Повышение работоспособности главных линий листовых станов горячей прокатки в условиях воздействия динамических нагрузок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Филатов, Андрей Александрович

• Филатов, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филатов, Андрей Александрович

Введение.

1. Современное состояние проблемы обеспечения работоспособности стяжных соединений редукторов и шестеренных клетей в главных линиях прокатных станов.

1.1. Особенности конструкций и редукторов и шестеренных клетей трансмиссий главных приводов прокатных станов.

1.2. Существующие методы расчета редукторов и шестеренных клетей главных приводов прокатных станов.

Выводы по главе 1.

2. Теоретическое исследование процесса формирования динамических нагрузок в двухвалковой шестеренной клети главной линии прокатного стана.

2.1. Описание геометрических параметров, характеризующих взаимодействие шевронных зубчатых колес.

2.2. Описание силового взаимодействия колес в зубчатом зацеплении.

2.3. Описание силового взаимодействия зубчатого колеса с корпусными и крепежными деталями.

2.4. Динамическая модель нагружения главной линии листового стана.

3. Экспериментальное исследование динамических процессов в элементах главной линии и разработка мероприятий, обеспечивающих работоспособности двухвалковых шестеренных клетей.

3.1. Разработка устройств, обеспечивающих тарированную затяжку корпусов и крышек шестеренных клетей.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований динамических процессов в элементах главной линии прокатной клети.

3.3. Результаты экспериментальных исследований динамических процессов в элементах главной линии прокатной клети.

3.4. Сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами расчетов динамических переходных процессов.

3.5. Разработка рекомендаций, обеспечивающих стабилизацию работы стяжных узлов в шестеренных клетях широкополосных станов горячей прокатки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение работоспособности главных линий листовых станов горячей прокатки в условиях воздействия динамических нагрузок»

Работоспособность элементов главных линий листовых станов горячей прокатки существенно зависит от динамических нагрузок, формирующихся при захвате заготовки рабочими валками прокатной клети. В значительной мере это относится к высокомоментным двухвалковым шестеренным клетям, входящих в состав главных линий черновых клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки. Практика эксплуатации ряда прокатных станов выявила неудовлетворительную работоспособность зубчатого зацепления шестеренных валков, стяжных соединений крышек и корпусов шестеренных клетей.

Основными причинами недостаточной работоспособности шестеренных клетей являются действующие в них динамические нагрузки и неудовлетворительная предварительная затяжка корпусных деталей. При неправильной предварительной затяжке стяжных шпилек в процессе нагружения шестеренной клети может происходить раскрытие стыков. Это приводит к появлению ударных нагрузок при закрытии стыков и ухудшению условий работы подшипников и зубчатых зацеплений шестеренных валков. В дополнение к этому развиваются остаточные деформации в резьбовом соединении шпилек, что приводит к дальнейшему ослаблению стягиваемых стыков и увеличению ударных нагрузок при закрытии стыков. Кроме того, из-за утечек через стык увеличивается расход масла в системе смазки шестеренной клети или редуктора. В ряде случаев неправильная затяжка может привести к возникновению в резьбовых соединениях шпилек недопустимо высоких напряжений, а также привести к увеличению циклической составляющей нагрузок, вызывающей их усталостное разрушение.

Для увеличения работоспособности высокомоментных шестеренных клетей необходимо располагать информацией о нагрузках, действующих на элементы корпуса шестеренной клети, подшипниковые опоры, зубчатое зацепление и стяжные шпильки при различных режимах прокатки. Для этого необходимо провести исследование нагрузок, действующих в элементах главной линии, как при установившемся процессе прокатки, так и в динамических режимах, связанных с захватом металла валками прокатной клети. При этом следует отметить, что традиционные методики оценки динамических нагрузок, действующих в стыках между корпусом и крышкой шестеренной клети, не учитывают колебательного движения цапф шестеренных валков в пределах радиальных и осевых зазоров подшипников, которое приводит к дополнительному росту нагрузок в стяжных шпильках.

Для обеспечения требуемых сил затяжки необходима также разработка мероприятий и устройств, позволяющих контролировать силу предварительной затяжки стяжных шпилек при сборке шестеренной клети. При использовании традиционных методов затяжки стяжных шпилек шестеренных клетей вследствие неопределенности трения в резьбе и на торце гайки силы в стяжных шпильках после затяжки могут существенно отличаться как между собой, так и от требуемого значения.

В связи с этим проблема определения динамических нагрузок, действующих главных линиях листовых станов горячей прокатки, включая зубчатые передачи и корпусные детали шестеренных клетей и необходимого уровня предварительной затяжки шпилек, стягивающих крышки и корпуса шестеренных клетей, а также разработка устройств, позволяющих обеспечить этот уровень предварительной затяжки, является актуальной.

Цели и задачи работы:

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований определить уровень динамических нагрузок, действующих в главной линии листового стана горячей прокатки, включая зубчатое зацепление и корпусные детали шестеренной клети.

2. Определить уровень предварительной затяжки стяжных шпилек, при котором в процессе эксплуатации будет соблюдаться условие нераскрытия стыка между крышкой и корпусом шестеренной клети.

3. Разработать новые конструкции стяжных шпилек и устройств, обеспечивающих: во-первых, получение необходимого уровня сил предварительной затяжки шпилек и во вторых, стабильность сил предварительной затяжки шпилек в течение срока эксплуатации между капитальными ремонтами шестеренной клети.

Для достижения этих целей были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели, позволяющей расчетным путем определить закономерности формирования динамических нагрузок в элементах главной линии прокатного стана, включая зубчатое зацепление, шпильки и стыки стяжных соединений крышек и корпусов шестеренных клетей.

2. Определение уровня сил предварительной затяжки стяжных шпилек, при которых будет соблюдаться условие нераскрытия стыка между крышкой и корпусом шестеренной клети при действии динамических нагрузок.

3. Экспериментальная проверка разработанной математической формирования динамических нагрузок на действующем оборудовании.

4. Совершенствование конструкции стяжных шпилек и разработка устройств, позволяющих осуществить тарированную затяжку стяжных шпилек на действующих шестеренных клетях.

Научная новизна.

Математически описаны и экспериментально подтверждены закономерности формирования динамических нагрузок в главной линии листового стана горячей прокатки, включая зубчатое зацепление, корпусные и крепежные детали двухвалковых шестеренных клетей.

Практическая ценность.

1. На основе разработанной математической модели определены уровни сил предварительной затяжки стяжных шпилек, при которых соблюдается условие нераскрытия стыков между крышкой и корпусом шестеренной клети в условиях действующих динамических нагрузок.

2. Разработаны и изготовлены новые стяжные шпильки и гидравлические устройства, позволяющие осуществить тарированную безмоментную затяжку стяжных шпилек.

3. Выполнена тарированная затяжка новых стяжных шпилек на шестеренной клети 1400 черновой группы стана 2000 АО «Северсталь» и на шестеренной клети 1300 черновой группы стана 2000 Новолипецкого металлургического комбината.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» в ноябре 2008 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 статей.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Филатов, Андрей Александрович

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Опыт эксплуатации листовых станов горячей прокатки выявил неудовлетворительную работоспособность ряда элементов главной линии, в том числе высокомоментных двухвалковых шестеренных клетей. В процессе работы прокатного стана происходит интенсивный износ опорных поверхностей корпусов и крышек шестеренных клетей, разрушение подшипников и зубчатых передач, деформация резьбовых соединений, обрывы стяжных шпилек.

2. Одной из основных причин недостаточной работоспособности является неудовлетворительная затяжка резьбовых соединений, что при определенных режимах нагружения трансмиссии главного привода, связанных с процессом прокатки заготовок, приводит к раскрытию стягиваемых стыков. При этом усиливается износ контактирующих поверхностей стыков, нарушаются условия работы подшипников и зубчатых передач, увеличивается переменная составляющая напряжений в шпильках. При нарушении герметичности стягиваемых стыков также происходит утечка смазки.

3. При захвате металла прокатными валками в элементах трансмиссии главного привода формируются динамические нагрузки. В том числе динамические нагрузки формируются в подшипниках, зубчатых передачах и стяжных шпильках шестеренных клетей и редукторов. Известные методы оценки нагруженности стяжных шпилек и стягиваемых стыков корпусов и крышек шестеренных клетей и редукторов учитывают только статические нагрузки в линии привода, которые во многих случаях значительно меньше фактически действующих динамических нагрузок. Кроме того, обычно применяемый на практике способ ударно-вращательной затяжки не позволяет осуществить с необходимой силой предварительную затяжку стяжных шпилек.

4. С целью определения динамических нагрузок, возникающих в элементах главной линии листового стана горячей прокатки, разработана математическая модель формирования переходных процессов, связанных с захватом прокатываемой заготовки рабочими валками.

5. В предложенной математической модели рассмотрены шевронные передачи, применяемые в высокомоментных шестеренных клетях и редукторах. При этом учитывались следующие конструктивные факторы: фактический профиль боковых поверхностей зубьев; возможность контакта как передней, так и задней поверхностью каждого зуба; вхождение в зацепление и выход из зацепления каждого зуба при вращении рассматриваемых колес, что позволяет учесть количество зубьев, находящихся в зацеплении в каждый конкретный момент времени; наличие зазоров в подшипниковых опорах, и связанная с этим возможность возникновения перекоса зубчатых колес, сопровождающееся возникновением кромочного контакта; возможность осевого перемещения одного из зубчатых колес, характерная для шевронных передач. В динамике зубчатое колесо или шестеренный валок рассматривается как свободное твердое тело с шестью степенями свободы, движущееся под действием сил, возникающих в зубчатом зацеплении и подшипниковых опорах, а также под действием веса и крутящих моментов в валах зубчатых колес. При анализе процесса движения зубчатого колеса рассматриваются процессы соударения в зубчатом зацеплении и подшипниковых опорах, а также учитывается возможность раскрытия предварительно стянутых стыков между крышками и корпусами редуктора и шестеренной клети и появление остаточных деформаций в резьбовых соединениях стяжных шпилек. С учетом отмеченных особенностей элементы шестеренной клети рассматриваются как составная часть общей динамической модели механической системы трансмиссии главного привода, включающей прокатные валки и шпиндели, соединяющие прокатные и шестеренные валки.

6. Представленная математическая модель позволяет определить как уровень динамических нагрузок в стяжных шпильках, так и необходимый уровень силы предварительной затяжки шпилек, стягивающих крышку и корпус шестеренной клети, при котором отсутствует раскрытие стыка в динамических режимах работы трансмиссии, связанных с захватом заготовки прокатными валками. Для шестеренной клети 1400 черновой группы широкополосного стана горячей прокатки 2000 АО «Северсталь» необходимый уровень силы предварительной затяжки составляет 2,2МН (220т). Для шестеренной клети 1300 черновой группы широкополосного стана горячей прокатки 2000 Новолипецкого металлургического комбината составляет 1,9МН(190т).

7. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования динамических переходных процессов, формирующихся в элементах главной линии листового стана горячей прокатки при захвате заготовки валками. В результате исследований было выявлено, что в переходных динамических режимах, модуль разности между расчетными и экспериментально измеренными значениями параметров, таких как: силы в стяжных шпильках, вертикальные и горизонтальные перемещения цапф не превышает 20%.

8. С учетом полученных экспериментальных и расчетных данных разработано и изготовлено специальное гидравлическое устройство, развивающее силу до 4,0МН (400т) и позволяющее осуществить тарированную безмоментную предварительную затяжку шпилек, стягивающих крышки и корпуса тяжелых шестеренных клетей.

9. Для черновых шестеренных клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки 2000 АО «Северсталь» и Новолипецкого металлургического комбината разработан проект и изготовлены новые стяжные шпильки с участком повышенной податливости, обеспечивающие в течение длительного времени эксплуатации стабильный уровень затяжки.

10. Выполнена тарированная затяжка (сила затяжки 2,2Мн) новых шпилек шестеренной клети 1400 черновой группы широкополосного стана горячей прокатки 2000 АО «Северсталь» и тарированная затяжка (сила затяжки 1,9МН) новых шпилек шестеренной клети 1300 черновой группы широкополосного стана горячей прокатки 2000 Новолипецкого металлургического комбината. За период между капитальными ремонтами шестеренных клетей 1400 и 1300 уровень предварительной затяжки шпилек практически не изменился. Это позволило обеспечить безаварийную эксплуатацию указанных шестеренных клетей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филатов, Андрей Александрович, 2009 год

1. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука. 1968. 560 с.

2. Бондаренко A.M., Рубанович Ю.А. Повышение долговечности корпусных и крепежных деталей редукторов главных приводов широкополосных станов горячей прокатки //Труды ВНИИМЕТМАШ 1978. №56. С. 130-136.

3. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение. 1990. 368 с.

4. Модернизация устройства для уравновешивания универсальных шпинделей. /Ан.А. Филатов и др.. //Тяжелое машиностроение. 1998. №5-6. С. 51-54.

5. Восканьянц А. А. Исследование и создание механизмов уравновешивания шпинделей для снижения динамических нагрузок в приводах прокатных станов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 1982. 160 с.

6. Виттенберг И. Динамика систем твердых тел. Пер. с англ. М.: Мир. 1980. 292 с.

7. Гарцман С.Д., Рубанович Ю.А., Филатов Ан.А. Взаимодействие вертикальных и горизонтальных клетей на стане горячей прокатки. // Тяжелое машиностроение. 1997. №5. С. 26-27.

8. Гарцман С.Д., Жуков А.А., Филатов Ан.А. Динамика и повышение долговечности двухвалковых шестеренных клетей прокатных станов. // Тяжелое машиностроение. 1999. №5. С. 39-40.

9. ГОСТ 16532-70. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет геометрии. М., 1983. 42 с.

10. Житомирский Б.Е., Гарцман С.Д., Филатов А.А. Исследование и разработка инженерной методики динамического расчета главной линииширокополосного стана горячей прокатки //Труды ВНИИМЕТМАШ. 1975. №38. С. 65-80.

11. Иванченко Ф.К., Полухин П.И., Тылкин М.А. Динамика и прочность прокатного оборудования. М.: Металлургия. 1970. 486 с.

12. Иосилевич Г.Б. Детали машин. М.: Машиностроение. 1988. 368 с.

13. Кожевников С.Н. Динамика нестационарных процессов в машинах. Киев: Наукова думка. 1986. 286 с.

14. Королев А.А., Николаевский Г.М. Механическое оборудование прокатных цехов. М.: Металлургиздат. 1953. 440 с.

15. Динамика процессов прокатки /СЛ. Коцарь и др.. М.: Металлургия. 1997. 256 с.

16. Литвин ФЛ. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука. 1968. 584с.

17. Макогон В.Г., Бурьянов В.Ф. Непрерывные широкополосные станы горячей прокатки. М.: Металлургиздат. 1963. 216с.

18. Орлов П.И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие в двух книгах. М.: Машиностроение. 1988. 542 с.

19. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука. 1977. 222 с.

20. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука. 1964. 336 с.

21. Пасечник Н.В., Филатов Ан.А., Канев Н.Г. Уменьшение динамических нагрузок в подшипниковых опорах четырехвалковых клетей. //Тяжелое машиностроение. 1997. №5. С. 23-25.

22. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение. 1989. 496 с.

23. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука. 1981. 448 с.

24. Смирнов В.В., Яковлев Р.А. Механика приводов прокатных станов. М.: Металлургия. 1977. 216 с.

25. Филатов А.А., Гарцман С.Д., Житомирский Б.Е. Исследование и разработка инженерной методики динамического расчета главных линий приводов широкополосных станов горячей прокатки. // Труды ВНИИМЕТМАШ 1975. №38. С.65-80.

26. Филатов Ан.А., Яковлев Р.А. Динамические нагрузки в двухвалковой шестеренной клети прокатного стана. Сообщение 1. //Производство проката. 2008. №8. С. 38-45.

27. Филатов Ан.А., Яковлев Р.А. Динамические нагрузки в двухвалковой шестеренной клети прокатного стана. Сообщение 2. //Производство проката. 2008. №9. С. 27-32.

28. Филатов Ан.А. Формирование динамических нагрузок в шестеренной клети прокатного стана //Будущее машиностроения России. Сборник трудов Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. М.: 2008. С. 141-142.

29. Целиков А.И., Смирнов В.В. Прокатные станы. М.: Металлургиздат. 1958. 432 с.

30. Целиков А.И. Основы теории прокатки. М.: Металлургиздат. 1965.248 с.

31. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат. 1962. 496 с.

32. Целиков А.И. Расчет и конструирование прокатных машин-орудий. М.: Металлургиздат. 1938. 342 с.

33. Целиков А.И., Бондаренко A.M., Житомирский Б.Е. Исследование и изыскание путей снижения динамических нагрузок, действующих на корпусные и крепежные детали элементов трансмиссий главных приводов прокатных станов // Машиноведение. 1977. №5. С. 47-52.

34. Ченцов К.Ю. Исследование динамических нагрузок электромеханических систем главных приводов черновых клетей станагорячей прокатки. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Липецк. 2000. 157 с.

35. Яблонский А.А. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа. 1971. Часть II. Динамика. 488 с.