Определение мощности и кинематический

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для выполнения практических работ по теме:

«Технологическое оборудование главной линии прокатного стана»

по дисциплинам: «Технологическое оборудование отрасли», «Оборудование цехов ОМД» для студентов специальности:

150411.51 Монтаж и техническая эксплуатация оборудования (по отраслям)

150106.51 Обработка металлов давлением

Утверждено научно-методическим советом ФГОУ СПО "Липецкий металлургический колледж" в качестве учебного пособия

Липецк 2010 год

Методические указания для выполнения практических работ, курсового и дипломного проектов.

 

Составлены в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальностям 150411.51 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования» и 150106.51 «Обработка металлов давлением» среднего профессионального образования

 

ОДОБРЕНО УТВЕРЖДАЮ

цикловой комиссией общетехнических зам. директора по УР

и механических дисциплин

 

председатель ________ Попова И.А.. ____________ Высочкина Л.Т.

 

Составитель: Платицин А.П. – преподаватель общетехнических и механических дисциплин

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Практические работы являются необходимой частью при изучении специальных дисциплин специальностей: 150411.51 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования» и 150106.51 «Обработка металлов давлением». В ходе их выполнения студенты на основе изученного теоретического материала осуществляют расчет машин и механизмов прокатных цехов. Также эти методические указания необходимы при выполнении курсового и дипломного проектов по данной теме.

Качественное выполнение данного вида работы является предпосылкой выполнения расчетной части курсовых работ и дипломных проектов, развития исследовательских способностей.

Цель данного учебного пособия – оказание помощи студентам всех металлургических специальностей ССУЗов, и особенно студентам-заочникам, т.к. в нем содержится теоретический материал с расчетной частью и исходные данные для индивидуальной работы студентов. В каждой практической работе тридцать вариантов, максимально приближенных к реальным условиям и в частности к оборудованию ОАО «НЛМК».

Практическая работа по каждой теме выполняется только после изучения данной темы.

Методические указания включают восемь практических работ. Описание каждой содержит:

- четко сформулированную цель задания;

- теоретический материал;

- исходные данные для самостоятельной расчетной работы;

- контрольные вопросы;

- содержание отчета о работе.

Выполнение работ требует использование знаний и умений по общетехническим дисциплинам «Техническая механика», «Детали машин», и др. способствующих формированию необходимых качеств профессионально компетентного специалиста. Кроме того, практические задания формируют и профессиональные качества – стремление работать самостоятельно, уметь применить теоретические знания, ответственность и обязательность.

 

Практическая работа № 1

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ

РАСЧЕТ ГЛАВНОГО ПРИВОДА КЛЕТЕЙ ШПС 2000

 

Цель работы: Изучение конструкции главного привода четырехвалковых

клетей ШПС 2000, определить мощность двигателя привода и

провести кинематический расчет привода. Исходные данные

приведены в таблице 1.1.

 

Теоретическая часть

 

Кинематические схемы главного привода клетей ШПС 2000 по конструкции аналогичны (рис. 1.1).

Рис.1.1. Кинематическая схема главной линии клети ШПС 2000: 1 – электродвигатель; 2 – моторная муфта; 3 – редуктор; 4 – коренная муфта; 5 – шестеренная клеть; 6 – универсальные шпиндели; 7 – рабочие валки; 8 – опорные валки.

 

Горизонтальные рабочие валки диаметром D_р предназначены для прокатки полосы максимальной шириной b и начальной толщиной h₀ до толщины h₁ с максимальной скоростью прокатки v. В состав привода главной линии клетей (рис.1.1) входят редуктор с передаточным числом u =2,95 и шестеренная клеть, служащая для разделения крутящего момента передаваемого от одного двигателя на два рабочих валка. Хвостовики рабочих валков соединены с шестеренной клетью при помощи универсальных шпинделей.

Момент прокатки M_{пр .}, прикладываемый к валкам со стороны их привода и необходимый для деформации (обжатия) металла (без учета потерь на трение в подшипниках валков) можно определить двумя способами: 1) по давлению металла на валки F, зная плечо a приложения равнодействующей этого давления; 2) по расходу энергии при прокатке.

Рассмотрим первый способ для простого процесса прокатки и прокатки с натяжением полосы (при условии, что Т₀=Т₁) полное усилие прокатки (равнодействующая давления металла на валки) F направлена вертикально (см. рис. 1.2) и момент прокатки равен

 

, (1.1)

где – коэффициент плеча приложения равнодействующей; – длина захвата металла валком или длина контакта.

Рис.1.2. Направление усилий на валки при простом процессе прокатке

 

Длина захвата металла валком или длина контакта равна

 

 

где R – радиус рабочего валка; Δh – абсолютное обжатие (Δh = h₀ – h₁).

На основании экспериментальных данных можно принять для простого процесса прокатки, что полное усилие F прокатки приложена от оси валков на расстоянии, определяемом из следующих соотношений при горячей прокатке

 

; .

Полное усилие прокатки действующие на валки со стороны прокатываемого металла

. (1.2)

 

При горячей прокатки обязательно наличие зоны прилипания на дуге захвата α. При выполнении расчета наличие зоны необходимо проверить. Если условие выполняется, то это говорит о наличие зоны прилипания. Где – средняя толщина прокатываемой полосы. Протяженность зоны прилипания

. (1.3)

 

Длины участков скольжения на дуге захвата

 

; .

 

Среднее давление металла на валки находят двумя способами: либо используя диаграммы (см. рис. 1.3), либо по формуле А. А. Королева

 

(1.4)

 

где μ – коэффициент контактного трения при горячей прокатки (μ = 0,5…0,3); k – термомеханический коэффициент (k = 1,15σ_д); σ_д – сопротивление деформации от обжатия за один проход ε (ε = ) при различных скоростях деформации , и температурах t ⁰С.

Полный статический момент

 

М_ст = М_пр+ М_тр,(1.5)

 

где М_тр – момент от сил трения возникающих в подшипниках валков;

 

, (1,6)

 

где f – коэффициент трения в опорах валков (0,003 – для подшипников жидкостного трения; 0,04 – для подшипников качения), d_ц – диаметр цапфы валков.

Требуемая мощность электродвигателя

 

, (1.7)

 

где - угловая скорость вращения валка , η = η₁η₂…η_h – коэффициент полезного действия привода (0,92…0,95 – для шестеренной клети, 0,95…0,98 – для редуктора, 0,99 – для шпинделей с муфтами).

Используя формулы, известные из курса «Технической механики» проводится кинематический расчет, в котором определяют крутящие моменты на всех валах привода, а также скорости вращения этих валов. Подбирают необходимую частоту вращения вала электродвигателя, чтобы обеспечить заданную скорость прокатки. Передаточное число редуктора 3 (рис. 1.1) принять u =2,95.

Рис.1.3. Диаграммы зависимостей различных параметров: а)кривые зависимости отношения от параметра при различных коэффициентов контактного трения μ;

б)зависимость сопротивления деформации σ_д низкоуглеродистой стали (0,17% С) от обжатия за проход ε при различных скоростях деформации v_д и температуре 1000⁰С; в) то же самое при температуре 1100⁰С; г) то же самое при температуре 1200⁰С;

Отчет о работе должен содержать: тему и цель работы, исходные данные для расчетов, расчетные схемы и расчетную часть со всеми пояснениями; в конце работы необходимо сделать вывод, в котором необходимо указать выбранный двигатель с его характеристиками. Для подготовки к защите ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1) Объясните конструкцию и принцип работы привода валков рабочей клети

ШПС 2000.

2) Назовите оборудование, входящее в состав главной линии клети ШПС 2000

2) Объясните назначение шестеренной клети.

3) Покажите все усилия и другие параметры, возникающие при прокатке.

4) Объясните конструкцию и назначение универсальных шпинделей.

5) Назовите типы муфт, применяемых в приводе валков.

 

Таблица 1.1. Исходные данные для выполнения работы

 

№ вар.	Dр	h0	h1	v	b	dц	t	№ вар.	Dр	h0	h1	v	b	dц	t
мм	мм	мм	м/с	мм	мм	^0С	мм	мм	мм	м/с	мм	мм	^0С
				1,5								3,8
				2,0								3,2
				2,5								1,5
				3,2								2,0
				1,5								2,5
				2,0								3,2
		8,4	7,0	5,8								1,5
		9,0	6,4	4,0								2,0
			7,2	4,4						8,6	7,2	6,5
				4,8						4,7	3,5	7,0
			8,2	5,0						5,7	4,5	7,5
				5,5						5,5	4,5	8,0
		8,2	6,8	6,0						3,5	3,0	9,0
				3,2						4,5	4,0	10,0
				3,6						3,4	3,0	14,0

 

Практическая работа № 2

 

РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЁСТКОСТЬ
ВАЛКОВ ЧЕТЫРЕХВАЛКОВЫХ КЛЕТЕЙ

 

Цель работы: Изучение конструкции и назначения четырехвалковых клетей

полосовых станов горячей и холодной прокатки, провести расчёт

на прочность и жёсткость рабочих и опорных валков. Исходные

данные приведены в таблице 2.1.

 

Теоретическая часть

 

В четырёхвалковой клети установлено два рабочих (меньшего диаметра) и два опорных (большего диаметра) валка. При прокатке давление металла с рабочих валков передаётся на опорные и воспринимается их подшипниками. Благодаря большой жесткости опорных валков (диаметр которых в 2…3 раза больше, чем у рабочих) прогиб их (и опирающихся на них рабочих валков) будет незначительным и профиль прокатываемой полосы будет иметь прямоугольное сечение (с весьма небольшой разнотолщинностью по ширине полосы).

При прокатке полосы (листа) будут изгибаться как опорные, так и рабочие валки (рис. 2.1).

Если рабочий и опорные валки имеют строго цилиндрическую форму, то они оба изгибаются на одинаковую величину, т.е. стрела прогиба рабочего валка будет равна стреле прогиба опорного валка.

Распределение усилия между рабочими и опорными валками

; (2.1)

где - максимальное усилие прокатки; - минимальный (переточенный) диаметр опорного валка; - минимальный (переточенный) диаметр рабочего валка.

Таким образом, рабочие валки воспринимают от общего давления на валки при прокатке.

Максимальный изгибающий момент посередине бочки от вертикального усилия (условно принимаем валок лежащим на двух опорах)

; (2.2)

где - ширина полосы; - расстояние между опорами рабочего валка (); - длина бочки валка.

Максимальный изгибающий момент от разности горизонтальных натяжений полосы (для одного валка)

; (2.3)

где - разность переднего и заднего натяжения полосы.

Результирующий изгибающий момент посередине бочки рабочего валка

 

. (2.4)

 

Максимальное напряжение изгиба посередине бочки рабочего валка

 

. (2.5)

Напряжения кручения на шейке ведущего (рабочего) валка

; (2.6)

где - максимальный крутящий момент на одном валке; -

- коэффициент концентрации нап-ряжений для шпоночного паза ().

Результирующее напряжение: для стальных валков – по четвёр-

той теории прочности

; (2.7)

Рис.2.1. Распределение усилий в валках

четырёхвалковой системы для чугунных валков – на основа-

нии теории Мора

 

. (2.8)

 

Результирующие напряжение, определенное таким расчётом, не должно превышать допустимого для данных валков. Допустимые напряжения в валках принимают, исходя из пятикратного запаса прочности их, т.е. , где - предел прочности материала валка на изгиб.

Максимальный изгибающий момент и напряжение посередине бочки опорного валка

; ; (2.9)

где - расстояние между опорами опорного валка ().

Напряжение изгиба в сечении I-I

; (2.10)

где - диаметр шейки опорного валка (); - половина длины шейки опорного валка под подшипником ().

Напряжение изгиба в сечении II - II

; (2.11)

где - половина длины шейки опорного валка (). Если валок бандожированный, то его диаметр следует уменьшить на толщину бандажа, т.е. в 1,25…1,45 раза (в практической работе валок следует принять бандожированным).

Коэффициент запаса прочности от предела прочности материала валка на изгиб

. (2.12)

 

Если в результате расчетов запас прочности превышает в пять и более раз, то расчет валков на выносливость не проводится, в противном случае необходимо рассчитать.

Контактное напряжение в поверхностном слое валков проверяем по наименьшим допустимым контактным напряжениям из двух валков

 

; (2.13)

 

где - межвалковое давление (); - приведённый модуль упругости материалов валков,

;

- модуль упругости материала рабочего валка, - модуль упругости материала опорного валка, ( - для стальных валков, - для чугунных валков); - приведённый радиус цилиндров (валков),

;

и - собственно радиусы рабочего и опорного валков; - допустимые контактные напряжения ().

Прогиб опорного валка согласно формулам А.И.Целикова

,

, (2.14)

 

;

где - момент инерции сечения бочки опорного валка (); - момент инерции сечения шейки валка (); - модуль сдвига материала опорного валка (); - допустимый прогиб ( - при холодной прокатке, - при горячей прокатке).

Для компенсации влияния прогиба валков на толщину полосы один из рабочих валков необходимо сделать выпуклым на величину, равную разности прогибов в середине бочки и у края

 

. (2.15)

 

Упругое сплющивание в месте контакта опорного и рабочего валков

 

. (2.16)

 

Суммарное упругое радиальное контактное сплющивание в месте контакта опорного и рабочего валков

.

 

Отчет о работе должен содержать: тему и цель работы, исходные данные для расчетов, расчетную схему и расчетную часть со всеми пояснениями; в конце работы необходимо сделать вывод, в котором необходимо указать выполнение или невыполнение условий прочности и жёсткости. Расчетная схема выполняется в масштабе по полученным данным и на ней проставляются все полученные результаты расчетов. Все прочностные расчеты и расчеты на жесткость ведутся по минимальным (переточенным) диаметрам валков. Для подготовки к защите ответьте на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1) Объясните конструкцию и принцип работы четырехвалковой клети.

2) Покажите все силы, возникающие в процессе прокатки на четырехвалковой клети.

3) Объясните причины возникновения поперечной разнотолщинности и методы её устранения.

4) Объясните причины возникновения контактных напряжений, на прочность какого элемента валка они влияют и методы повышения контактной прочности валков.

5) С какой целью проводят расчет на жесткость валковой системы и на что влияют прогибы валков при работе клети.

 

Таблица 2.1. Исходные данные для выполнения работы

№ варианта

Рабочий валок

Опорный валок

L

b

F

T

Мкр

вид прокатки^*

max

min

материал

σпред

max

min

материал

σпред

DР

DР

DОП

DОП

мм

мм

---

МПа

мм

мм

---

МПа

мм

мм

МН

кН

кН*м

--

50ХН

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

9ХФ

50ХН

Х

чугун

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

чугун

50ХН

Х

50ХН

50ХН

Х

чугун

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

чугун

50ХН

Х

50ХН

50ХН

Х

чугун

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

чугун

50ХН

Х

9ХФ

50ХН

Х

50ХН

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

9ХФ

50ХН

Х

50ХН

50ХН

Х

чугун

9ХФ

Г

9ХФ

9ХФ

Х

50ХН

9ХФ

Х

чугун

50ХН

Х

50ХН

50ХН

Х

чугун

9ХФ

Г

^* Г – горячая прокатка, Х – холодная прокатка

При использовании данного метода в курсовом и дипломном проекте геометрические параметры необходимо взять реальные с чертежей валков.

Практическая работа №3

 

НА ДВАДЦАТИВАЛКОВУЮ СИСТЕМУ

 

Цель работы: Изучение конструкции и назначения двадцативалкового стана, графически определить усилия, действующие на валковую систему при максимальном усилие на рабочие валки при холодной прокатке полосы. Исходные данные приведены в таблице 3.2.

 

Теоретическая часть

 

Для графического определения усилий между валками на миллиметровой бумаге в масштабе вычерчиваем верхнюю часть валковой системы (нижняя часть ей симметрична) и в определенном масштабе из центра рабочего валка откладываем вектор, соответствующий максимальному общему давлению металла на валки при прокатке F (рис. 3.1). При этом полагаем, что: а) переднее и заднее натяжения полосы равны между собой, поэтому равнодействующие F направлены вертикально; б) контактные силы трения между валками и силы трения в подшипниках опорных роликов незначительны и их влияние на направление усилий между валками не учитываем, т.е. считаем, что эти усилия через точки контакта направлены в центры соответствующих валков и опорных роликов.

 

 

Рис.3.1. Графическое определений усилий на валки и опорные ролики (без учета сил контактного трения) при прокатке на двадцативалковом стане

Полученные вектора сил раскладываем по правилу сложения и разложения векторов сил, изученном в разделе статика, дисциплины «Теоретическая механика».

Вторым этапом в работе необходимо изобразить схему двадцативалкового стана, на которой указать расположение моталок, листоправильной машины, двадцативалковой клети, транспортера и др.

 

Отчет о работе должен содержать: тему и цель работы, исходные данные для расчетов, расчетную схему и расчетную часть со всеми пояснениями; в конце работы необходимо сделать вывод о проделанной работе с указание максимальных усилий, действующих на валки и опорные ролики. Расчетная схема выполняется в масштабе по исходным данным. Схема двадцативалкового стана выполняется самостоятельно соблюдая пропорции (без масштаба). Все агрегаты входящие в состав стана необходимо подписать. Для подготовки к защите ответьте на контрольные вопросы. Для удобства обработки результатов составьте и заполните таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 Усилия, действующие на валки и опорные ролики

F	F2=F3	F5	F4=F6	F8=F9	F10=F7
МН	МН	МН	МН	МН	МН

 

Контрольные вопросы

1) Объясните конструкцию и принцип работы двадцативалкового стана.

2) Объясните наличие такого количества опорных валков и роликов.

3) Объясните, почему для прокатки тончайшей полосы требуется относительно малый диаметр рабочих валков.

4) Какие валки обычно выполняют приводными в двадцативалковых станах и почему.

 

Таблица 3.2. Исходные данные для выполнения работы

 

вариант

МН

 

вариант

МН

 

При использовании данного метода в курсовом и дипломном проекте необходимо взять реальные размеры с чертежа двадцативалковой клети.

 

 

Практическая работа № 4

 

Теоретическая часть

 

Основными деталями подшипника являются (рис. 4.1, а): сменная втулка-цапфа 5 и втулка-вкладыш 1. Втулка-цапфа 5 насажена (на шпонке) на коническую шейку валка и вращается вместе с ним. Наружный диаметр цапфы определяет номинальный диаметр подшипника. Для передачи осевых усилий от валка 3 на корпус подушки (закрепленной в станине 4) на втулке-цапфе 5 предусмотрен кольцевой бурт, опирающийся с одной стороны на кольцо 9 (из двух полуколец), с другой – на кольцо-крышку 8. Для предохранения от осевого смещения втулка-цапфа закреплена на цапфе резьбовым кольцом 6 с полукольцами 7. Чтобы обеспечить полную герметичность рабочих поверхностей

 

Рис.4.1. Конструктивные элементы подшипника жидкостного трения и вязкость масел, применяемых для смазки ПЖТ: а — принципиальная схема конструкции подшипника; б — смещение центра расточки втулки-вкладыша; в — зависимость абсолютной (динамической) вязкости масел от температуры (марки масел: турбинное УТ, авиационное МЗС, МС-20, МК-22, машинное 1 и прокатное П-28 брайтсток).

и исключить проникновение пыли и влаги, предусмотрены тщательные уплотнения в торцевых крышках 8 и 10. Для улучшения условий подачи и «затягивания» масла в масляный клин во втулке-вкладыше предусмотрены масляные карманы 2 с обеих сторон (для возможности реверсивного вращения цапфы).

Среднее давление в подшипнике (по проекции его диаметра рис. 4.2)

 

. (4.1)

 

Для подшипника скольжения с заливкой из высокооловяннистого баббита Б83 допустимо

Для заданной внешней нагрузки на подшипник и среднего давления коэффициент грузоподъемности масляного клина по формуле:

 

; (4.2)

 

где – условный коэффициент грузоподъемности ПЖТ, ; - вязкость масла при рабочей температуре 50 С (см. рис. 4.1, в); - окружная скорость вращения цапфы (); - диаметр цапфы; - угловая скорость вращения валков (); - скорость прокатки; – диаметр валков стана; - длинна цапфы подшипника.

Рис.4.2. Гидродинамическое жидкостное трение в подшипнике с вращающейся цапфой (I - положение покоя; II - положение цапфы при ее вращении).

 

Чтобы работа подшипника была более устойчивой (без вибрации цапфы), принимают относительный эксцентриситет ; при котором и по формуле (4.2) находят и или по кривой на рис. 4.3.

При изготовлении подшипника допустимы предельные допуски по диаметру: втулки – вкладыша: +24мкм и втулки – цапфы: -18мкм. Возможный радиальный максимальный зазор