Підвищення безвідмовності універсальних шпинделів на підставі дискретно-континуальної моделі головної лінії робочих клітей прокатних станів - Автореферат

Для забезпечення і підвищення безвідмовності прокатного устаткування доцільно проводити дослідження, спрямовані на вдосконалення існуючих і розробку нових конструкцій машин і механізмів, що проектуються з урахуванням динамічних навантажень, які виникають в умовах нестаціонарних режимів прокатки. Так, математичні моделі, що використовуються в даний час для описання динамічних навантажень в головній лінії прокатного стана, не враховують масово-інерційні характеристики шпинделя, порівняні з характеристиками прокатного валка, а це не дозволяє на етапі проектування встановити реальні навантаження, що діють на шпиндель. На підставі вищевикладеного є актуальним усунення ексцентриситету, що виникає в головній лінії, а також розробка нової математичної моделі, що дозволяє на етапі проектування визначити реально діючі навантаження в елементах шпинделя для умов нестаціонарних режимів прокатки. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі: розробити дискретно-континуальну модель головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом на основі розрахункової схеми з дискретними і розподіленими масами, яка описує навантаження, що діють на елементи головної лінії в умовах нестаціонарних режимів прокатки; Вперше отримана залежність, що описує крутильні коливання, які виникають в головній лінії прокатного стана в момент захвата металу валками на основі дискретно-континуального представлення головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом.В розділі 1 “КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ І МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ УНІВЕРСАЛЬНИХ ШПИНДЕЛІВ РОБОЧИХ КЛІТЕЙ ПРОКАТНИХ СТАНІВ” міститься огляд робіт, присвячених конструктивним особливостям, видам відмов, методам розрахунку шарнірів універсальних шпинделів, а також дослідженню нестаціонарних режимів роботи головної лінії прокатного стана. Аналіз існуючих конструкцій універсальних шпинделів показав, що при всій різноманітності конструктивних рішень шарніра основний недолік універсального шарніра - істотний вплив зазорів, що виникають через знос вкладишів, на роботу зєднання шпинделя - не усунений. В розділі 2 “РОЗРОБКА ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОЇ МОДЕЛІ І АНАЛІЗ ЧАСТОТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГОЛОВНОЇ ЛІНІЇ” розроблена і обґрунтована динамічна розрахункова схема однієї трансмісії головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом, отримано частотне рівняння і виконано визначення спектра власних частот головної лінії робочої кліті прокатних станів. Проведене порівняння отриманого спектра частот головної лінії при її дискретно-континуальному представленні з дискретними дво-і тримасовими моделями дозволило встановити, що дискретні моделі дають завищені значення частот, а це у свою чергу призводить до похибки при визначенні внутрішніх силових факторів, що діють в головній лінії. Таким чином, розроблена в роботі дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана включає залежності, що описують її частотні властивості, власні і вимушені крутильні коливання, і дозволяє отримати значення сумарних кутів закручування (і ) шпинделя і крутних моментів внутрішніх зусиль (і ), що виникають на валу шпинделяВ роботі проведено моделювання нестаціонарних процесів в головній лінії прокатного стана на підставі розробленої дискретно-континуальної моделі, встановлено характер розподілу зусиль на елементи шарніра, проведена оцінка безвідмовності універсального шпинделя по критерію міцності і призначені шляхи по її підвищенню. На підставі проведених аналітичних досліджень головної лінії робочих клітей прокатних станів з індивідуальним приводом, представленої схемою з дискретними і розподіленими масами, розроблена дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом, що дозволила дати оцінку частотним властивостям головної лінії і визначити внутрішні силові фактори, що виникають в головній лінії прокатного стана в умовах нестаціонарних режимів прокатки. Встановлено, що перші частоти, отримані на підставі дискретно-континуальної моделі близькі до експериментальних значень і на 9% нижчі в порівнянні з частотами, отриманими на підставі дискретних моделей. Встановлено, що найбільший крутний момент виникає на шарнірі з боку робочої кліті і його значення для часу захвату металу валками досягає 1,37 МН·м, чому відповідає динамічний коефіцієнт . Результати аналізу напружено-деформованого стану вкладишів, на підставі найбільшого крутного моменту внутрішніх зусиль, що діє на шарнірі з боку робочої кліті, визначеного за допомогою дискретно-континуальної моделі головної лінії кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)” і поліноміального закону розподілу контактного тиску, показали, що найбільші еквівалентні напруження виникають у периферії вкладишів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В роботі проведено моделювання нестаціонарних процесів в головній лінії прокатного стана на підставі розробленої дискретно-континуальної моделі, встановлено характер розподілу зусиль на елементи шарніра, проведена оцінка безвідмовності універсального шпинделя по критерію міцності і призначені шляхи по її підвищенню.

1. На підставі проведених аналітичних досліджень головної лінії робочих клітей прокатних станів з індивідуальним приводом, представленої схемою з дискретними і розподіленими масами, розроблена дискретно-континуальна модель головної лінії прокатного стана з індивідуальним приводом, що дозволила дати оцінку частотним властивостям головної лінії і визначити внутрішні силові фактори, що виникають в головній лінії прокатного стана в умовах нестаціонарних режимів прокатки.

2. На підставі розробленої дискретно-континуальної моделі визначені власні частоти головної лінії кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)”. Встановлено, що перші частоти, отримані на підставі дискретно-континуальної моделі близькі до експериментальних значень і на 9% нижчі в порівнянні з частотами, отриманими на підставі дискретних моделей.

3. Використовуючи дискретно-континуальну модель, визначено крутний момент внутрішніх зусиль, що виникає в головній лінії кліті 950. Встановлено, що найбільший крутний момент виникає на шарнірі з боку робочої кліті і його значення для часу захвату металу валками досягає 1,37 МН·м, чому відповідає динамічний коефіцієнт .

4. Виконаний експериментальний аналіз характеру розподілу тиску на контактних поверхнях шарніра універсального шпинделя двох конструкцій: традиційної з сухарем і вдосконаленої з вузлом, що центрує. На підставі експериментально встановленого закону розподілу деформацій вкладиша методом скінченних елементів встановлено, що закон розподілу контактних напружень описується поліномом третього ступеня, коефіцієнти якого визначаються з умови рівноваги вкладиша.

5. Експериментально поляризаційно-оптичним методом досліджені поля напружень, що виникають у вкладиші. Проведено скінченно-елементне дослідження моделей вкладишів, навантаження на поверхні яких задано поліноміальним і лінійними законами. Встановлено, що якісний збіг результатів експерименту з результатами скінченно-елементного дослідження виявився тільки для вкладиша, навантаженого тиском, розподіленим за поліноміальним законом (наявність нульової лінії). Кількісне порівняння даних поляризаційно-оптичного експерименту з результатами скінченно-елементного моделювання показало, що якнайменша погрішність (близько 9%) виникає при поліноміальному характері опису контактного тиску.

6. Результати аналізу напружено-деформованого стану вкладишів, на підставі найбільшого крутного моменту внутрішніх зусиль, що діє на шарнірі з боку робочої кліті, визначеного за допомогою дискретно-континуальної моделі головної лінії кліті 950 стана 950/900 ЗАТ “ММЗ “Істіл (Україна)” і поліноміального закону розподілу контактного тиску, показали, що найбільші еквівалентні напруження виникають у периферії вкладишів. Для шарніра з вузлом, що центрує їх значення становить 198,35 МПА, що на 21,3% нижче, ніж для шарніра з сухарем (252,1 МПА). Використовування шарніра з вузлом, що центрує дозволяє підвищити безвідмовність вкладишів і шпинделя в цілому.

7. Наведені рекомендації до розрахунку і проектування вкладиша ковзання, спрямовані на зниження напружень в тілі вкладиша і дозволяючи підвищити його термін служби шляхом застосування обґрунтованого способу розміщення змащувальних канавок на його поверхні контакту з лопаттю. Встановлено, що вірогідність безвідмовної роботи конструкції шарніра шпинделя з вузлом що центрує вище, ніж в конструкції шарніра шпинделя з сухарем, і відповідає необхідному рівню безвідмовності прокатного устаткування 0,9-0,95. Показано, що напрямами підвищення безвідмовності є заміна матеріалу шпинделя і зміна його конструкції. Заміна матеріалу шпинделя для конструкції шпинделя з шарніром з сухарем дозволяє підвищити вірогідність безвідмовної роботи майже в 2-2,5 рази. Зміна конструкції шпинделя дозволяє підвищити вірогідність його безвідмовної роботи на 58%.

8. Розроблено алгоритм пошуку напрямів підвищення безвідмовності шпинделя, що базується на використанні дискретно-континуальної моделі опису навантажень головної лінії прокатної кліті; поліноміальної залежності, що описує розподіл тиску на поверхні контакту вкладиша і лопаті та моделі “несуча здатність - навантаження” для оцінки вірогідності безвідмовної роботи шпинделя. Алгоритм може виступати логічною основою автоматизованої системи проектування шпинделів і дозволяє на етапі проектування обґрунтовано приймати конструктивні рішення, відповідаючи необхідному рівню безвідмовності.

Основний зміст дисертації опубліковано в періодичних виданнях, затверджених ВАК України, а також в збірках робіт конференцій: 1. Руденко В.И., Нижник Н.В. Гармонический анализ главной линии прокатного стана с индивидуальным приводом // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. научн. тр. - Донецк: ДОНГТУ, 2002. - Вып. 23. - С. 116-122.

2. Руденко В.И., Нижник Н.В. Теоретическое исследование крутильных колебаний главной линии прокатного стана с индивидуальным приводом как системы с распределенными параметрами // Наукові праці Донецького національного технічного университету. Серія:”Металургія”.- Донецк: ДОНГТУ, 2002.- Вип.66.- С. 113-121.

3. Руденко В.И., Нижник Н.В. Исследование характера взаимодействия элементов шарнира универсального шпинделя скольжения // Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2003.- Вып. 7.- С. 40-44.

4. Руденко В.И., Нижник Н.В. Анализ нестационарных процессов главной линии прокатного стана как системы с распределенными параметрами // Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2005. - Вып. 5.- С. 19-23.

5. Руденко В.И., Нижник Н.В. Уточнение закона распределения давлений между контактными поверхностями универсального шпинделя // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. научн. тр. - Донецк: ДОННТУ, 2005.- Вып. 29. - С. 154-159.

6. Руденко В.И., Нижник Н.В. Распределение давлений между контактными поверхностями шарнира скольжения универсального шпинделя // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2005.-№2.-С. 89-91.

7. Нижник Н.В. Модальный анализ главной линии прокатного стана // Вибрация машин: измерение, снижение, защита: Материалы 2-й международной научно-технической конференции в г. Донецке, 25-26 мая 2004 г.- Донецк, 2004.- С.21-25.

8. Нижник Н.В. Моделирование нестационарных режимов работы главной линии прокатного стана // Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики: Материалы 12-й международной научно-технической конференции в г. Ялта, 20-24 сентября 2004 г.- Ялта, 2004.- С.21-25.

9. Руденко В.И., Нижник Н.В. Определение нагрузок в главной линии прокатного стана при нестационарных режимах работы // Теория и практика производства листового проката: Сб. научн. тр. - Липецк: ЛГТУ, 2005.- Ч. 2. - С.109-116.

Особистий внесок здобувача в публікаціях, надрукованих в співавторстві

[1] - розробка скінченно-елементної моделі модального аналізу і розрахунок власних частот коливань, [2] - розвязання хвильового рівняння, розрахунок внутрішніх силових факторів в тілі шпинделя при крутильних коливаннях, [3], [6] - отримана залежність розподілу тиску на підставі експериментальних і скінченно-елементних дослідженнь характеру взаємодії елементів шарніру, [4] - досліджені зміни закону розподілу тиску на контактних площинах шарніру шпинделя, [5], [9] - виконано моделювання динамічних навантажень, визначені внутрішні силові фактори.