Министерство образования и науки Российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова»
Кафедра технологий обработки материалов
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине : Основы оборудования прокатных цехов
на тему: «Расчет главной линии рабочей клети толстолистового стана 5000 ОАО ММК»
Исполнитель: Батехин А.В., студент 4 курса, группа ТОБ-12
Руководитель: Пустовойтов Д.О., старший преподаватель
Работа допущена к защите «       »           20      г.                              .
(подпись)
Работа защищена «     »             20      г. с оценкой                             .                       .
(оценка)                      (подпись)
Магнитогорск, 2016
Министерство образования и науки Российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова»
Кафедра технологий обработки материалов
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Тема: разработка и расчёт главной линии рабочей клети ТЛС 5000 ОАО «ММК»
Студенту: Батехину А.В.
Исходные данные: марка стали X70, толщина на входе: h0=12,5 мм, температура прокатки 7800С, cтепень деформации ε=20%, ширина полосы 4850 мм, скорость прокатки 7 м/с.
Срок сдачи: «        »                      20     г.
Руководитель:                                         /                                           /
(подпись)                                  (расшифровка подписи)
Задание получил:                                     /                                         /
(подпись)                                     (расшивровка подписи) Магнитогорск, 2016

Содержание

Введение. 4

1       Назначение и краткая характеристика стана «5000». 5

2       Выбор структурной схемы главной линии рабочей клети. 9

3       Разработка конструкции рабочей клети. 10

3.1        Прокатные валки. 10

3.1.1          Выбор материала, конструкции и размеров валков. 10

3.1.2          Определение сил, действующих на валки при прокатке. 12

3.1.3          Расчёт прочности валков. 16

3.1.4          Расчёт упругой деформации валков и определение жёсткости валковой системы.. 20

3.2        Тип, конструкция и основные параметры подшипников прокатных валков. 22

3.3        Выбор типа и расчет механизма для установки прокатных валков. 25

3.3.1          Механическое нажимное устройство. 25

Условие прочности резьбового участка нажимного винта выполняется. 27

3.3.2 Гидравлическое нажимное устройство. 27

3.4        Выбор типа и расчет механизма для уравновешивания верхнего валка. 28

3.5        Станина. 30

3.5.1          Выбор типа и размера станины.. 30

3.5.2          Расчет прочности, упругой деформации и коэффициента жесткости станины.. 34

Расчет прочности станины.. 34

Расчет упругой деформации и коэффициента жесткости станины.. 35

3.6        Расчет коэффициента жесткости рабочей клети. 36

36

3.7        Крепление рабочей клети к фундаменту и расчет клети на опрокидывание. 36

3.8        Тип и конструкция валковой арматуры.. 38

4       Тип и конструкция передаточных механизмов главной линии рабочей клети. 40

5       Выбор типа и определение мощности привода валков рабочей клети. 41

6       Тип и конструкция устройств для перевалки валков. 41

Список литературы.. 44

Введение

С ноября 2006 года ОАО «ММК» приступил к строительству стана 5000. Строительство продолжалось 2 года 8 месяцев. В июле 2009 года на стане 5000 был прокатан первый лист.

На данном стане производят толстолистовой прокат шириной до 4850 м. Он используется в производстве труб для нефтегазовой отрасли (70-80%), в судостроении, при строительстве мостов, в котлостроении и в других видах машиностроения. Получаемые из таких листов трубы имеют высокие качественные характеристики (например, класс прочности Х120) и позволяют использовать продукцию в агрессивной среде.

Стан 5000 ОАО «ММК» во многом уникален. Усилие прокатки клети составляет 12 тыс. тонн. Это самая мощная прокатная клеть в мире. Стан оборудован установками прерванной закалки и контролируемого охлаждения, позволяющими получать гарантированные заданные параметры продукции. К другим отличительным особенностям стана относятся высокая оснащенность современными средствами измерения и контроля параметров, абсолютная техническая прозрачность и комплексный подход к автоматизации процессов управления. Это позволяет организовать индивидуальное сопровождение и паспортеризацию процессов производства каждого листа. Технические характеристики стана позволяют получать продукцию с суженным диапазоном допуска по геометрическим размерам и форме листа по сравнению со стандартами.

Производительность стана 1500 тыс. тонн проката в год.

На стан 5000 поступает заготовка с ККЦ и ЭСПЦ:

Таблица 1

Размеры слябов

Наименование	Интервал размеров, мм
Толщина ширина длина	190-250 1030-2350 4200-5550

1         Назначение и краткая характеристика стана «5000»

Стан 5000 предназначен для производства листов толщиной от 8 до 100 мм, шириной от 1500 до 4800 мм, длиной от 6000 до 24000 мм из низколегированной марок стали типа 09Г2ФБ, 10Г2ФБЮ, 13Г1СУ и других, прокатываемых по контролируемому режиму.

На стане возможна прокатка листов толщиной от 8 до 160 мм, шириной от 1500 до 4800 мм, длиной от 6000 до 24000 мм из углеродистых, конструкционных, низколегированных и легированных марок стали, прокатываемых по обычному режиму.

Возможна поставка листов шириной от 900 до 2400 мм после продольной резки по оси.

Оборудование стана обеспечивает прокатку и отделку листов со следующими прочностными характеристиками (при температуре +20 °С):

-       с пределом прочности до 1200 МПа;

-       с пределом текучести до 750 МПа (при толщине листа от 41 до 50 мм);

- с пределом текучести до 1000 МПа (при толщине листа до 40 мм).

Таблица 2

Основные марки стали, прокатываемые на стане 5000 и требования, предъявляемые к ним

№ п.п.	Марка стали	НД на
		марку стали	технические требования
1	2	3	4
1	Сталь углеродистая обыкновенного качества СтО - Ст5, СтЗГпс и др.	ГОСТ 380	ГОСТ 14637
2	Сталь низколегированная для мостостроения марок 10ХСНД, 15ХСНД	ГОСТ 6713	ГОСТ 6713
3	Сталь углеродистая и низколегированная из марок 15 К, 20К, 09Г2С для котлов и сосудов под давлением	ГОСТ 5520	ГОСТ 5520
4	Сталь углеродистая и низколегированная для судостроения из марок А, В, D, А32, D32, А36	ГОСТ 5521	ГОСТ 5521
5	Сталь низколегированная конструкционная повышенной прочности марок 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2, 09Г2 С(Д) 10Г2С1(Д), 10-15ХСНД	ГОСТ 19281	ГОСТ 19281
6	Сталь углеродистая качественная конструкционная из марок 08-25(пс, сп),30-70	ГОСТ 1050	ГОСТ 1577
7	Сталь легированная конструкционная из марок 15Г, 20Г, 30Г	ГОСТ 4543	ГОСТ 1577

В состав основного технологического оборудования стана 5000 входят:

-  2 нагревательные печи с шагающими балками;

-  окалиноломатель;

-  четырехвалковая реверсивная чистовая клеть;

-   вертикальная обжимная клеть;

-  машина горячей правки;

-  система охлаждения листа;

-  холодильники;

-  кантователь и участок инспекции;

-  установка ультразвукового контроля;

-  концевые ножницы;

-  кромкообрезные ножницы и ножницы продольной резки;

-  делительные ножницы катящегося реза;

Схема расположения основного технологического оборудования представлена рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема расположения основного технологического оборудования стана 5000

1 - Склад слябов; 2 - Нагревательные печи; 3 - Первичный гидросбив окалины; 4 - Карман для листов свыше 50 мм; 5 - Рабочая клеть; 6 - Роликоправильная машина №1 (горячей правки); 7 - Установка ускоренного охлаждения; 8 - Роликоправильная машина №2; 9 - Клеймитель; 10 - Карман ПФО (противо флокенного охлаждения); 11 - Холодильник; 12 - Инспекторский стол; 13 - Кантователь; 14 - УЗК; 15 - Ножницы поперечной резки (для обрезки торцов); 16 - Ножницы продольной резки (СКОН + слитинг); 17 - Ножницы №2 поперечной резки (для порезки на мерные длины); 18 Маркировщик; 19 - Термические печи; 20 - Роликоправильная машина №3 (холодной правки); 21 - Маркировщик; 22 - Карманы.

Таблица 3

Характеристики 4-х валковой прокатной клети

Наименование агрегата	Наименование характеристики	Значение или описание
1	2	3
Прокатные валки	Диаметр рабочих валков Длина рабочих валков	1210 - 1110мм 5300 мм
	Диаметр опорных валков Длина опорных валков	2300 -°2100 мм 4950 мм
	Подшипники рабочих валков	4-рядные конические радиальные роликовые
		2-рядные осевые подшипники
	Подшипники опорных валков	ПЖТ МОРГОИЛ
	Скорость рабочих валков при макс, диаметре валка	(0-3,17) / 7,30 м/с
	Максимально допустимое усилие прокатки Максимальное усилие на цилиндрах HGC при давлении 300 бар со стороны поршня, 30 бар со стороны штока	120 МН более140 МН
Главный привод	Тип	спаренный
	Мощность главного привода	2x12 МВт
	Частота вращения вала двигателя	(0-60)/ 115 об/мин
	Номинальный крутящий момент	2x1,91 МН-м
	Максимальный крутящий момент при прокатке	2x3,82 МН-м (200 % от номин.)
	Максимальный крутящий момент перегрузки (двигатель)	2x4,23 МН-м (225 % от номин.)
	Крутящий момент при отключении двигателя	2x5,25 МН-м (275 % от номин.)
Гидронажимное устройство	Место установки	внизу
	Диаметр поршня Ход	1750/1600 мм 95 мм (действ. 85 мм)
	Максимальное давление в гидросистеме	29 МПа
Механическое нажимное устройство	Раствор между рабочими валками (новые валки)	320 мм
	Высота подъема	520 мм
	Скорость	0-50 мм/с
	Мощность привода Частота вращения привода	2x560 кВт 800 об/мин
	Нажимной винт: -     диаметр -     шаг	950 мм, 60 мм
Станина	Основные размеры станин	15,65x6,10x2,30 м
	Высота линии прокатки	+ 800 мм
	Размер просвета для свободного прохода через клеть	5380 мм
	Масса станины	547 т
	Расстояние между осями станин	7 м
	Размеры сечения стоек станины	950x1100 мм
Шпиндель	Тип	выдвижной

2         Выбор структурной схемы главной линии рабочей клети

Главная линия рабочей клети состоит из рабочей клети, передаточных механизмов и главного электродвигателя.

Основным технологическим инструментом прокатного стана являются валки, вращающиеся в подшипниках и воспринимающие усилие прокатки. Привод валков осуществляется электродвигателем через промежуточные передаточные механизмы и устройства. Машины и механизмы, предназначенные для вращения валков, а также для восприятия возникающих при пластической деформации металла усилий и крутящих моментов, составляют главную линию рабочей клети.

Схема главной линии рабочей клети толстолистового стана 5000 представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема главной линии рабочей клети

1 - рабочая клеть; 2 - универсальные шпиндели; 3 - главный электродвигатель; 4 - шестеренная клеть;6 - моторная муфта; 8 - устройство для уравновешивания шпинделей; 9 - прокатные валки; 10 -станины; 11 - механизмы установки верхнего валка; 12 - траверса; 13 - подушки с подшипниками;14 - плитовины; 15 - фундаментные болты

3          Разработка конструкции рабочей клети

3.1         Прокатные валки

Прокатные валки являются основным технологическим инструментом каждого прокатного стана и предназначены для выполнения пластической деформации металла в процессе изготовления проката. Значимость валков в производстве проката первостепенна, т.к. от их качества зависит качество готового проката и производительность стана.

3.1.1     Выбор материала, конструкции и размеров валков

Принятый режим обжатий заготовки, необходимое качество проката, стойкость валков в значительной мере зависят от материала, из которого изготовлены валки. Основанием для выбора материала является назначение стана и условия эксплуатации валков. Материал, из которого изготовлены валки, должен обеспечить их прочность и износостойкость. Износ валков зависит от их твердости. Твердость снижает вязкость , что отражается на снижении прочности валков. В каждом конкретном случае в зависимости от назначения стана и условий эксплуатации валки делают из материала, обладающего свойством, являющимся в данном случае основным.

В нашем случае конструкция рабочего и опорного валков имеет следующий вид        (рисунок 3, 4)

Рисунок 3 - Конструкция опорного валка

Рисунок 4 – Конструкция рабочего валка

Размеры прокатных валков

Рабочие валки:

Максимальный диаметр валков D _p=1210мм

Минимальный диаметр валков D _{p min}=1110 мм

Длина бочки валка L_p =5300 мм

Диаметр шейки валка D_шр=749 мм

Длина шейки валка L_шp=1153мм

Опорные валки:

Максимальный диаметр валков D_o=2300 мм

Минимальный диаметр валков D_{o min}=2100 мм

Длина бочки валка L_o=4950  мм

Диаметр шейки валка D_шо=1650 мм

Длина шейки валка L_шо⁼1513 мм

Для прокатных станов различного назначения практикой установлено отношение L/D, которое определяет прочность валков при величине их упругой деформации, обеспечивающей требуемую точность изготовления проката. Для клетей «КВАРТО» установлены следующие соотношения, которые в нашем случае выполняются:

L_p /D_p= 5300 / 1210 = 4,380;                                                                      2 < 4,380< 5

L_оп/D_оп = 4950/2300 = 2,152;                                                                    0,9 <2,152<2,5

3.1.2     Определение сил, действующих на валки при прокатке

Для обоснованного выбора и расчета прокатных валков, а также деталей и узлов рабочей клети необходимо знать силовые факторы, действующие на валки при прокатке. В каждом конкретном случае необходимо иметь в виду следующие силовые факторы: усилие прокатки Р и характер его приложения по длине бочки валка; крутящий момент М_кр, приложенный к приводному концу валка; усилие противоизгиба валков при прокатке листа; переднее и заднее" натяжения прокатываемой полосы. Графическое изображение действия полосы на валок представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 - Силовое действие полосы на валок

N_p - сила реакции опоры; Р - сила, с которой полоса действует на валок (усилие прокатки); М - крутящий момент.

Выделим из системы прокатный валок и рассмотрим его равновесие без учета сил трения в опорах валка. В точке Oi приложим систему сил, эквивалентную нулю, то есть две силы, равные по величине и противоположно направленные. Тогда получим систему сил, состоящую из пары сил (Р, Р) с плечом а и сосредоточенной силы Р. Чтобы валок находился в равновесии необходимо пару сил уравновесить моментом М, а силу Р уравновесить силой N_p. Момент М прикладывается к валкам шпинделями, приводящими валки во вращение, а усилие прокатки Р воспринимается деталями прокатной клети (подушками с подшипниками, нажимные винты, станины - цепь передачи усилия) и уравновешивается реакцией N_p этих деталей.

При практических расчетах усилие прокатки находят по методу усреднения:

Р = PcpF,

где р_ср - среднее контактное нормальное напряжение (контактное давление);

F - площадь контакта металла с валком.

Крутящий момент можно определить по формуле:

М_кр= Мпр/2 + Мтр,

где М_пр - момент прокатки;

Мтр - момент трения в подшипниках одного опорного валка четырехвалковой клети, приведенный к оси приводного рабочего валка.

Исходные данные:

Рассмотрим 1 проход чистовой стадии прокатки стали класса прочности X70.

·         ширина прокатываемой полосы: 4850 мм

·         толщина на входе : h₀=12,5 мм

·         толщина на выходе: h₁= 10 мм

·         абсолютное обжатие: ∆h=h₀-h₁=12,5-10=2,5

·         относительное обжатие : ε =100%  =100% = 20%

·         температура прокатки : 780°С

·         скорость прокатки: 7,0 м/с

Коэффициент трения при захвате определяем по формуле Экелунда:

μ_зах=a(1,05-0,0005t)=0,8 (1,05-0,0005780)=0,66                                (1)

где a=1 для стальных валков

Определим условие захвата:

μ²==  =0,0045                                                      (2)

μ²=0,66²=0,4356                                                                (3)

Условие захвата выполняется : 0,0045<0,4356

Усилие прокатки:

P = p_срF                                                                   (4)

При двухмерной деформации, когда уширением можно пренебречь, коэффициент Лоде n_γ=1,15.

При прокатке широких полос среднее нормальное контактное напряжение не зависит от ширины полосы и коэффициент, учитывающий влияние ширины полосы, n_в=1.

Средняя толщина полосы :

h_ср=0,5(h₀+h₁)= 0,5 (12,5+10) = 11,25                                             (5)

Коэффициент, учитывающий влияние внешнего трения на значение среднего нормального контактного напряжения, можно определить по формуле:

n’_ϭ =1+ = 1+  = 1,572                                                 (6)

l_д= =  = 38,63                                                 (7)

Прокатка осуществляется без натяжения, то коэффициент , учитывающий влияние натяжений , n’’’_ϭ=1.

Коэффициент влияния внешних зон:

                                             (8)

Тогда коэффициент напряжённого состояния :

n_ϭ= n_в n’_ϭ n’’_ϭ n’’’_ϭ = 11,5720,611 = 0,959                                        (9)

Для определения фактического сопротивление деформации используем метод, разработанный Л.В. Андреюка .

Для стали класса прочности X70 базисное значение сопротивления деформации  =87 МПа. Тогда

= S(10ε)^bu^a(t/1000)^c = 187(1020)^0,19336,23^0,154 (780/1000)^-3,497=

= 412 МПа,                                                                            
                                                      (10)

где  a=0,126+0,01{(L′1X1+L′′1X¹҆⁵)+….+(L11′X11+L′′X11¹҆⁵)= 0,154

b=0,125+0,01{(m1′X1+m1′′X1¹҆⁵)+…..+(m11′X11+m′′X11¹҆⁵)}=0,193

c=-2,82+0,01{(n1′X1+n1′′X1¹҆⁵)+….=(n11′X11+n11′′X11¹҆⁵)}=-3,497

Скорость деформирования по формуле А.И. Целикова:

                                                (11)

Среднее нормальное контактное напряжение:

p_ср=n_γn_ϭϭ_т = 1,150,959412 = 455 МПа                                   (12)

Площадь контакта с валком (пренебрежём уширением) :

F = bl_д = 4,850,03889 = 0,187 м²                                                                     (13)

Тогда усилие прокатки примет вид :

P=F = 4550,187 = 85,25 МН                                             (14)

Определим крутящий момент, необходимый для привода одного валка. Для этого необходимо знать момент прокатки и момент трения в подшипниковых опорах валка.

Момент прокатки:

М_пр = 2РΨlд = 285,2510⁶0,50,03839 = 3293,4710³ Нм                 (15)

Ψ=0,5 – коэффициент плеча равнодействующий ( для горячей прокатки простых профилей).

Момент трения при коэффициенте трения f=0,003 в подшипниковых опорах валка на ПЖТ:

М_тр = РfdD_p/2D_оп = (85,2510⁶0,0031,81,21)/(22,3) = 121,0910³ Нм       (16)

Крутящий момент, приложенный к приводному концу валка :

М_кр=0,5М_пр+М_тр=0,53293,4710³+121,0910³=1646,8510³ Нм                (17)

3.1.3     Расчёт прочности валков

При расчете опорного валка на прочность, будем пользоваться расчетной схемой, изображенной на рисунке 6.

Заданная схема

Рисунок 6 –Схема к расчёту прочности валков четырёхвалковой клети

Максимальный изгибающий момент в опасном сечении бочки опорного валка :

М_изг.б = Р(2а-Lоп)/8 = 85,2510⁶ (27-2,3)/8 = 96,4310⁶ Нм                      (18)

Здесь: а – расстояние между осями нажимных винтов, проходящих через середины опор валка на ПЖТ.

Максимальный изгибающий момент в опасном сечении шейки опорного валка:

М_изг.ш = 0,5РТ = 0,585,25 10⁶1,025 = 43,6910⁶ Нм                            (19)

Здесь: Т-расстояние от края бочки опорного валка до середины валковой опоры на ПЖТ:

Момент сопротивления поперечного сечение бочки опорного валка при изгибе:

W_б=0,1D³_оп.мин = 0,12,1³ = 0,926 м³.                                            (20)

Условие прочности бочки опорного чугунного валка по нормальным напряжениям при изгибе :

ϭ_изг.б =  =  = 104,13 МПа < [ϭ] = 130 МПа                               (21)

Выполняется.

Момент сопротивления поперечного сечения шейки валка при изгибе при наибольшем диаметре  конической части шейки валка под подшипник жидкостного трения:

W_ш = 0,1d_к³=0,11,65³=0,449 м³                                                  (22)

Условие прочности шейки опорного валка:

ϭ_изг.ш =  =  = 97,26 МПа < [ϭ] = 130 МПа                              (23)

Выполняется.

При проверке прочности рабочего валка предварительно определим воспринимаемую им долю усилия прокатки :

Р_р=  = 6,065 МН                                             (24)

Следовательно , рабочим валком воспринимается  (6,065/85,25)*100% = 7,11 % усилия прокатки.

Рисунок 7 – Схема к расчёту рабочего валка в вертикальной плоскости от действия усилия Р_р

Из сопротивления материалов, если принять рабочий валок балкой, лежащей в вертикальной плоскости на двух опорах с расстоянием между опорами, равным длине бочки L_р (рисунки 4 и 5) и находящейся под равномерно-распределенной нагрузкой q =, можно найти b изгибающий момент в сечении I-I, проходящем через середину длины бочки валка:

М_изг.б = 0,25Р_р(L-0,5b) = 0.256,0610⁶(5,3-0,54,85) = 4359,6310³ Нм            (25)

Момент сопротивления поперечного сечения бочки рабочего валка при изгибе:

W_б= 0,1D³_р.макс = 0,11,21³ = 0,177м³                                        (26)

Максимальное напряжение изгиба в сечении I-I бочки рабочего валка:

ϭ_изг.р =  =  = 24,60 МПа < [ϭ] = 130 МПа                           (27)

Выполняется.

Момент сопротивления поперечного сечения шейки валка при изгибе при наибольшем диаметре d_к конической части шейки валка под подшипник жидкостного трения:

W_к=0,2d_к³=0,20,749³=0,084 м³                                                  (28)

Максимальное касательное напряжение в шейке валка:

τ =  =  = 19,59 МПа                                               (29)

Эквивалентное напряжение в шейке валка (условие прочности шейки рабочего валка) :

ϭ_э=  =  = 33,94 МПа < [ϭ] = 130 МПа                           (30)

Выполняется.

Приступая к проверке прочности приводного конца рабочего валка, определяем его диаметр. Принимаем диаметр приводного конца валка d₁=760 мм.

Приводной конец валка выполнен с лысками (рисунки 4 и 8).

Для проверки условия прочности приводного конца валка необходимо определить момент сопротивления поперечного сечения приводного конца при кручении. Принимаем: b=550 мм, R=375 мм, α =90° (рисунок 8).

Рисунок 8 – Форма поперечного сечения приводного конца валка

Площадь сегмента:

S=0,5R²( – sin90) = 0,5375²( - sin90) = 40078 мм²                   (31)

Находим положение центра тяжести площади сегмента по отношению к оси валка:

h_c =  =  = 346 мм                                                 (32)

Получаем прямоугольную форму поперечного сечения с отношением сторон = =1,25. Тогда момент сопротивления сечения при кручении:

Wк = βb³=0.2630,55³=0,043м³                                             (33)

Условие прочности приводного конца валка по касательным напряжениям при кручении:

τ =  =  = 37,6 МПа <[τ] = 80 МПа                                  (34)

Выполняется.

Произведём расчёт валков на контактную прочность на участках упругого сплющивания рабочего валка с опорными валками.

Максимальное контактное напряжение сжатия :

ϭ_макс = 0,58 = 0,58 = 1214,6 МПа < [ϭ_к] = 1500 МПа            (35)

Здесь:

q=P/L = 85,25*10⁶/5300 = 16172 Н/мм² ;                                                                                   (36)

Е_пр = 2,15*10⁵ МПа – приведенный модуль упругости материала рабочего и опорного валков;

R_пр =  =  = 792 мм – приведенный радиус валков;                                         (37)

[ϭ_к] = 1500…2000 МПа – допустимое напряжение на контактную прочность

Выполняется.

3.1.4     Расчёт упругой деформации валков и определение жёсткости валковой системы

После проверки прочности валковой системы необходимо выполнить проверочный расчет ее упругой деформации, что необходимо для определения жесткости клети и, как следствие, для настройки клети на заданные условия прокатки. Прогибы опорного валка:

Прогибы опорного валка:

δ₁= =  = 1,79 мм                                                                  (38)

где P=85,2510⁶ Н;

E= 2,1510¹¹ Па;

I_б =   1,37 м² – момент инерции площади поперечного сечения бочки опорного валка;                                                                          
                                                                              (39)

L_оп=4,95 м;

Т=1,025 м;

       I_ш =   0,36 м² – момент инерции площади поперечного сечения шейки опорного валка;                                                                          
                                                              (40)

δ₂=К_фР1,1885,2510⁶ 0,73 мм                                        (41)

где К_ф=1,18 – коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения;

Р=85,2510⁶ Н;

G=0,8210¹¹ Па – модуль упругости материала валка при сдвиге;

D_оп=2,3 м;

L_оп=4,95м;

Т=1,025м;

d_к=1,65м.

Контактная деформация рабочего валка с опорным :

δ_р-о= () = () = 1,10мм             (42)

Упругая деформация при контакте рабочего валка с полосой:

δ_р= () = () = 0,000024мм                                     (43)

Суммарная деформация четырёхвалковой системы:

δ_в=2(δ₁+ δ₂+ δ_р-о)+ δ_р = 2 (1,79+0,73+1,10)+0,000024 = 7,24 мм                                               (44)

Жёсткость валковой системы:

С_в =  =  = 11,82 МН/мм                                                                                                   (45)

3.2         Тип, конструкция и основные параметры подшипников прокатных валков

Широкое распространение получили подшипники жидкостного трения (ПЖТ) или подшипники скольжения закрытого типа. При любых условиях работы между телом шейки материалом подшипников всегда сохраняется масляная пленка, благодаря чему шейка валка как бы плавает в масляном слое подшипника. Состояние жидкостного трения обеспечивается герметичностью конструкции. Коэффициент трения в этих подшипниках весьма мал (0,001- 0,005), а износа трущихся поверхностей почти нет, срок эксплуатации ПЖТ – 10-20 лет.

Подшипники MORGOIL 80"-86-KLX используются в качестве подшипников для опорных валков. Их задачей является восприятие общего усилия прокатки. Элементом, несущим нагрузку, при этом является масляная пленка между подшипниковой и рабочей втулками. Эта постоянная масляная пленка обеспечивает бесконтактное скольжение металлических поверхностей. Подаваемое на подшипники количество масла обеспечивает отвод теплоты трения, а также благоприятное распределение температуры по всей длине опорного валка.

По ГОСТ 7999-70 выбираем подшипник: диаметр втулки-цапфы 1650 мм, длина втулки- цапфы  1600 мм. Конструкция ПЖТ представлена на рисунке 9.

                                                                                
          (46)

где [р] = 16 — 17 МПа - при работе в длительном режиме;

[р] = 21,0 — 22,5 МПа - при работе в кратковременном режиме.

Полученное значение можно считать допустимым.

Рисунок 9- Подшипник жидкостного трения для опорных валков 1 – втулка-вкладыш; 2 — втулка-цапфа; 3 — кольцо-насадка; 4 — узел задней крышки с радиальным (манжетным) и торцовым (текстолитовым) уплотнениями; 5 — упорный узел с роликовым коническим подшипником; 6 — стакан; 7 — фиксирующая крышка; 8 — фиксирующая гайка; 9 — кольцо; 10 — разъемные полукольца; 11 крышка-кожух; 12 — передняя насадка; 13 — узел передней крышки; 14 — втулка; 15,16 — шпонки.

Рисунок 10 – Подшипник качения четырехрядный с коническими роликами

В четырехвалковых клетях в качестве опор рабочих валков применяются подшипники качения четырехрядные с коническими роликами (рис 10), способные воспринимать большие осевые нагрузки. Типоразмер подшипников качения выбирается исходя из диаметра шейки рабочего валка, который в свою очередь равен: d_ш = (0,61)D_p = 749 мм.

По каталогу  для данных размеров шейки валка  «LARGE BEARINGS» принимаем подшипник«LM283649D/LM283610/LM283610DG2», размеры которого  

Радиальная нагрузка ( на две опоры):

 = 6,09 МН                                              (47)

Осевую нагрузку определяем по формуле:

                                                  (48)

Эквивалентную нагрузку определяем по формуле:

                      (49)

            где X=1 и Y=2,03 по каталогу для данного подшипника.

            Динамическую грузоподъемность можно найти из выражения:

                                                                                
                        (50)

где  - коэффициент динамического нагружения, учитывающий безопасность и надежность работы опоры;

              – коэффициент частоты вращения. Определяются по каталогу и равны ,  

            Отсюда C=3,42 МН.

Подшипник выбран верно.

3.3         Выбор типа и расчет механизма для установки прокатных валков

                 Механизм для вертикальной установки валков предназначен для перемещения валков при установке зазора между ними на заданное обжатие полосы. На всех листовых станах положение нажимного валка с подушками и подшипниками в рабочей клети постоянно, поэтому раствор между валками регулируется перемещением только верхнего валка при помощи нажимного устройства.

3.3.1       Механическое нажимное устройство

Механическое нажимное устройство представлено на рисунке 11.

Рисунок 11- Механическое нажимное устройство

                 Наружный диаметр нажимного винта do = 950 мм.

                 Шаг 60 мм.

                 Диаметр нажимной гайки D = (1,5 — l,8)d₀ = 1,5  950 = 1425 мм                                  (51)

                 Высота нажимной гайки Н = (0,95 — 1)D = 0,95  1425 = 1354 мм                                 (52)

                 Определим усилие, действующее на нажимной винт:

                                            (53)

где G - масса уравновешиваемых деталей при прокатке (верхнего валка, его подушек и нажимных винтов).

Для приведения нажимного винта во вращение при действии на него усилия, возникающего при прокатке, к его хвостовику необходимо приложить крутящий момент, который должен преодолеть трение в пяте и резьбе. Схема к расчету прочности нажимного винта представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Схема для определения прочности нажимного винта

Крутящий момент равен:

                                                                                    (54)

где f_п = 0,1 - коэффициент трения в пяте;

d_n = 800 мм - диаметр пяты нажимного винта;

d_cp = 905 мм - средний диаметр нажимного винта;

а — 0°25" - угол подъема резьбы винта;

j = 5°40" - угол трения.

Условие прочности хвостовика нажимного винта:

                                    (55)

Условие прочности хвостовика нажимного винта выполняется. Условие прочности резьбового участка нажимного винта:

                                                                              (56)

где sp - результирующее напряжение.

Нормальное напряжение при сжатии:

                                                                                                      (57)

где - площадь поперечного сечения винта по внутреннему диаметру резьбы.

                                                                                              (58)

где - момент трения в пяте;

W_K = 0,2 - момент сопротивления поперечного сечения винта при кручении;

d₁ - внутренний диаметр резьбы винта.

σp=[s] = 120 - 150 МПа                         (59)

Условие прочности резьбового участка нажимного винта выполняется.

3.3.2 Гидравлическое нажимное устройство

Гидронажимное устройство вместе с механическим нажимным устройством служит в качестве исполнительного органа для регулирования очага деформации в клети. Нажимные гидравлические цилиндры находятся в нижней зоне станины. Гидравлический нажимной цилиндр представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 - Гидравлический нажимной цилиндр

Технические характеристики нажимного цилиндра:

Диаметр поршня: 1750 мм

Диаметр поршневого штока: 1600 мм

Общий ход: 45 мм

Рабочее давление:

сторона штока: 3-12 МПа

сторона дна: 29 МПа

3.4          Выбор типа и расчет механизма для уравновешивания верхнего валка

             Механизм уравновешивания верхнего валка предназначен для устранения зазоров между подпятником и пятой нажимного винта, а также в резьбе пары нажимной винт-гайка. Это необходимо для того, чтобы при задаче металла в валки не возникали динамические нагрузки, а раствор между валками соответствовал требуемому обжатию, установленному оператором.

Применяется механизм гидравлического уравновешивания, размещенный в верхней траверсе станины. Механизм гидравлического уравновешивания представлен на рисунке 14.

Рисунок 14 - механизм гидравлического уравновешивания верхнего валка

Цилиндр уравновешивания представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 - Цилиндр уравновешивания

Технические характеристики цилиндра уравновешивания:

Диаметр поршня: 650 мм

Диаметр поршневого штока: 600 мм

Общий ход: 850 мм

Рабочее давление:

сторона штока: 300 бар

сторона дна: 300 бар

Испытательное давление: 400 бар

Максимальная скорость поршня:

сторона штока: 40 мм/с

сторона дна: 40 мм/с

Необходимое давление масла в цилиндре:

                           (60)

где G - вес уравновешиваемых деталей;

d - внутренний диаметр цилиндра.

3.5          Станина

             Одной из наиболее ответственных деталей прокатной клети является станина. Она объединяет все узлы и механизмы прокатной клети в единый агрегат. В станины монтируются подушки с прокатными валками, механизмы установки валков и другие устройства и механизмы, необходимые для получения прокатных профилей с требуемой точностью размеров. Станина является последним звеном, замыкающим цепь передачи усилия прокатки от прокатных валков через подшипники, подушки и механизмы установки валков. Так как станина является одним из элементов прокатной клети, определяющим работоспособность стана и качество выпускаемой продукции, то к ней предъявляются определенные требования в отношении ее прочности, жесткости, удобства обслуживания и быстрой перевалки валков. Наиболее важными требованиями для станины являются прочность и жесткость.

3.5.1     Выбор типа и размера станины

Станина представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Станина прокатной клети

Рассмотрим данную станину как станину закрытого типа, представленную на рисунке 17.

Рисунок 17 - Станина закрытого типа: 1 - верхняя поперечина; 2 - окно; 3 - стойка; 4 - приливы (лапы); 5 - нижняя поперечина

Рисунок 18 - Схема к определению геометрических параметров

Выбираем материал станины: Сталь К60.

Размеры станины:

ширина окна b = 5975 мм;

высота окна h = 10460 мм;

Н = 2600 мм, В, = 2360 мм,

Н₂= 1075 мм, В₂ = 1025 мм,

Н₃ = 2350 мм, В₃ = 1950 мм,

= 1350 мм, d₂= 1000 мм

 = 1300 мм, h₂ = 1300 мм

Площадь сечения в середине верхней поперечины:

F₁ = Н₁В₁ - ( +) = 2,62,36 - (1,351,3+11,3) = 3,08 м²                                                 (61)

Статический момент площади сечения верхней поперечины относительно оси X:

    (61)

Координаты центра тяжести площади сечения по оси у:

                                                                    (62)

Положение нейтральной оси:  =  = 1,396 м; =  -   = 2,6 - 1,396 = 1,204 м. Момент инерции площади сечения верхней поперечины относительно центральной оси, проходящей через центр тяжести сечения:

            (63)

Площадь поперечного сечения стойки:

F₂ = Н₂В₂ = 1,0751,025 = 1,102 м²                                       (64)

Момент инерции площади поперечного сечения стойки:

=0,106

Площадь поперечного сечения нижней поперечины:

F₃ = Н₃В₃ = 2,351,95 = 4,583 м².

Момент инерции площади поперечного сечения нижней поперечины:

Размеры основного контура станины:

длина поперечин:

=b + 2Н₂ = 5975 + 21075 = 8125 мм. высота стоек:

 =h++ = 10460 + 1396 + 1175 = 13031 мм.

Конструктивно принимаем = 15410 мм.

Усилие, действующее на станину:

3.5.2       Расчет прочности, упругой деформации и коэффициента жесткости станины

Расчет прочности станины

Прочность станины в сечении 1-1 верхней поперечины. Моменты сопротивления поперечного сечения изгибу:

Изгибающий момент в середине верхней поперечины:

Наибольшее напряжение сжатия по внутреннему контуру станины:

Условие прочности верхней поперечины выполняется.

Проверка прочности стойки в сечении 2-2.

Момент сопротивления поперечного сечения изгибу:

Изгибающий момент в стойке:

Наибольшее напряжение в стойке по внутреннему контуру:

σ1=27,26 МПа < [σ] = 60 Мпа.

Условие прочности стойки выполняется.

Проверка прочности нижней поперечины в сечении 3-3.

Момент сопротивления поперечного сечения изгибу:

Напряжение растяжения (сжатия):

Условие прочности нижней поперечины выполняется

Расчет упругой деформации и коэффициента жесткости станины

Перемещение станины от действия изгибающих моментов вследствие деформации двух поперечин:

Перемещение станины от действия поперечных сил вследствие деформации двух поперечин:

Перемещение станины от действия продольных сил вследствие деформации двух стоек:

Полное перемещение станины:

δ =δ₁+δ₂+δ₃ = 0,86+0,75+1,49=3,11мм.

Жёсткость станины:

3.6         Расчет коэффициента жесткости рабочей клети

                 Жесткостью рабочей клети называется отношение максимального усилия на валки при прокатке к суммарной деформации рабочей клети.

                 Коэффициент жёсткости клети - величина усилия прокатки, приходящейся на единицу деформации клети.

Рассчитаем жесткость рабочей клети по известным коэффициентам жесткости клети и валков.

Упругая деформация клети составит:

3.7         Крепление рабочей клети к фундаменту и расчет клети на опрокидывание

Прокатная станина на стороне привода и на стороне обслуживания установлена на расположенных на входной и выходной сторонах плитовинах и жестко соединена с ними болтами.

Усилия и моменты, воздействующие на прокатные станины при прокатке, через крепежные болты передаются на плитовины. Передача усилий от плитовин в фундамент происходит посредством болтов с Т-образной головкой, с помощью которых плитовины закреплены на фундаменте.

Диаметр болтов, крепящих станины к плитовинам и плитовины к фундаменту определим из соотношения:

d = (0,9 - 0,15)D_P + 10 = 191,5 мм.

Для крепления станины выберем высокопрочные болты. Они изготавливаются из углеродистых или легированных сталей с последующей термической обработкой. Высокопрочные болты обеспечивают надежное соединение, хорошо работающее при любых видах силовых воздействий.

Рассчитаем рабочую клеть на опрокидывание. Схема к определению опрокидывающего момента, действующего на рабочую клеть в момент захвата металла валками представлена на рисунке 16.

Рисунок 19 - Схема к определению опрокидывающего момента, действующего на рабочую клеть в момент захвата металла валками

Максимальная сила инерции:

Опрокидывающий момент при прокатке с натяжением:

М_опр = F_ин * а = 2,75* 4,71 =12,97МНм

Усилие, с которым лапы растягивают болты:

Усилие, действующее на болт:

где n - число болтов с одной стороны клети.

Нормальные напряжения от растягивания:

Условие прочности выполняется.

3.8         Тип и конструкция валковой арматуры

Чистовая клеть оснащена вводной и выводной направляющими проводками. Проводки представлены на рисунке 20. Обе направляющие проводки выполнены в виде стальных сварных конструкций и закреплены на траверсе системы уравновешивания опорных валков. Вследствие этого они перемещаются в клети вместе с системой уравновешивания опорных валков и следуют за вертикальными движениями системы установки прокатного зазора. Направляющие проводки необходимы для направления переднего конца прокатываемого материала в очаг деформации в зависимости от направления прокатки, защиты оборудования выходной части клети от хвоста при выходе проката из клети, удерживания в клети и позиционирования верхнего гидросбива.

Рисунок 17 - Вводная и выводная направляющие проводки.

4         Тип и конструкция передаточных механизмов главной линии рабочей клети

Приводные шпиндели, представленные на рисунке 18, служат для передачи крутящих моментов с приводных двигателей на рабочие валки. При этом шпиндели образуют крутильно- жесткое соединение между муфтой на стороне двигателя и трефом на стороне валка.

Приводные шпиндели опираются по центру на опорный узел, соединенный с системой уравновешивания шпинделя и обеспечиваемый смазкой от системы масляно-воздушной смазки. Система уравновешивания создает поддержку приводных шпинделей в рабочем режиме.

Техническая характеристика:

Номинальная мощность двигателя: 12000 кВт

Номинальный вращающий момент электродвигателя: 1910 кНм

Предельный момент тока двигателя: 4775 кНм

Момент отключения двигателя: 5252 кНм

Диаметр шарнира на стороне двигателя: 1300 мм

Диаметр шарнира на стороне валка: 1200 мм

Номинальное расстояние между центрами вращения в нулевой позиции: 11000 мм

5         Выбор типа и определение мощности привода валков рабочей клети

Технические характеристики двигателя представлена в п.1.

Мощность двигателя:

где М_дв - момент двигателя;

 -угловая скорость двигателя;

К_э = 1,1- коэффициент, учитывающий неучтенную динамику (пуск, торможение).

Момент двигателя:

где М_пр - момент прокатки, необходимый для осуществления пластической деформации прокатываемого металла и преодоление сил трения его на поверхности валков;

М_тр - момент, расходуемый на трение в подшипниках валков;

М_хх - момент холостого хода, определяемый при вращении деталей стана на его холостом ходу.

М_хх = 0,05 М_ном = 0,05 * 1,91 = 0,0955 МНм.

М_дв =  * 10³ + 121,1* 10³ + 95,5 *10³ = 3,92 МНм.

N = 3,82*10⁶ + 6,2 + 1,1 = 11,82 МВт  12МВт.

Двигатель выбран верно.

6         Тип и конструкция устройств для перевалки валков

Перевалочное устройство расположено на стороне обслуживания прокатного стана перед чистовой клетью. Задачей перевалочного устройства является транспортировка изношенных комплектов валков из клети в вальцетокарную мастерскую.

Главными составными частями перевалочного устройства рабочих валков являются:

•       Платформы с ходовыми направляющими;

•       Устройство поперечного перемещения;

•       Локомотив для перевалки рабочих валков.

Устройство для перевалки рабочих валков представлено на рисунке 19.

Рисунок 19 - Устройство для перевалки рабочих валков

 

 

Список литературы

1.       Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов. М.: Металлургия, 1980.

2.       Королев А.А. Прокатные станы. Конструкция и расчет. М.: Машгиз, 1958.

3.       Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.

4.       Выбор и расчет валков прокатных станов: Методические указание / Магнитогорск: МГТУ, 2005. 58с.

5.       Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т.З. Машины и агрегаты для производства и отделки проката / Целиков А.И., Полухин П.И.,, Гребеник В.М. и др. М.: Металлургия, 1988.

6.       Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1985.

7.       Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976.

8.       Выбор и расчет подшипников скольжения прокатных валков: Методические указания / Магнитогорск: МГТУ, 2005. 52с.

9.       Непрерывный широкополосный стан «2500» горячей прокатки. Инструкция по эксплуатации оборудования