Разработка теоретических основ проектирования и совершенствование трансмиссий высокомоментных главных приводов прокатных клетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, доктор технических наук Филатов, Александр Андреевич

• Филатов, Александр Андреевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Филатов, Александр Андреевич

ВВЕДЕНИЕ. 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСМИССИЙ ВЫСОКОМОМЕНТНЫХ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ ПРОКАТНЫХ КЛЕТЕЙ.

1.1. Анализ схемных решений трансмиссий высокомоментных главных приводов.

1.2. Динамические нагрузки в трансмиссиях главных приводов.

1.3. Мероприятия, направленные на повышение работоспособности элементов трансмиссий главных приводов.

1.4. Выводы.'.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ

Ф. УНИВЕРСАЛЬНОГО ШПИНДЕЛЯ ПЕРЕД ЗАХВАТОМ

ЗАГОТОВКИ ВАЛКАМИ.

2.1. Описание расчетных схем.

2.2. Взаимодействие между элементами в лопастном шарнире.

2.3. Исследование процесса раскрытия зазоров в головках универсального шпинделя.

2.4. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ И КИНЕМАТИКИ ЗАЦЕПЛЕНИЯ ЗУБЧАТОГО ШПИНДЕЛЯ.

3.1. Расчет характеристик контакта в зацеплении зубчатого шпинделя.

3.2. Расчет скоростей скольжения в зацеплении зубчатого шпинделя.

3.3. Исследование характеристик контакта в зацеплении.

3.4. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШПИНДЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ИХ КОНСТ

РУКЦИЙ.

4.1. Методика измерения зазоров в головках универсальных шпинделей.

4.2. Результаты исследования процесса изменения зазоров в соединении универсального шпинделя.

4.3. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций устройств уравновешивания универсальных шпинделей.

4.4. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции зубчатых шпинделей.

4.5. Выводы.

5. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСМИССИЙ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ ПРОКАТНЫХ КЛЕТЕЙ.:.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Модель формирования динамических нагрузок в трансмиссии.

5.3. Схематизация нагружения элементов трансмиссии.

5.4. Решение задачи выбора рациональных параметров.

5.5. Выводы.

6. ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСМИССИЙ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ PIX КОНСТРУКЦИЙ. <щ 6.1. Экспериментальные исследования динамических нагрузок в трансмиссиях главных приводов.

6.2. Сравнение результатов экспериментальных исследований динамических нагрузок с расчетными данными.

6.3. Практическая реализация методики выбора рациональных параметров трансмиссий главных приводов.

6.4. Разработка новой конструктивной схемы высокомоментной трансмиссии главного привода.

6.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка теоретических основ проектирования и совершенствование трансмиссий высокомоментных главных приводов прокатных клетей»

На современном этапе развития экономики непрерывно возрастают потребности промышленности в толстолистовом и тонколистовом прокате [74]. В настоящее время в металлургической промышленности развитых стран доля листа в производстве прокатной продукции превышает 70%. В общем объеме производства листового проката существенную долю занимает горячекатаный лист. Толстый горячекатаный лист используется в судостроительной промышленности, при производстве труб большого диаметра, в машиностроении и т.д. Горячекатаный лист служит также исходным подкатом для листовых станов холодной прокатки. Поэтому серьезное внимание, как в России, так и за рубежом, в настоящее время уделяется решению проблем увеличения производства и повышения качества горячекатаного листа. •

Основная доля горячекатаного листа производится на толстолистовых станах и на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки.

Процесс прокатки связан с формированием в очаге деформации контактных давлений, создающих усилие прокатки и приложенный к рабочим валкам технологический момент. Поэтому для вращения рабочих валков со стороны привода должен быть приложен крутящей момент, превышающий соответствующий технологический момент. Из всех действующих в настоящее время прокатных агрегатов, наибольшие технологические моменты и усилия прокатки формируются при деформации заготовки в клетях листовых станов горячей прокатки. Например, в рабочих клетях толстолистовых станов и черновых клетях широкополосных станов горячей прокатки уровни технологических моментов на валках могут достигать 6000кН-м.

Наряду со значительными технологическими моментами, которые необходимо передавать через трансмиссию от электродвигателя к рабочим валкам, в элементах трансмиссии главного привода формируются динамические нагрузки. Эти динамические нагрузки сопровождают переходный колебательный процесс, который возникает в трансмиссии после быстрого нарастания технологического момента в результате захвата заготовки валками. Результаты исследований показывают, что в приводе черновых клетей широкополосного стана горячей прокатки уровень динамических нагрузок, действующих в деталях трансмиссии, может более чем в четыре раза превосходить уровень технологических.

Уровень механических напряжений, возникающих в деталях трансмиссии, определяется суммой технологических и динамических нагрузок. С учетом высокого уровня действующих технологических и динамических нагрузок и с учетом конструктивных особенностей рабочих клетей листовых станов горячей прокатки возникают серьезные проблемы в обеспечении приемлемого уровня механических напряжений в деталях трансмиссии за счет увеличения их геометрических размеров в существующих схемах и конструкциях трансмиссий главных приводов рабочих клетей таких станов.

Диаметр рабочих валков определяется технологией прокатки. В процессе эксплуатации рабочей клети возникает необходимость обеспечить нулевую величину межвалкового зазора. В связи с этим диаметр головки шпинделя, через который осуществляется привод валка, не может превосходить диаметра этого валка. Таким образом, увеличение несущей способности шпиндельных соединений привода рабочих валков за счет увеличения диаметра головки шпинделя ограничено тем фактом, что диаметр головки шпинделя должен быть меньше диаметра рабочего валка.

Серьезные проблемы возникают при изготовлении и транспортировке крупногабаритных деталей редукторов для главных приводов черновых клетей широкополосного стана горячей прокатки. Поэтому дальнейшее увеличение их габаритных размеров с целью повышения несущей способности нецелесообразно.

В связи с этим одним из путей повышения работоспособности трансмиссии высокомоментного главного привода для рабочей клети является изыскание такой схемы, в которой можно будет избежать недостатков, связанных с увеличением геометрических размеров деталей трансмиссии.

Серьезным резервом повышения работоспособности трансмиссии главного привода является максимально возможное снижение действующих нагрузок. Естественно, что речь может идти о снижении действующих динамических нагрузок. Характер переходного процесса и уровень динамических нагрузок, формирующихся в трансмиссии главного привода при захвате заготовки рабочими валками, главным образом зависят от зазоров, раскрытых в шпиндельных соединениях перед захватом заготовки валками и от структуры упруго-массовой системы трансмиссии.

Одним из направлений снижения динамических нагрузок в трансмиссии является уменьшение зазоров, раскрытых в головках шпинделей к моменту захвата заготовки валками.

Для передачи вращения рабочим валкам в листовых станах горячей прокатки, в основном, применяют зубчатые шпиндели и шпиндели с универсальными шарнирами на бронзовых вкладышах. Минимальные зазоры в соединениях с валками имеют зубчатые шпиндели. Поэтому для решения задачи уменьшения зазоров необходимо расширить количество рабочих клетей, в которых зубчатые шпиндели могут быть установлены. В тех случаях, когда по условиям нагрузочной способности могут быть установлены только шпиндели с универсальными шарнирами на бронзовых вкладышах, необходимо принимать меры, обеспечивающие закрытие зазоров, при работе привода перед захватом заготовки.

Процесс раскрытия и замыкания зазоров в головках универсальных шпинделей перед захватом заготовки существенно зависит от конструкции устройства уравновешивания шпинделей и от настройки этого устройства. Вместе с тем существующие конструкции устройств уравновешивания шпинделей и рекомендации по их настройке не позволяют обеспечить гарантированное уменьшение зазоров, раскрытых в шпиндельном соединении перед захватом заготовки рабочей клетью.

Вторым направлением, обеспечивающим повышение работоспособности трансмиссии за счет снижения динамических нагрузок, является подбор оптимальных параметров жесткостей и моментов инерции - вращающихся деталей трансмиссии главного привода. В отдельных случаях задача уменьшения динамических нагрузок за счет изменения параметров трансмиссии были рассмотрены. Однако, в полном объеме, с формулировкой критериев оптимальности и алгоритма поиска оптимальных параметров, такая задача не решалась.

Для дальнейшего увеличения производства горячекатаного листа требуется как строительство новых, так и глубокая модернизация действующих листопрокатных агрегатов. В связи с этим проблема совершенствования трансмиссий высокомоментных главных приводов прокатных клетей является актуальной.

Целью настоящей работы является создание научно обоснованных методов проектирования трансмиссий высокомоментных главных приводов прокатных клетей, направленных на расширение технологических возможностей рабочей клетей за счет увеличения допустимых моментов прокатки и на повышение уровня долговечности элементов трансмиссии.

На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Критерии и методика выбора рациональных упруго-массовых параметров элементов трансмиссий главных приводов прокатных клетей.

2. Методика расчета динамических нагрузок в элементах трансмиссии главного привода, в которой учтены зазоры, раскрывающиеся перед захватом заготовки, скорость прокатки, уровни технологических моментов, обжатие заготовки, динамическая структура трансмиссии.

3. Математическая модель процесса раскрытия и замыкания зазоров в соединениях универсального шпинделя при работе привода перед захватом заготовки. Эта модель основана на описании движения шпинделя с использованием динамических уравнений Эйлера и учитывает взаимодействие шпинделя с уравновешивающим устройством.

4. Методика расчета характеристик контакта в зацеплении зубчатого шпинделя.

5. Новая схема и конструкция высокомоментного главного привода и новые конструкции: устройства уравновешивания шпинделя; головки зубчатого шпинделя; узла вал-шестерни редуктора главного привода.

Работа выполнена в Акционерной холдинговой - компании «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения им. академика А.И.Целикова».