Проект реконструкции непрерывного стана (ПНТЗ, цех №8)

3. Расчетная часть

3.1. Расчет на прочность и жесткость валка непрерывного стана

Проведем прочностной  расчет валка, нагруженного изгибающим и крутящим моментами. На рис. 3.1. представлена расчетная схема валка, на которой показаны действующие на валок усилия и эпюры изгибающих и крутящих моментов.

Схема нагружения рабочего валка непрерывного стана

 

Рис. 3.1.

При расчете  валка на прочность можно выделить опасные сечения I-I и II-II.

СечениеI-I

 

Бочку валка  рассчитываем на изгиб.

s,

где М- изгибающий момент от действия силы Р в сечении I-I;

d=325 мм – диаметр шейки валка, мм.

М= ,

где P=930 кН – усилие металла на один валок;

с=285 мм – расстояние между краем  реборды и подшипниковой опорой.

М= кН*м.

s=.

Сечение II-II

Шейка валка рассчитывается на изгиб и кручение

s=,

где М_{изг. ш.} – изгибающий момент в сечении II-II;

d₁=427,5 мм – диаметр валка по дну калибра.

,

где L=230 мм – длина бочки валка,

;

Тогда

s=.

Напряжения  кручения в шейке рассчитываются по формуле

t=,

где М_кр=М_пр=35 кН*м – момент кручения.

t=.

Результирующее  напряжение в шейке рассчитывается по формуле

s=,

s==10,8.

Валок изготовлен из стали 60ХГ, предел прочности для  этой стали s=600Мпа. Допустимый предел прочности для валка из этой стали составляет

[s]=s/[n],

где [n]- коэффициент запаса прочности,

[s]=600/5=120МПа.

Проверим  условие прочностиs< [s]

s=38,6 МПа < [s]=120МПа,

s=10,8  МПа < [s]=120МПа.

Расчет валка  на жесткость заключается в нахождении величины прогиба валка от действующих  на него усилий.

Изгиб валка  рассчитывается по формуле

,

где - прогиб валка под действием изгибающих моментов;

- прогиб  валка в результате действия  поперечных сил.

,

,

где  А – расстояние между опорами валка, А=2*0,400=0,800 м;

С- расстояние между местом приложения силы и опорой валка,

С= 0,400-0,230/2=0,285м;

Е- модуль упругости, для стали 60ХГ  Е= 2,1*10МПа;

G- модуль сдвига, G= Е=0,79*10МПа.

;

.

Суммарный прогиб равен

.

Предельно допустимый прогиб валка лежит в  пределах .

Условие выполняется

0,033мм < 0,3…1,0мм.

 

3.2. Расчет станины на прочность и жесткость

Расчет станины  на прочность заключается в нахождении напряжений в характерных сечениях и сравнении их с допустимыми  напряжениями (нахождение коэффициента запаса прочности).

Для упрощения  расчетов станину закрытого типа представляют в виде жесткой прямоугольной  рамы, состоящей из двух одинаковых стоек и двух поперечин.

На рис. 3.2. показано положение характерных сечений.

Форма и размеры  характерных сечений показаны на рис. 3.3.

Схема станины

 

Рис. 3.2.

 

Характерные сечения

 

Рис. 3.3.

Сечение I-I

Площадь сечения 

F= HB- HD- (H- H)d,

F=0,39*0,64-0,28*0,28-(0,39-0,28)*0,19=0,1503м.

Статический момент относительно оси х-х

S=0,5 (BH-DH-d*0,11),

S= 0,5 (0,64*0,39- 0,28*0,28- 0,19*0,11) = 0,036м.

Координата  центра тяжести

Y= ,

Y= .

Момент инерции  сечения относительно нейтральной  оси, проходящей через центр тяжести

J=,

J=

.

Момент сопротивления  изгибу

W=,

W= =0,009м.

Сечение II-II

Площадь сечения

F=AB,

F=0,205*0,640=0,1312.

 

 

Момент инерции  сечения относительно нейтральной  оси, проходящей через центр тяжести

J=,

J==0,000459.

Момент сопротивления  изгибу

W=,

W=

Сечение III-III

Сечение III-III рассчитывается аналогично сечению I-I.

Площадь сечения 

F=0,64*0,39-0,22*0,095-0,28*0,295=0,1461.

Статический момент относительно оси х-х

S=0,5(0,64*0,39-0,28*0,295-0,22*0,095)=0,035м.

Координата  центра тяжести

Y=.

Момент инерции  сечения относительно нейтральной  оси, проходящей через центр тяжести

J=

.

Момент сопротивления  изгибу

W= =0,0089м.

 

Момент  для прямоугольной поперечины

M=,

где    R=850 кН,

=B+ A=640+205=845мм,

=H+ Y+Y=1620+240+240=2100 мм.

 

Итак

M=.

Вычислим  напряжения в каждой поперечине

s=,

s=;

s=,

s=;

s=,

s=.

Предельно допустимое напряжение

[s]= s/ [n],

где  s- предел прочности материала станины, s=500Мпа;

n – коэффициент запаса прочности станины, n=10.

[s] = 500 / 10 = 50Мпа.

Полученные  значения напряжений s, s, s< [s] следовательно, условие прочности выполняется.

 

Жесткость станины определяется по формуле

,

где  - упругий прогиб двух поперечин от действия изгибающих моментов,

;

- деформация  поперечин от действия поперечных  сил,

=;

- удлинение  стоек от действия продольных  сил,

=;

где E- модуль упругости материала станины, E=2*10Мпа;

G- модуль сдвига, G=0,75*10Мпа;

J=,

J=;

F=,

F=.

Итак

 

.

 

Предельно допустимая величина деформации станины

 

Деформация  станины не превышает предельно  допустимой величины

,

0,11<0,6…1,0мм.

 

3.3.Расчёт на прочность деталей нажимных устройств

Схема нагружения винтового нажимного  устройства

Рис. 3.4.

Исходные размеры винтовой пары и других элементов станины: d_OT = 208мм; d = 200 мм;D_Г = 280 мм;d₂ = 180 мм;r = 400 мм;Н_Г = 270 мм; Н₁ = 175 мм; h = 60 мм;d₁ = 186 мм; d_ср = 194 мм; В = 5,89 мм; S = 8 мм.

Максимальная реакция усилия прокаткиR_max = 1272,8кН.

 

3.3.1. Нажимной винт

Нажимной винт изготовлен из стали 45Х сσ_в = 1030 МПа. В процессе эксплуатации он воспринимает реакцию от усилия прокатки на шейку валка R_max, и при настройке, межвалкового зазора в процессе прокатки, - крутящий момент М_в, который приложен к приводному концу винта (рис. 3.4)[1.2]. Таким образом, в общем случае, нажимной винт подвергается сжатию и кручению.

Примем коэффициент трения в  пяте винта f_П =0,3, а коэффициент трения в резьбе f_В =0,15.

Определим угол подъёма резьбы

 

и угол трения в резьбе

Рассчитаем крутящий момент, необходимый  для привода вращения винта:

 

 

Напряжения кручения в винте  рассчитаем по формуле:

 

Рассчитаем напряжения сжатия:

 

Таким образом, суммарные напряжения в винте от совместного действия сжатия и кручения будут равны  по 4й теории прочности:

 

Коэффициент запаса прочности составит:

 

Условие прочности нажимного винта  выполняется, так как расчетное  значение коэффициента запаса прочности  превышает допустимое [n]=5.

 

3.3.2. Нажимная гайка

Гайка находится под действием  реакции от усилия прокатки R_max, поэтому тело гайки рассчитывают на смятие по поверхности ее опоры на поперечину станины, а резьбу гайки рассчитывают на изгиб, смятие и срез[1.2].

Материал нажимной гайки – бронза БрА10Ж3Мц2 сσ_В= 490 МПа и τ_В = 294 МПа.

Рассчитаем напряжения смятия на поверхности  соприкосновения гайки с крышкой  станины:

 

Определим количество витков гайки, находящееся  в зацеплении:

 и усилие, действующее  на виток резьбы:

 

Рассчитаем напряжения смятия резьбы гайки:

 

где – наружный диаметр резьбы.

Тогда

Найдем напряжения изгиба в резьбе:

 

Определим напряжения среза в резьбе:

 

Рассчитаем коэффициенты запаса прочности:

- для поверхности соприкосновения  гайки с крышкой станины:

 

-для резьбы гайки по напряжениям  смятия:

 

-для резьбы гайки по напряжениям  изгиба:

 

- для резьбы гайки по напряжениям  среза:

 

Результаты расчета свидетельствуют  о том, что условия прочности  нажимной гайки выполняются, так  как коэффициенты запаса прочности превышают допустимое значение [n]=5.

 

3.4.Расчёт уравновешивающего устройства

 

Схема уравновешивающего устройства

Рис. 3.5.

Конструктивно уравновешивающее устройство верхнего валка представляет собой  по две пары тяг 1 с винтовыми цилиндрическими  пружинами 2 на каждую подушку, установленными внутри самих подушек (рис. 3.5.) [1.1.].

Определим усилия необходимые для  уравновешивания лежащих на тягах  деталей и узлов рабочей клети.

Исходя из конструкции механизмов и деталей рабочей клети:

m_Н.В. = 127 кг – масса нажимного винта;

m_В= 1085 кг – масса нового рабочего валка;

m_П= 2*(650+238) = 1776 кг – масса подушек и подшипников рабочего валка.

Тогда, принимая ускорение свободного падения g = 9,81 м/с², получим:

G_Н.В. = m_Н.В.g =127*9,81 =1,25 кН – вес нажимного винта;

G_В = m_Вg =1085*9,81 = 10,64 кН – вес нового рабочего валка;

G_П = m_Пg = 1776*9,81 = 17,42 кН – вес подушек и подшипников рабочего валка.

Опорные реакции на тягах механизма  уравновешивания будут равны:

 

Учитывая коэффициент переуравновешиванияk=1,2, определим фактическое усилие на тягах, которое должны уравновесить пружины:

F_T = kR_T = 1,2*3,82 = 4,58 кН.

Таким образом, выбираем пружину по ГОСТ 13764-86 III класса, 2 разряда, с силой при максимальной деформации F₃ = 315÷14000 H.

 

4. Эксплуатация оборудования

 

Настройку клетей непрерывного стана  производят на специальном стенде, где клеть установлена в горизонтальном положении. Во время настройки шаблоном проверяют правильность калибровки валков, состояние их поверхности, на которой не должно быть грубых следов резки, раковин сетки, трещин и т. д. Шаблоны изготавливаются согласно чертежу № Т8Н – 306.

Настройку производят следующим образом:

при отведенных от подушек  нажимных винтах с помощью гайки  устанавливают нижний валок таким  образом, чтобы расстояние от подушки  до пластин износа (определяется щупом  из комплекта №4 ТУ 2 – 034 – 225) было одинаковым. Затем к подушке подводят нажимные винты, следя, чтобы касание обоих  винтов с подушкой произошло одновременно. Одновременность достигается путем  расцепления муфты и перемещения  одного винта.

В отверстие для проводок вставляют базовую втулку с оправкой, на которой устанавливают контрольную  шайбу диаметром, равным высоте калибра  валка. Затем подводят валки до полного  соприкосновения поверхности валка  с поверхностью контрольной шайбы.

Настройка клети непрерывного стана

Рис. 4.1.

Базовые втулки должны быть установлены до упора. Оправку под контрольную шайбу проверяют на токарном станке 1 раз в неделю. Допускается биение 0,2 мм. Проверку производят индикатором часового типа на стойке с магнитным основанием. Механизмами осевого перемещения и нажимными винтами добиваются совмещения калибров валков с установленной оправкой. При этом механизм фиксации осевого перемещения должен быть ослаблен.

При правильной настройке  зазоры между ребордами валков с  обеих сторон должны быть одинаковыми, а величина зазора (определяется щупом  из комплекта №4 ТУ 2 – 034 – 225) должна быть равной:

-  для клети № 1 – 6 мм,

-  для клетей со 2-ой  по 4-ую – 4 мм,

- для клетей с 5-ой  по 9-ую – 5мм.

После получения зазора нужной величины сводят валки всех клетей (кроме 9-ой)  на пол-оборота  зубчатого колеса сельсин датчика (0,9 мм). После получения зазора требуемой  величины производят фиксацию валка  от осевого перемещения вручную  с помощью ключа.

 

В таблице 4.1. приведена периодичность перевалки клетей непрерывного стана.

 

Таблица 4.1.

Номера клетей	Кампания, тн
1 – 3	7400
4 – 7	6100
8 – 9	32000

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Натыкин В.М., Богданов А.С., Мазуркевич В.С. Правила технической эксплуатации механического оборудования трубопрокатных установок с непрерывным оправочным станом «30-102». Днепропетровск: ВНИИ мехчермет, 1982. 312 с.
2. Расчеты рабочих клетей прокатных станов (методика и примеры): Методическое пособие по курсу «Оборудование цехов ОМД» / В.А. Шилов, Ю.В. Инатович. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 66 с.
3. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание опор. 2-е изд., дополн. иперераб. М.: Машиностроение, 1992. 608 с.
4. Технология трубного производства. Данченко В.Н., Коликов А.П., Романцев Б.А., и др. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 640 с.