шарнирно установленных на диске 3 и вращающихся вместе с ним; ролики 5, в неподвижных направляющих 4 на уровне движущейся по рольгангу полосы.

При вращении диска 3 ножи находятся в разомкнутом положении под действием пружины; для резки движущейся полосы ролики 5 сближаются, в этом случае при вращении диска рычаги б находят на ролики 5 и заставляют ножи сближаются автоматически при помощи специального нажимного устройства от действия флажка или фотоэлемента, установленного на рольганге.

Принцип работы двухбарабанных ножниц показан на рис. 3.9. На двух барабанах по их образующим радиально закреплены ножи (по одному или по несколько на каждом барабане). Полоса движется непрерывно и подается к ножницам роликами с постоянной скоростью. При встрече верхнего и нижнего ножей происходит резание полосы. Так как барабаны вращаются равномерно с постоянной угловой скоростью и вращающиеся массы полностью уравновешены, то эти ножницы позволяют резать металл со скоростью 15 м/с и более.

Рис. 4.8 Однобарабанные летучие ножницы: 1 - опора вала; 2 - приводной вал; 3 - диск; 4 - направляющие; 5 - прижимные ролики; 6 - рычаги; 7 - ножи

При резании металла барабанные летучие ножницы могут работать в двух основных режимах:

1) периодические запуски и остановки;

2) непрерывное вращение барабанов (непрерывный режим).

Режим периодических запусков применяют в случаях резки короткого переднего конца полосы (некондиционного, имеющего неправильную форму) и для разрезки полосы на отдельные куски при небольшой скорости ее движения.

По этому режиму ножницы запускают в ход для каждого единичного реза, а затем тормозят или останавливают.

При непрерывном режиме полоса поступает к ножницам с постоянной скоростью, а разрезание происходит через определенные промежутки времени.



Рис. 4.9 Схема двухбарабанных летучих ножниц

Процесс резания характеризуется двумя периодами: в начале реза происходит вмятие ножей в металл; когда врезка ножей достигает определенной величины, начинается процесс сдвига, т.е. процесс самого резания. Величина зон вмятия и резания зависит от механической характеристики материала, геометрии и толщины разрезаемой полосы. При проектировании и выборе конструктивных параметров ножниц нужно иметь в виду следующее:

1) кинематика барабанных ножниц.

В соответствии со схемой работы барабанных ножниц (рис. 3.9) полоса подается к ножницам со скоростью V_р = V_n.. Если барабаны будут иметь одинаковые диаметры и по одному или по два ножа, то рез будет происходить через каждый оборот или, соответственно, через пол-оборота барабанов, а длина листа будет равна:

L = , L^к_осн = , (4,13)

где D - наружный диаметр барабана:

к - коэффициент пропуска реза; он характеризует число оборотов барабана за время между двумя последовательными резами листа.

Если диаметр малого барабана D_H будет постоянным и минимально возможным (исходя из условия его динамической прочности), а диаметр ведомого барабана будет различным (D = 2D_H, 2/3D_H и т.д.), то при различных комбинациях ножей на барабанах можно получить следующие значения: к = 1; 1,5; 2; 3, 4. Длины отрезаемых листов при этом равны:

L^к_осн = (1; 1,5; 2; 3; 4) (4,14)

Следует отметить, что при значительном изменении межосевого расстояния А барабанов практическое конструктивное осуществление этого варианта требует изготовления отдельных летучих ножниц и последующей комплектной замены их на одном и том же рабочем месте в поточной линии агрегата.

Если конструктивно станина ножниц позволяет применять различные комбинации диаметров барабанов при постоянном межосевом расстоянии А а на каждом барабане имеется один нож, то ножи будут встречаться и рез будет происходить через каждые к = 1, 2, 3, 4, 5 оборотов малого барабана (рис.3.10).

Требуемые различные промежуточные длины можно получить предварительным подбором необходимых отношений скоростей, каждое из которых в процессе резания листов заданной длины должно быть строго постоянным с целью получения точных допусков по длине листов.

Рис. 4.10 Схема получения реза листов различной длины

При v_н = const это означает, что скорость барабанов ножей может лежать в интервале v_н = (1..2) v_осн = (1..2) v_пол для получения различных промежуточных длин листов в интервале:

L = (05..1,0) L^к_осн. (4,15)

При таких режимах скорость движения ножей всегда значительно больше скорости полосы. При большом опережении ножей напряжения в разрезаемой полосе могут превосходить предел прочности материала полосы и в этих случаях может произойти разрыв полосы раньше окончания ее резания.

Очевидно, что при этом ножницы испытывают сильные динамические удары в момент встречи ножей с полосой и большие почти горизонтальные усилия; последние увеличивают крутящий момент на барабанах ножниц и повышенный расход энергии приводного электродвигателя.

2) Синхронизация скоростей ножниц.

Выше отмечалось, что для получения требуемой определенной длины листов выбранное отношение v_п/v_н должно быть строго постоянным за все время резания данной полосы, с тем, чтобы точность размеров (допуски по длине) была в заданных пределах. Для поддержания отношения v_п/v_н постоянным применяют синхронизацию двух видов: механическую и электрическую.

Механическую (жесткую) синхронизацию применяют в поточных агрегатах холодной резки рулонной полосы на листы небольшой длины при непрерывном вращении барабанов ножниц.

В этом случае в комплект установки летучих ножниц входят ножницы и подающие ролики, причем ножницы и подающие ролики имеют привод от одного общего электродвигателя постоянного тока через различного типа зубчатые редукторы, механически (жестко) связанные между собой муфтами.

Электрическую синхронизацию применяют, когда летучие ножницы установлены за последней клетью непрерывного стана (например, непрерывного заготовочного) и имеют свой привод, механически не связанный с приводом валков клети.

В этом случае при помощи различных синхронно-следящих систем обеспечивается синхронное изменение скоростей двух отдельных электродвигателей для привода последней клети стана и для привода летучих ножниц. Она применяется для летучих ножниц при горячей резке полосы (заготовки, сорта), когда не требуется большая точность реза при отрезке переднего или заднего конца полосы, так и для точного реза полос различной толщины на агрегатах поперечной резки.

3) Точность резания

При холодной резке рулонной полосы шириной 1000-2350 мм, толщиной 2-12,0 мм на листы длиной от 2000 до 12000 мм интервалы длины, согласно ГОСТ, составляют 3-30 мм. Очевидно, что для получения такого широкого сортамента листов (по длине) требуется широкий интервал синхронизации отношения скоростей ножей к скорости полосы или к скорости подающих роликов (v_н/ v_п = v_н/ v_р при v_н = v_р).

Длина листа при резе с учетом передаточных чисел приводных редукторов может быть определена по формуле:

L = р D_p k (i_н / i_р), (4,16)

где i_н - передаточное число от двигателя к барабану;

i_р - передаточное число от двигателя к подающим роликам;

k - коэффициент пропуска реза;

Из анализа этого выражения следует, что:

а) для данных значений диаметра подающих роликов D_р и коэффициента пропуска реза любую промежуточную длину листа при резании полосы на ножницах можно получить при определенном значении отношения передаточных чисел редукторов между двигателем и ножницами i_н и между двигателем и подающими роликами i_p;

б) длина мерных листов не зависит от абсолютных величин скоростей полосы и ножниц.

Значит, широкий диапазон мерных длин листов при резании на летучих ножницах можно получить двумя способами: изменением i_н (при i_p = const) и изменением i_р (при i_H = const).

Для этого в линии привода ножниц или в линии привода подающих роликов для механической синхронизации устанавливают многоступенчатый редуктор (коробку скоростей), который позволяет получить 200-400 различных передаточных чисел. Так при работе ножниц максимальное допустимое превышение скорости ножей по отношению к скорости полосы должно составлять не более 200% (о чем было сказано выше), то этот диапазон различных передаточных чисел должен находиться в пределах от 1 до 2. Выбор требуемого передаточного числа осуществляется переключением шестерен (согласно имеющейся таблице) при помощи ручного управления. Многоступенчатый редуктор может быть установлен в линии привода подающих роликов или в линии привода ножниц от электродвигателя.

В первом случае для привода подающих роликов требуется небольшая мощность, поэтому габариты многоступенчатого редуктора небольшие. Во втором случае многоступенчатый редуктор передает большие нагрузки (моменты), возникающие при резании на ножницах, поэтому имеет значительные габариты. Имеются конструкции ножниц, в которых установлены цепные вариаторы скоростей для бесступенчатого регулирования передаточного числа i_р.

Установка редукторов или вариаторов значительно усложняет конструкцию всего агрегата, поэтому в последние время в приводе летучих ножниц для резки листов всё чаще применяют электрическую синхронизацию, при которой измерение длин отрезаемых листов и включение ножниц на рез производится автоматической системой мерной порезки от специальных датчиков, установленных в приводе подающих или следящих роликов.

Практика эксплуатации ножниц показала, что при резко динамическом режиме работы точность размеров листов по длине значительно снижается, особенно при скоростях полосы больше 3м/сек, т.к. получается большой «разброс» размеров длины листов [3].

Учитывая эти недостатки, было предложено уменьшить допустимое максимальное опережение ножей до v_н = 1,5v_н и одновременно ввести режим работы ножниц с отставанием ножей в пределах 0-35%, при котором скорость ножей может снижаться до v_н = 0,75 v_{пол .} В таком режиме ножницы будут работать с «подпором», т.е с некоторым выпучиванием полосы перед ножами.

Таким образом, общий предел максимального и минимального отношения v_н/v_пол остался прежними и равным (1..2) а на ножницах можно получать любые промежуточные длины в пределах L = (0,67..1,34) L^к_осн, т.е. с изменением этих длин в два раза.

Однако следует отметить, что если раньше регулированием (увеличением) скорости ножей по отношению к скорости полосы можно было получать длину листов только меньше основной длины (v_н>v_пол), то по новому режиму можно получать длины меньше и больше основной длины.

4) Скорость летучих ножниц.

Каждую конкретную установку летучих ножниц проектируют и устанавливают для резания полосы, толщина которой может изменяться от h_min до h_mах. Скорость резки (скорость подачи полосы подающими роликами) принимают различную в зависимости от качества и толщины полосы: минимальной толщине соответствует максимальная скорость, и наоборот. Однако при резании полосы определенной толщины скорость резания (подачи полосы в ножницы) должна быть строго постоянной v_п = const). При выборе скорости летучих ножниц надо принимать во внимание два обстоятельства:

а) Если летучие ножницы предназначены для установки в линии прокатного стана (например, его за последней клетью), а выходная скорость прокатки на этом стане различная (от v_min до v_mах) в зависимости от толщины, ширины или сечения прокатываемой полосы, то скорость ножниц v_н соответственно тоже должна быть различной для соблюдения условия: v_п//v_н = const при заданной длине отрезаемых листов.

б). Если летучие ножницы предназначены для установки в поточной линии поперечной резки полосы на листы, то скорость этой линии технологически также принимается различной при резании полосы различной толщины (с целью получения качественной резки при максимальной производительности агрегата резки).

Таким образом, при резке различного сортамента полос (по толщине их) подающие ролики будут подавать к ножницам полосу с различной скоростью v_п (от v_min до v_mах); значит, скорость летучих ножниц v_н также должна соответствовать различным скоростям v_п т.е. должна быть в пределах от v_{н min} до v_{н mах.} Из этого следует, что для привода летучих ножниц необходимо устанавливать электродвигатель постоянного тока с регулируемой частотой вращения.

Барабанные летучие ножницы с наклонными ножами являются наиболее перспективной конструкцией, предназначенной для резки металла по ходу проката, движущегося с высокой скоростью. Преимуществами этой схемы являются простота и надежность конструкции, уравновешенность вращающихся частей, сравнительно небольшие инерционные массы, что особенно важно для ножниц, работающих в режиме запуска и выравнивания окружных скоростей.

Однако барабанные ножницы имеют следующие недостатки:

а) траекторией движения режущих кромок ножей являются окружности, поэтому при встрече с горизонтально движущейся полосой резание будет происходить при переменном угле и плоскость резания полосы не будет вертикальной.

б) резание полосы осуществляется параллельными ножами, т.е. одновременно по всей её ширине, вследствие чего возникают большие динамические усилия резания при приложении нагрузки во время реза.

Для уменьшения усилия резания один из ножей делают наклонным или шевронным.

4.5 Обоснование и выбор направления модернизации конструкции летучих ножниц

Для уменьшения усилия резания верхний нож следует делать наклонным или шевронным, однако при резании широких полос на больших скоростях осуществление этого принципа требует увеличения бокового зазора между ножами, что не всегда желательно.

При практическом использовании к ножницам предъявляются разнообразные требования, которые можно разделить на кинематические, технологические и эксплуатационные. В соответствии с кинематическими требованиями относительное движение ножей в зоне резания должно осуществляться по траекториям, обеспечивающим минимальные величины зазоров между ножами, а форма последних определяется из условия отсутствия взаимного внедрения поверхностей ножей.

Технологические требования регламентируют конфигурацию ножей и расположение пазов для их крепления в соответствии с потребностями технологии, призванной обеспечить точность обработки в условиях индивидуального производства. При этом к точности обработки пазов предъявляются жесткие требования, обусловленные необходимостью обеспечения отклонения зазоров от расчетных вследствие неточностей изготовления не более чем на 0,01-0,02 мм при диаметрах барабанов или суппортов порядка 1000 мм и длине ножей 2000-2500 мм. В соответствии с этими требованиями ножи должны иметь максимально простую конфигурацию, а пазы для их установки -- быть параллельными продольным осям суппортов. Основное условие нормальной работы ножниц - параллельность пазов для установки ножей и режущей кромки одного из суппортов осям вращения верхнего и нижнего суппорта.

Эксплуатационные требования выдвигаются в связи с необходимостью эффективного использования ножниц и агрегата в целом. Основные требования: предельная быстроходность ножниц, максимально возможное число режущих кромок на ножах и простота их заточки, минимальные затраты времени на установку ножей и регулировку зазора между ними.

Анализ литературы [1, 2, 3] показал, что создание ножниц, удовлетворяющих технологическим и эксплуатационным требованиям, представляет достаточно сложную задачу. Если применительно к резке полос толщиной до 1мм найдено вполне удовлетворительное решение, то для ножниц, предназначенных для резки толстых листов, решений, полностью удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, пока нет.

Выбор параметров режущего механизма с учетом приведенных требований основан на том, что конфигурация ножей и расположение на барабанах пазов для их крепления, величины кинематических зазоров и углы наклона ножей определяются конструкцией режущего механизма, зависящей от вида траекторий относительного движения режущих кромок.

В разрабатываемом проекте предлагается провести модернизацию конструкции летучих ножниц, которая заключается следующем:

1) Увеличение толщины разрезаемого металла с 40 до 60 мм за счет оптимизации геометрических параметров ножей.

2) Установка ножей прямоугольного поперечного сечения с увеличенным углом наклона.

Предлагаемая модернизация позволит расширить сортамент выпускаемой продукции, принципиально не меняя конструкцию основных узлов ножниц. Для подтверждения предлагаемых мероприятий необходимо выполнить энергосиловые расчеты привода ножниц и прочностные расчеты основных узлов и деталей режущего механизма.

5. Энергосиловой расчет ножниц

В энергосиловом расчете определяем геометрические , кинематические и силовые параметры режущего механизма и мощность привода. Наибольшую нагрузку детали ножниц испытывают в момент реза листа, в связи с чем рассмотрим кинематические и силовые параметры в этом положении.

Максимальное усилие резания ножей, один из которых шевронный, определяется по формуле 2, стр. 230:

, (5,16)

где к₁ - коэффициент, учитывающий отношение сопротивления резанию и нормального напряжения: к₁ = 19, стр.260;

к₂,к₃ -коэффициенты, учитывающие повышение усилия резания при затуплении ножей и увеличения бокового зазора между ними; к₂ = к₃ = 1,2;

б - угол наклона верхнего шевронного ножа. Как видно из формулы, усилие резания обратно пропорционально тангенсу угла наклона ножа, т.е. с увеличением угла наклона ножа усилие резания уменьшается.

При применении наклонных ножей угол наклона ножа может достигать 6⁰, но при этом возникает горизонтальное сдвигающее усилие, выталкивающее лист из-под ножей. Для стабилизации положения листа в конструкции ножниц применён шевронный (двухнаклонный) верхний нож. При резании таким ножом лист занимает более устойчивое положение, т.к. горизонтальные силы Х действуют в противоположные стороны (рис. 4.1).

Для уменьшения усилия реза принимаем угол наклона ножа б = 3,0⁰;

Увеличение угла наклона ножей и уменьшение усилия резания способствует увеличению межремонтного срока замены ножей, т.к. снижается интенсивность их износа.

Рис.5.1. Схема усилий при резании шевронным ножом б - угол наклона шевронного ножа; b - ширина листа; h - толщина листа; P - усилие реза; _н - относительная глубина внедрения ножей

_в - относительная глубина вмятия, при которой усилие резания и сопротивление резанию достигают максимальных значений:

_в = _н/2 = 0,4/2 = 0,2 3, табл.V.1], (5,17)

где _н- относительная глубина внедрения ножей, при которой происходит отрыв неразрезанной части металла; _н = 0,3;

_в- предел прочности материала полосы, МПа; _в = 650МПа;

h - толщина разрезаемой полосы; принимаем h = 60мм.

,

Вертикальный ход ножей:

(5,18)

Схема резания полосы показана на рис.4.2.

Определяем угол начала резания:

Cosб ₁ = ; (5,19)

где Д - величина перекрытия ножей; Д = 0,4^.h = 0.4^.60 = 24 мм;

R - радиус барабана; R = R₁ = R₂ = 500мм;

Угол приложения усилия резания Р:

Cos =

, (5,20)

Угол окончания резания:

Cos =

. (5,21)

Угловой путь резания:

, или в радианах:

Рис. 5.2 Схема резания полосы на летучих ножницах

Время резания:

где - угловая скорость барабана:

, (5,22)

где n_б - частота вращения барабана:

n_б = n_дв/ i_р, (5,23)

где n_дв - частота вращения вала приводного электродвигателя; n_дв230 об/мин;

i_р - передаточное число редуктора; i_р = 6,43;

n_б = n_дв. i_р = 230/6,43 = 35,76 об/мин, тогда угловая скорость барабана

Время резания подката:

(5,24)

Горизонтальная скорость ножей в момент начала резания:

, (5,25)

где - окружная скорость ножей;

= 3,74^.0,5 = 1,73 м/с (5,26)

, (5,27)

т.е. выполняется условие недопустимости набегания (изгиба) полосы перед передней кромки ножей. При дальнейшем повороте ножей угол будет уменьшаться, а скорость увеличиваться, т.е. резание будет происходить с небольшим опережением скорости движения ножей по сравнению со скоростью движения полосы.

Статический момент на валу нижнего барабана:

М_ст = М _рез/з = Ра/ з(1+ , (5,28)

где М _рез - суммарный момент резания на верхнем и нижнем барабанах:

М _рез = М₁+М₂ = Р^.а(1+ , (5,29)

где а - плечо приложения силы Р:

(5,30)

З - К.П.Д. передач привода; принимаем з = 0,95, тогда

М_ст =

Мощность резания определяется по формуле:

N _рез = М_ст^., (5,31)

где - угловая скорость ножей;

Совпадение скорости ножей со скоростью полосы достигается регулированием скорости электродвигателя.

При этих параметрах требуемая мощность резания равна:

N _рез = 8,38^.10^3.3,74 = 3136 квт.

В качестве электродвигателя главного привода принимаем двигатель постоянного тока типа П19-75-7К мощностью N_дв = 2100 кВт и частотой вращения 230 об/мин. Коэффициент перегрузки двигателя:

к_п = N_рез/ N_дв = 3136/2100 = 1,49

что допустимо, т.к. допустимый коэффициент перегрузки для электродвигателей данного типа к_п = 3,0.

На протяжении пути резания усилие резания возрастает от нуля до максимального значения Р_мах и затем вновь уменьшается до нуля.

Среднее усилие резания:

Р_ср = 0,7 Р_мах = 0,7^.22,1 = 15,47^.10³ кН.

Соответственно, средний статический момент резания:

М_{ст рез} = 0,7^.М_ст = 0,7^.8,38 = 5,86^.10³ кНм,

а средняя мощность резания:

N _рез = 0,7^.3136 = 2195 кВт.

Работа резания на пути движения ножей:

А _рез = N _рез^.t_рез = 2195^.0,0304 = 66,73 кВт^.с

Выполненные расчеты показывают, что предлагаемая модернизация возможна на существующем оборудовании, т.к. мощность установленного электродвигателя позволяет осуществлять резы подкатов толщиной до 60мм.

6. Расчёт крепления ножей на прочность

В данном расчёте определяем напряжение которые образуются в креплении ножей в момент начала реза.

Рис. 6.1 Схема крепления ножа

6.1 Расчёт крепления на отрыв

В данном расчёте определяем напряжение, создающееся в креплении в горизонтальной составляющей силы.

- возникающее напряжение в болтах

(6,32)

(6,33)

где F - сила действущая на нож в момент начала резания

тогда отрывающий момент будет равен:

(6,34)

h - плечо приложения этой силы

(6,35)

где Q - отрывное усилие

a - расстояние между болтами

Болт должен быть расчитан на усили большее на 20-40%, чем чем действующее, отсюда

(6,36)

где - количество болтов

- диаметр болтов

Тогда

Данное напряжение меньше максимального допустимого для болтов сделанных из стали данной марки. Отсюда можно сделать вывод что запаса прочности болтов на отрыв достаточно.

6.2 Расчёт крепления на срез

В данном расчёте определяем напряжение создающееся в креплении в горизонтальной составляющей силы.

- возникающее напряжение в болтах

где F - сила действущая на нож в момент начала резания

тогда срезающий момент будет равен:

b - плечо приложения этой силы

где Q - отрывное усилие

a - расстояние между болтами

Болт должен быть рассчитан на усилие большее на 20-40%, чем действующее, отсюда

где - количество болтов

- диаметр болтов

Тогда

Данное напряжение меньше максимального допустимого для болтов сделанных из стали данной марки. Отсюда можно сделать вывод что запаса прочности болтов на срез достаточно.

Вывод конструкция креплений имеет достаточный запас прочности и способна работать при новых условиях.

7. Экономическое обоснование модернизации

7.1 Количественные показатели, достигаемые в результате модернизации

- экономия основной заработной платы ремонтных рабочих;

, (7.37)

где - сокращение трудоемкости ремонтных работ; = 10 челчас;

- средняя тарифная ставка ремонтных рабочих; р/(челчас);

- коэффициент, учитывающий доплату за работу в три смены; ;

- коэффициент, учитывающий премиальную доплату; ;

т.о. экономия основной заработной платы ремонтных рабочих составит: р;

- экономия дополнительной заработной платы ремонтных рабочих; , (7.38)

где - коэффициент дополнительной заработной платы; ;

экономия дополнительной заработной платы: р;

- экономия отчислений по единому социальному налогу;

, (7,39)

где - ставка единого социального налога; %;

экономия по ЕСН: р;

Снижение затрат на запасные части:

, (7,40)

где - стоимость ножа до реконструкции;

- годовой расход ножей до реконструкции;

- стоимость ножа после реконструкции;

- годовой расход ножей после реконструкции;

Тогда:

Суммарная экономия:

В ходе расчет было выяснено, что модернизация барабанных летучих ножниц экономически выгодна.

8. Безопасность жизнедеятельности

8.1 Анализ условий труда при проведении модернизации барабанных летучих ножниц в линии стана 2000 ГП ПГП ОАО «НЛМК»

В технологическом процессе барабанные летучие ножницы располагаются перед чистовой группой клетей. Они предназначены для обрезки переднего и заднего конца подката с целью исключения возможности «забуривания» в чистовой группе клетей. При проведении ремонта летучих ножниц стан останавливается. Все производственные операции, связанные с техническим процессом прокатки полосы приостановлены.

Обеспечение технологического процесса осуществляется различными системами энергетического снабжения, в цехе имеется разветвлённая система трубопроводов, по которой осуществляется подача технической воды и различных смазочных материалов. Работа электрического оборудования осуществляется системой электроснабжения.

Ремонт барабанных летучих ножниц производится параллельно с другими монтажно-ремонтными работами по прокатному стану, поэтому в прокатном отделении работают краны, с помощью которых и производится монтажно-ремонтные работы, во избежание механического травмирования передвигающимися заготовками и материалами, крановщик подает звуковой сигнал.

Перечень опасных и вредных производственных факторов представлен в табл. 8.1 там же представлен перечень применяемого оборудования.

Следовательно, при выполнении монтажных работ по модернизации на работающих воздействуют опасные и вредные производственные факторы: опасность механического травмирования, поражения электротоком, неудовлетворительный микроклимат, запыленность, шум, недостаточная освещенность.

Таблица 8.1

Опасные и вредные производственные факторы

№п/п	Выполняемая работа	Применяемое оборудование, приспособления и инструмент	Опасные или вредные производственные факторы
1.	Демонтаж электродвигателя, муфт, редуктора	Гаечные ключи, гайковерт, молоток	Опасность механического травмирования, переносимый или перемещаемый груз
2.	Демонтаж верхнего и нижнего барабанов	Гаечные ключи, гайковерт, молоток, электромостовой кран	Опасность механического травмирования, переносимый или перемещаемый груз
3.	Транспортировка демонтируемого оборудования в зону ремонта	Электромостовой кран	Опасность механического травмирования, перемещаемый груз
4.	Замена ножей	Гаечные ключи, гайковерт	Опасность механического травмирования
5.	Монтаж оборудования	Гаечные ключи, гайковерт, кувалда, электромостовой кран	Опасность механического травмирования, переносимый или перемещаемый груз
6.	Обтяжка креплений	Гаечные ключи, гайковерт	Опасность механического травмирования
7.	Опробование работы привода	Электрооборудование	Вращающиеся ролики, опасность поражения электрический током
8.	При выполнении всех работ		Повышенная температура, недостаточное освещение, шум

8.2. Мероприятия по обеспечению безопасности труда

8.2.1 Опасные вредные факторы

К опасным производственным факторам относятся такие, которые при кратковременном воздействии на человека могут привести к травмированию или другим повреждениям здоровью.

К ним относятся: грузоподъёмные машины (электромостовые краны), электрический ток, вращающиеся части и механизмы коксовой четырехвалковой дробилки.

8.2.1.1 Опасность механического травмирования

В процессе ремонта оборудования могут возникать ситуации, которые могут привести к механическому травмированию (трудно доступные элементы оборудования, контакт с движущимися машинами и механизмами, передвигающимися заготовками и материалами) ГОСТ 12.0.001-74 [3].

Для уменьшения опасности механического травмирования при производстве работ по ремонту загрузочного рольганга применяют спецодежду, каски (ГОСТ 12.4.011-91 [4]), предупреждающие и запрещающие плакаты, окраску, маркировку, сигнальные цвета и знаки безопасности на оборудовании (ГОСТ 12.4.026-01 [5]).

Детали оборудования должны иметь приливы, проушины или другие устройства, обеспечивающие удобное и безопасное крепление чалочных приспособлений (ГОСТ 12.2.003-91[6]).

При перевозках гидравлического оборудования на платформах, автомашинах, передаточных тележках его необходимо укладывать на специальные стеллажи и закреплять. Все проемы в перекрытиях, на площадках и других местах при производстве ремонтных работ должны быть предусмотрены устройства и приспособления, обеспечивающие безопасность работающих при ремонте и обслуживании.

Приспособления применяемые для обеспечения безопасности при ремонте оборудования (лестницы, стремянки, подмостки) должны соответствовать требованиям (ГОСТ 12.2.012-75 [7]).

8.2.1.2 Опасность поражения электрическим током

Причинами поражения электрическим током являются воздействия электрического тока через дугу; прикосновение к токоведущим частям, изоляция которых повреждена; прикосновение к металлическим частям оборудования, случайно оказавшись под напряжением.

Опасность электрических поражений создаёт разнообразное оборудование: электрооборудование подъёмно-транспортных устройств, электрифицированный внутризаводской транспорт, сварочные аппараты, осветительные установки, электрические и ручные инструменты.

Для снижения опасности поражения электротоком применяют: расположение в недоступном месте(в трубах, нишах), защитное заземление, зануление, предупреждающие и запрещающие плакаты( ГОСТ 12.1.019-79, ГОСТ 12.1.030-81, ГОСТ 12.4.113-82 [8,9]).

8.2.2 Вредные производственные факторы

К вредным производственным факторам относятся такие, которые при длительном воздействии на организм человека могут привести к заболеваниям или снижению его работоспособности.

8.2.2.1 Шум

Источником возникновения шума являются оборудование, установленное в цехе. Возникает при движении, соударении, трении деталей машин и механизмов.

Фактическая и нормируемая величина приведены в табл.5 в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96 [10].

Таблица 8.2

Фактическая и нормированная величины шума

Вредный производственный фактор	Фактическая величина	Нормируемая величина	Нормативный документ
Шум, дБа	50-60	80	СН 2.2.4/2.1.8.562-96

Для снижения шума можно использовать звукоизолирующие кожухи, в которые заключают либо весь агрегат, либо его шумящие узлы. Над шумящим оборудованием подвешивают штучные шумопоглотители. Для защиты органов слуха применяют наружные (наушники) и внутренние противошумы (заглушки и вкладыши) (ГОСТ 12.4.011-91 [11]).

8.2.2.2Освещенность

По данным таблицы на данном рабочем месте наблюдается недостаток освещенности при проведении ремонтных работ. Фактическая и нормируемая величины приведены в таблице.

Норма освещенности выбрана с учетом наименьшего размера объекта различения 1-5 мм (резьба, зазоры сопряжения деталей) и соответствует 5 разряду 200 лк (СниП 23-05-95 [12]).

Таблица 8.3

Фактическая и нормированная величины освещенности

Вредный производственный фактор	Фактическая величина	Нормируемая величина	Нормативный документ
Освещенность, лк	100	200	СниП 23-05-95

Для устранения данного вредного фактора применяют дополнительный источник освещения. На закрытых узлах оборудования установить специальные штепсельные разъёмы с заземлённым контактом на напряжении не более 42В для подключения переносных светильников (ГОСТ 12.2.003-91).

Электрическое освещение должно создавать безопасные и нормальные санитарно-гигиенические условия труда. В тоже время капитальные затраты на их установку должны быть минимальными.

Для выполнения работ по модернизации печного загрузочного рольганга необходимо различать наблюдаемые объекты размером 1-5 мм, разряд зрительной работы - V (б) и необходимая освещенность - 200 лк.

...