Рабочая клеть как механизм прокатного производства. Понятие и структура, механизм и основные этапы проектирования валкового комплекта, подушек, винтовой пары. Критерии определения, расчет на прочность и деформацию станин, а также модуля жесткости клети.
Аннотация к работе
Подшипники должны обеспечивать заданную долговечность (не менее 10 тыс. час.) и грузоподъемность, высокую точность установки валков и жесткость всей опоры (при минимальной массе) для получения необходимой точности проката, легкость проведения монтажных операций при частых перевалках и простоту в эксплуатации; При определении размеров станины исходят из требуемой прочности и жесткости, но одновременно учитывают, что увеличение сечения стоек и поперечин сверх необходимого неоправданно, так как ведет к увеличению массы станины и ее стоимости, одновременно не дает существенного повышения жесткости клети, поскольку деформация станины не превышает 15% «пружины» клети; Требования, предъявляемые к конструкции винтовой пары: большая износостойкость, несамоотвинчивание под нагрузкой для фиксации заданного раствора валков, минимальный коэффициент трения в резьбе, способность выдерживать полное усилие прокатки длительное время в условиях циклического нагружения и вибрации; Для рабочих валков выбраны конические роликоподшипники четырехрядные FAG 802314М.Н122АА со следующими параметрами [1]: Радиальная нагрузка на подшипник: Осевая нагрузка на подшипник: - для клетей «кварто». Напряжение изгиба в сечении I-I: Коэффициент запаса прочности в сечении I-I: где - предел прочности материала опорных валков (, принимаем ).Подшипники, выбранные в данном курсовом проекте, были рассчитаны на долговечность, которая у подшипника опорного валка оказалась меньше допустимой. Однако вследствие отсутствия в РТМ подшипника большей грузоподъемности будем считать рассчитанную долговечность приемлемой. Найденные коэффициенты запаса прочности в сечениях I-I, II-II и III-III являются достаточными и соответствуют необходимым условиям.
Введение
Целью данного курсового проекта является разработка конструкции чистовой клети стана 3000. Конструкция клети должна удовлетворять всем необходимым требованиям, предъявляемым к современным прокатным станам.
Рабочая клеть - это основной механизм прокатного производства, так как именно в ней происходит пластическая деформация металла. От конструкции рабочей клети зависит: производительность стана, качество проката, расход энергетических и материальных ресурсов.
Несмотря на большое разнообразие конструкций рабочих клетей, все они состоят из одинаковых механизмов и узлов: 1. валкового комплекта (рабочие и опорные валки, подшипники, устройства осевой регулировки и фиксации). Подшипники должны обеспечивать заданную долговечность (не менее 10 тыс. час.) и грузоподъемность, высокую точность установки валков и жесткость всей опоры (при минимальной массе) для получения необходимой точности проката, легкость проведения монтажных операций при частых перевалках и простоту в эксплуатации;
2. узла клети, состоящего из левой и правой станины и соединяющих их траверс и шпилек. Станины воспринимают все усилия, возникающие при прокатке и обеспечивают требуемое взаимное положение всех узлов и деталей клети. При определении размеров станины исходят из требуемой прочности и жесткости, но одновременно учитывают, что увеличение сечения стоек и поперечин сверх необходимого неоправданно, так как ведет к увеличению массы станины и ее стоимости, одновременно не дает существенного повышения жесткости клети, поскольку деформация станины не превышает 15% «пружины» клети;
3. нажимного механизма и уравновешивающего устройства, обеспечивающих фиксацию требуемого расстояния между валками (раствор валков) во время прокатки и его и изменение в паузах между проходами. Требования, предъявляемые к конструкции винтовой пары: большая износостойкость, несамоотвинчивание под нагрузкой для фиксации заданного раствора валков, минимальный коэффициент трения в резьбе, способность выдерживать полное усилие прокатки длительное время в условиях циклического нагружения и вибрации;
4. привалковой арматуры (линеек, проводок, проводковых брусьев, ножей), служащей для придания раскату требуемого положения на входе и выходе из валков;
5. двух плитовин - массивных линеек, установленных на фундаменте при помощи анкерных болтов. На них устанавливаются рабочие клети.
1. Проектирование валкового комплекта
1.1 Выбираем подшипники для опорных валков где - диаметр бочки;
- толщина перемычки подушки;
- половина толщины зазора между подушками при забое.
Принимаем
Определяем долговечность подшипников.
Для опорных валков выбраны четырехрядные роликоподшипники с цилиндрическими роликами FAG 517369А со следующими параметрами [1]:
где - динамическая грузоподъемность;
- эквивалентная нагрузка;
= 3,33 - для роликовых подшипников.
так как , то
Долговечность в часах:
где - скорость работы подшипника.
Данная долговечность подшипников не является достаточной для выполнения заданных условий (не менее 10 тыс. час.) Но так как в каталоге отсутствуют подшипники больших размеров и грузоподъемности, будем считать найденную долговечность приемлемой.
1.2 Выбираем подшипники для рабочих валков
Принимаем
Определяем долговечность подшипников.
Для рабочих валков выбраны конические роликоподшипники четырехрядные FAG 802314М.Н122АА со следующими параметрами [1]:
Радиальная нагрузка на подшипник:
Осевая нагрузка на подшипник: - для клетей «кварто».
Эквивалентная нагрузка:
Долговечность в часах: Считаем найденную долговечность приемлемой.
1.3 Расчет валкового комплекта на статическую прочность
Рисунок 1.
Находим изгибающий момент в центре бочки (сечении I-I):
где - расстояние между осями нажимных винтов;
- длина бочки.
Напряжение изгиба в сечении I-I: Коэффициент запаса прочности в сечении I-I:
где - предел прочности материала опорных валков ( , принимаем ).
Запас прочности в сечении I-I достаточен.
Изгибающий момент в сечении II-II:
Напряжение изгиба в сечении II-II:
Коэффициент запаса прочности в сечении II-II:
Запас прочности в сечении II-II достаточен.
Напряжение кручения в сечении II-II:
где - предел прочности материала рабочих валков.
Запас прочности в сечении II-II достаточен.
Напряжение изгиба и кручения в сечении III-III:
Коэффициенты запаса прочности в сечении III-III:
Запас прочности в сечении III-III достаточен.
1.4 Расчет валков с гладкой бочкой на усталостную выносливость
Расчет сводится к определению коэффициента запаса выносливости и сравнению его с допустимым [n] = 1,3 - 2,5.
Коэффициент запаса в сечении I-I, где материал всегда работает по симметричному циклу [2]:
где - коэффициент качества обработки поверхности валков;
- масштабный фактор при изгибе;
- предел выносливости при изгибе, .
- для опорных валков. Принимаем, исходя из графика [2, с. 125], тонкое обтачивание.
Так как для диаметров более 500 мм. [2, с. 214], то принимаем .
Коэффициенты запаса в сечении II-II. При реверсивном режиме работы, когда напряжения изгиба и кручения изменяются по симметричному циклу: ; , где - эффективные коэффициенты концентрации напряжений в месте перехода бочки в шейку;
- масштабный фактор при кручении;
- предел выносливости при кручении, .
[2, с. 214].
- для рабочих валков (тонкое шлифование). Принимаем, исходя из графика [2, с. 215].
Найденные коэффициенты запаса выносливости находятся в пределах допустимых.
1.5 Расчет валковой системы «кварто» на деформацию
Рисунок 2 - Схема деформации валковой системы
Деформация валковой системы определяет точность получаемого проката.
Деформация валков «кварто» имеет такие составляющие: - стрела прогиба опорного валка относительно опор:
где - модуль жесткости;
- модуль сдвига.
- стрела прогиба по краю бочки:
где - площадь поперечного сечения опорного валка.
- разность прогибов в середине и у края полосы: , - разность сближения осей рабочего и опорного валков по Тсу-Таолу:
где - погонное усилие прокатки;
- расстояние от края бочки до сечения, в котором определяется разность сближения осей;
? - коэффициент Пуассона. Для стали при 20 °С ? = 0,24 - 0,32. При температуре эксплуатации валков (50 - 60 °С) он несколько увеличивается.
Упругая деформация валкового комплекта составит:
2. Проектирование подушек
Рисунок 3 - Схема подушек рабочего и опорного валков
Определим высоту сжимаемой части подушки (толщина верхней перемычки):
где - диаметр опорного валка;
- диаметр шейки опорного валка.
Толщину нижней перемычки подушки определяем по формуле: Ширину подушки принимаем на 40 мм больше диаметра опорного валка: Определяем длину подушки:
3. Проектирование винтовой пары
Рисунок 4 - Расчетная схема для определения размеров нажимного винта и гайки
Диаметр нажимного винта определяем в зависимости от усилия, действующего на него при прокатке [3]:
где
- внутренний диаметр резьбы;
- максимальное усилие, действующее на винты при прокатке;
- допустимое напряжение на сжатие винта.
Тихоходный нажимной механизм имеет трапецеидальную резьбу ( ), что обеспечивает необходимую точность установки валков.
Наружный диаметр резьбы:
где - коэффициент для трапецеидальной резьбы
Наружный диаметр гайки определяем в соответствии с допустимым давлением на опорную поверхность гайки:
где - диаметр отверстия в станине (для винта - );
Высота гайки равна: ; , принимаем
. Принимаем
4. Проектирование и расчет на прочность и деформацию станин
4.1 Определение моментов инерции и моментов сопротивления изгибу в сечении
Принимаем по рисунку 4:
Момент инерции верхней поперечины:
где
- статический момент сечения поперечины относительной произвольной оси l - l.
Момент сопротивления изгибу в сечении I-I: а) для внутренних волокон:
б) для наружных волокон:
Момент инерции нижней поперечины, если в ней нет никаких расточек:
Момент сопротивления изгибу для наружных волокон:
Момент инерции стойки прямоугольного сечения:
где - соответственно ширина и толщина стойки. Принимаем
Момент сопротивления изгибу для наружных и внутренних волокон стоек (для прямоугольного сечения):
4.2 Определение расчетного контура станины
Рисунок 5 - Расчетная схема для определения расчетного контура станины
Расчетный контур - это замкнутая линия, проходящая через нейтральные точки поперечного сечения стоек и поперечин станины.
Так как размеры проемов станины известны, то для получения и расчетного контура нужно и добавить расстояния от внутренних плоскостей проема до нейтральных линий:
где - расстояние до нейтрального слоя сечения стоек;
- расстояние до нейтрального слоя сечения поперечин. принимаем равным 7000 мм.
Для симметричных сечений типа прямоугольника:
4.3 Расчет изгибающих моментов в опасных сечениях
Изгибающий момент в сечении I-I по рисунку 5 при разных моментах инерции верхней и нижней поперечины и одинаковых моментах инерции стоек:
где - моменты инерции верхней и нижней поперечины;
- момент инерции стоек.
Изгибающий момент в поперечных сечениях стоек при разных моментах инерции поперечин:
4.4 Напряжения в опасных сечениях станины
Напряжения изгиба в середине верхней поперечины: а) на внутренних волокнах:
б) на наружных волокнах:
Напряжение изгиба и растяжения в стойках: а) на внутренних волокнах:
б) на наружных волокнах:
В результате расчета получены малые значения напряжений в опасных сечениях. Следовательно, имеем достаточный запас прочности.
5. Расчет модуля жесткости клети
Модуль жесткости характеризует упругую деформацию рабочей клети и является константой.
Модуль жесткости показывает, на сколько нужно увеличивать усилие прокатки, чтобы увеличилась на 1 мм.
Очевидно, что упругая деформация («пружина») клети будет максимальной в центре бочки. В этом сечении и определяется .
«Пружина» клети имеет такие составляющие:
где - упругая деформация валкового комплекта;
- деформация подшипников;
- деформация подушек;
- деформация подпятника;
- деформация нажимного винта;
- деформация нажимной гайки;
- вертикальная деформация станин.
Для «кварто»
Поскольку в РТМ отсутствуют данные, необходимые для расчета деформации подшипников и заранее известно, что она мала, то допустим, что .
Деформация подушек определяется по II закону Гука:
где - диаметр и ширина подшипника;
- высота сжимаемой части подушки (толщина верхней перемычки).
Так как подушек 2, то величину необходимо удвоить, то есть .
Деформация подпятника:
Деформация нажимного винта:
где - внутренний диаметр резьбы нажимного винта;
- высота сжимаемой части винта, равна длине свободной части винта и 4-ех витков резьбы.
где - число заходов резьбы;
- шаг одного захода.
Деформация нажимной гайки:
где - соответственно наружный диаметр гайки и внутренний диаметр гайки (равен наружному диаметру резьбы винта).
Для бронзы .
Деформация станин:
где - вертикальная деформация двух поперечин от действия изгибающих моментов;
- вертикальная деформация двух поперечин от действия перерезывающих сил;
- деформация удлинения стоек.
В общем случае, когда моменты верхней и нижней поперечины различны: а) для верхней поперечины:
где - момент инерции и изгибающий момент верхней поперечины;
- ширина расчетного контура.
где - коэффициент формы сечения (для прямоугольного сечения );
- модуль сдвига;
- площадь поперечного сечения верхней поперечины. б) для нижней поперечины:
где - момент инерции и изгибающий момент нижней поперечины
Деформация удлинения стоек:
Общая деформация станин равна:
- для станов горячей прокатки
Модуль жесткости клети: .
Считается, что для рабочих клетей листовых станов оптимальная величина . Найденный модуль жесткости будем считать достаточным.
Вывод
валковый прочность станина винтовой
1. Подшипники, выбранные в данном курсовом проекте, были рассчитаны на долговечность, которая у подшипника опорного валка оказалась меньше допустимой. Однако вследствие отсутствия в РТМ подшипника большей грузоподъемности будем считать рассчитанную долговечность приемлемой. Найденная долговечность подшипника рабочего валка достаточна.
2. Найденные коэффициенты запаса прочности в сечениях I-I, II-II и III-III являются достаточными и соответствуют необходимым условиям.
3. Коэффициенты запаса выносливости в опасных сечениях находятся в допустимых пределах - .
4. Найденные в результате расчета напряжения в опасных сечениях станины меньше допустимых .
5. Модуль жесткости клети характеризует ее упругую деформацию и является ее константой. Найденный модуль жесткости клети соответствует требованиям, предъявляемым к клетям листовых станов.