Хостинг от HOST PROM - это надежное место для Ваших проектов !

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью данной дипломной работы является разработка конструкции составных опорных валков, обеспечивающей их надежность в процессе эксплуатации, повышение из стойкости и снижение стоимости.

Валки являются главным элементом прокатной клети, с помощью которого осуществляется обжатие прокатываемой полосы. Требования, предъявляемые к прокатным валкам, разнообразны и касаются не только их эксплуатации, но и процесса изготовления. Прокатный валок работает при одновременном воздействии на него усилия прокатки, крутящего момента, температуры в очаге деформации и т.п. поэтому, одним из главных требований является высокая износостойкость и термоусталостная прочность, обуславливающие малый и равномерный износ валков.

Одним из путей повышения стойкости прокатных валков и снижения их металлоемкости является использование составных валков. Применение бандажей из высокопрочных материалов, возможность замены изношенных бандажей при многократном использовании оси дадут большой экономический эффект.

В настоящее время в 5,6 чистовых клетях стана 2500 ОАО ММК применяются опорные валки 1600х2500 мм, которые изготавливают из кованной стали 9ХФ. В данной работе предлагается использовать составные валки с бандажом из литой стали 150ХНМ или 35Х5НМФ. В качестве осей предлагается использовать отработанные цельнокованые валки. Опыт эксплуатации валков из подобных материалов свидетельствует, что их износостойкость в 2-2,5 раза выше, чем кованых. Соединение бандажа с осью осуществляется по посадке с гарантированным натягом. С целью увеличения  передаваемого крутящего момента на посадочную поверхность оси предлагается наносить металлическое покрытие, значительно увеличивающее коэффициент трения, площадь фактического контакта оси и бандажа и его теплопроводность.

1           Краткий обзор составных прокатных валков. Характеристика стана 2500. Сортамент стана.

 

1.1 Краткий обзор и анализ конструкций составных прокатных валков

Основные достоинства составных валков:

-                      возможность изготавливать бандаж и ось из материалов с различными механическими и теплофизическими свойствами;

-                      возможность замены  изношенного бандажа при многократном использовании оси валка;

-                      термическую обработку бандажа оси можно производить раздельно, что позволяет увеличить прокаливаемость, получить одинаковую твердость по всей толщине бандажа и снизить градиент остаточных напряжений, который в сплошном валке большой массы весьма высок.

Выпуск бандажированных опорных валков листовых станов освоили еще в 70-х годах прошлого века. Бандаж и ось соединяются, как правило, тепловым способом по посадке с гарантированным натягом; бандажи изготавливаются кованые или литые, оси кованные, для их изготовления обычно используют списанные валки. Отверстие в бандаже чаще всего цилиндрическое, посадочное место оси может быть цилиндрическим, бочкообразным или близким к нему по форме для уменьшения концентрации напряжений у торцов бандажа после сборки.

По способу крепления бандажей составные валки можно разделить на следующие группы:

-                      использование посадки с гарантированным натягом;

-                      применение различных механических способов крепления бандажа;

-                      использование легкоплавных сплавов и клеевых соединений.

Усовершенствованию конструкций, методам производства и сборки, повышению технологических характеристик составных валков посвящены многие работы отечественных и зарубежных ученых. Большое место занимают работы по обеспечению надежного соединения бандажа с осью.

Так, например, в работе [1] предлагается использовать составной прокатный валок, содержащий бандаж с натягом, и наложенный на ось с каналами, выполненными по спирали на контактирующей с бандажом поверхности, и буртом. В работе [2] предлагается к использованию валок с составным бандажом из спеченного карбида вольфрама. В ряде работ последних лет [3,4] все чаще предлагается к использованию наплавленные бандажи из высоколегированных сплавов. Во многих случаях, при упрощении технологии изготовлении валка и повышении износостойкости его поверхности, существенно возрастает стоимость, за счет применения большого числа легирующих элементов. Потому, с целью увеличения срока эксплуатации валков, многие авторы посвящают свои работы усовершенствованию конструкции составных прокатных валков.

В работах [5,6] предлагаются составные валки, содержащие несущую профилированную ось и бандаж с профилированной внутренней поверхностью, насаживаемый с натягом с возможностью свободного перемещения его участков меньшего диаметра в нагретом состоянии вдоль несущей оси через участки с большим диаметром по длине. Причем образующие поверхностей бочки оси и бандажа выполнены профилированными в виде плавной кривой по определенным зависимостям (рисунок 1,2). К недостаткам таких валков можно отнести сложность их изготовления, невозможность проконтролировать требуемую кривизну профиля посадочных поверхностей, а в случае [6] еще и ограничены сроки эксплуатации валка, вызванные малым числом возможных переточек бандажа, вследствие возникновения растягивающих напряжений в средней части от разогрева и теплового расширения несущей оси в процессе работы прокатной клети (рисунок 2). Но главным недостатком все же можно считать сложность кривых, описывающих профили сопрягаемых поверхностей, которая затрудняет процесс токарной обработки, а точность, требуемая при

их изготовлениипрактически невыполнима при технологиях, существующих на машиностроительныхзаводах.

Рисунок 1 – Составной прокатный валок

Рисунок 2 – Составной прокатный валок

 

В работе [7], вусловиях стана 2500 ОАО ММК предлагается использовать составной опорный валок,выполненный в соответствии со схемой на рисунке 3. Недостатком такого валкаявляется наличие переходного участка оси от бурта к конусной части, являющуюсяконцентратором повышения напряжений, что может привести к поломке оси приповышенных нагрузках и прогибе, а также ограничение срока его эксплуатации.Кроме того, данная конструкция нетехнологична в изготовлении.

Рисунок 3 – Составной прокатный валок

 

Задачей предлагаемогоизготовления составного опорного валка является наиболее простое техническоерешение, которое увеличит срок эксплуатации за счет обеспечения постоянногонатяга по всей длине сопрягаемых поверхностей.

Предлагаетсяпосадочное место бандажа и оси выполнить цилиндрическими, с точки зренияпростоты и технологичности изготовления. На кромках оси сделать разгружающиефаски – скосы, для уменьшения концентрации напряжений. Для повышения несущейспособности соединения и работоспособности валка основное внимание следуетсосредоточить на выборе величины оптимального натяга, разработке мероприятий,существенно увеличивающих коэффициент трения на сопрягаемых поверхностях итеплопроводность контакта ось – бандаж.

При прочностныхрасчетах необходимо выбрать методику, позволяющую учитывать влияние усилийпрокатки на напряженно – деформированное состояние бандажа.

 

1.2 Характеристика станагорячей прокатки 2500

 Широкополосный стан горячей прокатки 2500состоит из участка загрузки, участка нагревательных печей, черновой и чистовойгрупп с промежуточным рольгангом между ними и линии смотки.

Участок загрузки состоит изсклада слябов и загрузочного рольганга, 3 подъемных столов со сталкивателями.

Участок нагревательных печейсостоит из собственно 6 нагревательных методических печей, рольганга передпечами с толкателями и подпечного рольганга после печей.

Черновая группа состоит изклетей:

-                     реверсивная клеть дуо;

-                     уширительная клеть кварто;

-                     реверсивная универсальная клеть кварто;

-                     универсальная клеть кварто.

Чистовая группа включаетлетучие ножницы, чистовой окалиноломатель (клеть дуо), 7 клетей кварто. Междуклетями установлены устройства ускоренного охлаждения полос (межклетьевоеохлаждение).

Промежуточный рольгангобеспечивает сброс и разделку недостатков (планируется оснащение рольгангатепловыми экранами типа энкопанель).

Линия смотки включает отводящийрольганг с 30 секциями охлаждения полосы (верхнее и нижнее душирование), четыремоталки, тележки с подъемно-поворотными столами.

 

1.3 Сортамент стана помаркам стали и размерам полос

Широкополосный стан 2500предназначен для горячей прокатки полос из следующих сталей:

-                     стальуглеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 16523-89, 14637-89 марок стали поГОСТ 380-71 и действующим ТУ;

-                     стальсвариваемая для судостроения по ГОСТ 5521-86;

-                     стальуглеродистая качественная конструкционная по ГОСТ 1577-81, 4041-71, 16523-89,9045-93 и действующим ТУ;

-                     стальлегированная марки 65Г по ГОСТ 14959-70;

-                     стальнизколегированная по ГОСТ 19281-89;

-                     сталь7ХНМ по ТУ 14-1-387-84;

-                     стальуглеродистая и низколегированная экспортного исполнения по ТП, СТП на основеиностранных стандартов.

Предельные размеры полос:

-                     толщина1,8¸10 мм;

-                     ширина1000¸2350 мм;

-                     весрулона до 25 т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2          Исследование и разработка конструкциибандажированного опорного валка стана 2500 горячей прокатки

 

2.1 Выбор натяга, формы, толщины бандажа и расчет несущейспособности соединения

Опорный валок 5,6клетей стана 2500 горячей прокатки ОАО ММК в соответствии с рисунком 4 имеетследующие основные размеры:

-             длинабочки l=2500мм;

-             максимальныйнаружный диаметр бочки d=1600 мм;

-             минимальныйнаружный диаметр d=1480мм;

-             диаметршеек в месте соединения с бочкой 1100 мм;

Посадочное местобандажа – цилиндрическое. На расстоянии 100 мм от каждого края оси предлагаетсясделать разгружающие фаски высотой 10 мм для уменьшения концентраций напряженийбандажа после сборки. Это объясняется тем, что бандаж соединяется с осьютепловым способом, а при формировании соединения края бандажа остывают быстрее,чем его средняя часть, что приводит к появлению концентрации напряжения и даетдополнительную возможность развития фреттинг-коррозии и усталостных трещин вдальнейшем

Часто, дляпредотвращения сползания бандажа в осевом направлении на оси выполняетсябуртик, а на бандаже проточка, или же посадочные поверхности имеют формуконуса. В данном случае такие приспособления не используются, так как возможнопредположить, что при достаточно большой длине сопрягаемых поверхностей осевогосдвига происходить не будет, а прочность соединения также обеспечитсягарантированным натягом и возможным увеличением коэффициента трения наповерхностях за счет нанесения на них металлического покрытия или абразивногопорошка.

Также, этаконструкция существенно проще и дешевле в изготовлении.

Анализ факторов,влияющих на выбор посадочного диаметра показывает, что область оптимальныхзначений отношений посадочного и внешнего диаметров колеблется в интервале d/d2 =0,5…0,8. [8]

Если говорить овыборе натяга соединения, то здесь можно столкнуться с разногласиями. Напрактике оптимальный натяг обычно принимается равным 0,8-1% от посадочногодиаметра: D=(0,008¸0,01)d. Некоторые авторы советуютувеличить его до 1,3%, а некоторые, наоборот, снизить до 0,5%

Для расчетов выберемтри различных значения натягов: D1=0,8 мм; D2=1,15 мм; D3=1,3 мм.

Также, для сравненияи выбора оптимальных критериев соединения будем производить расчеты для разныхкоэффициентов трения и толщин бандажа.

 f1=0,14

 dпосад1=1150 мм

 f2=0,3

 dпосад2=1300 мм

 f3=0,4

 

Как указывалось выше,величину коэффициента трения можно изменить, нанеся какое-либо покрытие насопрягаемые поверхности.

Наибольшая толщинабандажа(dпосад=1150 мм) обуславливается егопрохождением через шейки прокатного валка при сборке.

Не принимается вовнимание dпосад>1300 мм, так как при достижении минимального наружного диаметра (d2=1480 мм) бандаж станет слишкомтонким.

Произведем расчетнекоторых параметров несущей способности соединения при заданных условиях.

1.        Наибольшая осевая сила, которуюможет выдержать соединение [9]:

                                   (1)

где К – давление на посадочной поверхности, МПа;

F=pdl –площадь посадочной поверхности, мм2; (d и l – диаметр и длина посадочнойповерхности соответственно, мм)

f – коэффициент трения междусопрягаемыми поверхностями.

Давление К на посадочныхповерхностях зависит от натяга и толщины стенок охватывающей и охватываемойдетали.

Согласно формуле Ляме:

                                               (2)

где D/d – относительный диаметральныйнатяг;

q - коэффициент.

 

                                           (3)

 

где Е12=2,1х105 Н/мм2 – модули упругости оси и бандажа;

m1=m2=0,3 – коэффициенты Пуассона длястали оси и бандажа

С12 –коэффициенты, характеризующие тонкостенкость;

 

                                             (4)

 

 

                                             (5)

 

где d1и d2 – соответственно внутреннийдиаметр оси и наружный диаметр бандажа.

Для данного случая отверстия воси нет – d1=0, а за диаметр d2 принимаем средний диаметр валка:

 

 

Тогда С1=1(d1=0).

2.        Наибольшийкрутящий момент, передаваемый соединением:

                                                                                                 (6)

 

3.        Напряжениесжатия в оси максимально на внутренней поверхности:

                               (7)

 

4.        Навнутренней поверхности бандажа максимальные растягивающие напряжения:

                                   (8)

 

 

Результаты вычисленийсведены в таблицу 1.

Выводы: Как видно,давление К, а, следовательно, и несущая способность соединения пропорциональнанатягу и обратно пропорциональна коэффициентам С1 и С2,характеризующим тонкостенкость.

Разность посадочныхдиаметров составляет всего 150 мм, но при одинаковых натягах различиеконтактного давления почти вдвое больше для меньшего диаметра.

Следует заметить, чтои напряжение сжатия в оси также меньше в случае для более тонкого бандажа, нонапряжения растяжения в бандаже с изменением его толщины остаются практическинеизменными.

Таблица 1 - Характеристика прокатныхвалков 5,6 клетей стана 2000 и их несущая способность при различных значенияхдиаметров, натягов, коэффициентов трения в соединении

 

Давление металла на валки, т

Р=3000

Момент прокатки, тм

Мпр=217

Наружный диаметр бандажа, мм

d2=1600 (1480)              dср=1540

Длина сопряжения, мм

l = 2500

Диаметр сопрягаемых поверхностей, мм

d=1150       (C2=3,52)

d=1300        (C2=5,96)

Площадь посадочной поверхности кв.мм

F=9,0275x106

F=10,205x106

Натяг, мм

D1 = 0,8

D2 = 1,15

D3 = 1,3

D1 = 0,8

D2 = 1,15

D3 = 1,3

Контактное давление, Мпа

K=32,32

K=46,46

K=52,52

K=18,57

K=26,7

K=30,18

Напряжение на оси валка, Мпа

sст=64,64

sст=92,92

sст=105,04

sст=37,14

sст=53,4

sст=60,36

Напряжение в бандаже, Мпа

sраст=146,1

sраст=210,1

sраст=237,5

sраст=129,2

sраст=185,8

sраст=210

Коэффициент трения f

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

0,14

0,3

0,4

Наибольшая осевая сила Рос, т

4084

8753

11670

5871

12825

16776

6637

14223

18964

2653

5685

7580

3814

8174

10899

4311

9239

12319

Наибольший крутящий момент Мкр, тм

2348

5033

6710

3376

7234

9646

3816

8178

10904

1724

3695

4927

2479

5313

7084

2808

6005

8007

Рисунок 4 - Составной прокатный валок

 

С увеличениемкоэффициентов трения несущая способность соединения также существенновозрастает, как в случае с d=1150 мм так и с d=1300 мм, но в случае с d=1150 мм более максимальна.

Важным является то,что для всех условий соединением обеспечивается передача крутящего момента схорошим запасом прочности

Мпркр

Причемзапас прочности увеличивается по мере роста контактного давления в соединении,вызванного натягом.

В целом можносказать, что в обоих случаях обеспечивается хорошая несущая способностьсоединения и достаточно небольшие напряжения в деталях валка, но более предпочтительнымявляется бандаж, внутренний диаметр которого d=1150 мм, за счет значительногоувеличения все той же несущей способности.

 

 

2.2 Расчет напряжений вбандажированном опорном валке

Напряжения всоставном опорном валке стана 2500 определяются для тех же основных техническихданных, заданных в пункте 2.1. Требуется определить контактные напряжения напосадочной поверхности бандажа и оси.

Область бандажаобозначим через S2, а область вала через S.Радиус поверхности сопряжения после сборки обозначим R, а внешний радиус бандажа R2.

На внешнем контуребандажа C2 приложена сила P,равная по величине давлению металла на валки P0. Принимая P=P0, имеем систему сил, находящихсяв равновесии. Посадочная поверхность образует контур C.

Расчетная схемапредставлена на рисунке 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Расчетная схема для определенияконтактных напряжений в      валке

 

При решении задачинапряжения удобно определять в полярных координатах. Нашей задачей являетсяопределить:

sr – радиальные напряжения

sq - тангенциальные(окружные) напряжения

trq - касательные напряжения.

Вычисления компонентовнапряжений обычно весьма громоздки в общем виде и в расчетах. Используя методН.И. Мусхелишвили применительно к поставленной задаче и выполняя решениеаналогично приведенного в работе [10] определяются напряжения на посадочнойповерхности бандажа в виде формул, удобных для численной реализации [11].Окончательные выражения имеют вид:

 

 

                                 (9)

 

 

                               (10)

 

 

                                                             (11)

 

где P=P0 – удельная нагрузка наединицу длины бандажа от внешней силы;

R – радиус контактной поверхности;

 

 

h и g – просуммированные взамкнутом виде ряды, отражающие особенность решения в зонах точек приложениясосредоточенных сил P ипозволяющие улучшить сходимость рядов;

q -угловая координата точек контура C;

 

-        постоянная Мусхелишвили;

m=0,3- коэффициент Пуассона;

a -угол, отсчитываемый от оси х, до точки приложения силы Р;

n=R2/R – коэффициент,характеризующий толщину бандажа.

Последние слагаемые вформулах (9) и (10) представляют собой составляющие напряжений, зависящие отнатяга. Тогда радиальные и тангенциальные напряжения в составном валкеопределяются из двух компонентов, из напряжений, вызванных натягом и нормальнойнагрузкой:

                      sr=srp+srD                                                                       (12)

                     sq=sqp+sqD                                                                       (13)

Нормальные  напряжения от натяга определяются по формуле[12]:

                                        (14)

где К –контактное давление от натяга (см. табл.1), МПа;

n=R2/R – относительная толщинабандажа.

Расчет напряжений sqD производится по следующей формуле:

                                           (15)

 

где d -половина величины натяга;

Е – модуль упругостипервого рода.

Касательные напряжения наповерхностях от натяга, как известно, отсутствуют. [8]

Тогда напряжения srp, sqp и trqможно представить в виде:  

 

  (16)

 

 

 

   (17)

 

 

 

            (18)

 

 

На ЭВМ были просчитанызначения величин srp, sqp и trq  для различных значений  n [11], часть которых приведена в таблице 2.

Значения напряженийпредставлены в виде безразмерных коэффициентов Ср, Сqt, которые следует умножить на величину P/(R2x103), где Р – внешняянагрузка на единицу длины бандажа, Н/мм; R2 – наружный радиус бандажа.

 

 

Для определениякомпонентов напряжений необходимо знать только n (относительную толщину бандажа) и q(полярную угловую координату точки, в которой определяются напряжения).

В соответствии с рисунком5 при заданных условиях равенства нулю главного вектора и главного момента силыР, эпюры напряжений на контакте симметричны относительно оси y, то есть достаточно определениянапряжений в 2х из 4х четвертей, например, в I и IV(от 3p/2 до p/2рад).

Характер распределениянапряжений по контакту ось – бандаж представлен на рисунках 6, 7, 8.

 

Таблица 2 – Составляющие напряжений и радиальные,тангенциальные, касательные напряжения на   посадочной поверхности бандажа от воздействия силы Р = 1200 кг/мм клетей5,6 стана 2500

q

Ср

srp,МПа

Ср

srp,МПа

Сq

sqр,МПа

Сq

sqр,МПа

Сt

tрq,МПа

Сt

tрq,МПа

 

N=1,34     (d=1150 мм)

n=1,19          (d=1300 мм)

n=1,34

n=1,19

n=1,34

N=1,19

90°

6,84

1,43

3,82

0,71

-14,6

-3,05

-16,6

-3,07

0

0

0

0

 

110°

6,49

1,35

3,62

0,67

-14,21

-2,97

-15,88

-2,93

1,9

0,4

1,16

0,21

 

130°

5,51

1,15

3,02

0,56

-13,13

-2,74

-13,75

-2,54

3,51

0,73

2,17

0,4

 

150°

4,02

0,84

2,12

0,39

-11,7

-2,44

-10,78

-1,99

4,53

0,95

2,86

0,53

 

160°

3,13

0,65

1,59

0,29

-11,03

-2,3

-9,12

-1,68

4,74

0,99

3,04

0,56

 

170°

2,23

0,46

1,04

0,19

-10,52

-2,2

-7,45

-1,38

4,68

0,98

3,09

0,57

 

180°

1,3

0,27

0,48

0,09

-10,33

-2,16

-5,95

-1,1

4,28

0,89

2,98

0,55

 

190°

0,38

0,08

-0,1

-0,02

-10,66

-2,23

-4,8

-0,89

3,46

0,72

2,68

0,49

 

200°

-0,52

-0,11

-0,57

-0,11

-11,82

-2,47

-4,25

-0,78

2,06

0,43

2,12

0,39

 

210°

-1,51

-0,32

-1,03

-0,19

-14,27

-2,98

-4,73

-0,87

-0,12

-0,03

1,15

-0,21

 

220°

-2,73

-0,57

-1,47

-0,27

-18,72

-3,9

-6,98

-1,3

-4,41

-0,92

-0,53

-0,1

 

230°

-5,23

-1,09

-2,07

-0,38

-26,23

-5,47

-12,48

-2,3

-11,85

-2,47

-3,8

-0,7

 

240°

-12,54

-2,62

-3,87

-0,71

-37,61

-7,85

-24,48

-4,52

-26,68

-5,57

-11,34

-2,09

 

250°

-39,3

-8,2

-13,84

-2,56

-48,25

-10,07

-49,57

-9,15

-57

-11,9

-33,34

-6,15

 

260°

-135,94

-28,37

-92,66

-17,1

-22,98

-4,8

-77,46

-14,3

-94,86

-19,8

-105,04

-19,4

 

262°

-168,7

-35,2

-126,15

-23,3

-7,65

-1,6

-70,24

-12,97

-93,6

-19,5

-124,96

-23,07

 

264°

-203,04

-42,37

-205,64

-37,96

10,25

2,14

-50,66

-9,35

-84,04

-17,54

-138,25

-25,52

 

266°

-234,84

-49,01

-291,12

-53,75

27,99

5,84

-16,47

-3,04

-51,02

-10,65

-132,57

-24,47

 

268°

-257,9

-53,82

-379,56

-70,07

41,45

8,65

-26,36

4,87

-35,51

-7,41

-88,7

-16,38

 

270°

-266,18

-55,55

-420,5

-77,63

46,47

9,7

48,44

8,94

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8

Анализ полученных данныхпозволил выявить следующие закономерности: наименьшие значения srp принимает по линиидействия сосредоточенной силы Р вместе ее непосредственного приложения q=270°. Принекоторых значениях угла q»295° для n=1,34 и q»188° для n=1,19 значения srp меняют знак.Напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения, стремящиеся нарушитьмонолитность соединения. Следовательно, эпюры srpмогут иметь определенное физическое толкование: точки контакта, в которыхпроисходит смена знаков напряжений, определяют области зоны раскрытия стыка приотсутствии контактного давления от натяга за счет упругой деформации бандажа.

Чем тоньше бандаж, темболее максимально увеличение srp приq=270° и тем больше градиентнапряжений в области q=260¸280°.

Напряжения растяжения,тем больше, чем толще бандаж, но их градиент незначителен, то есть чем тоньшебандаж, тем больше усилия сжатия на оси.

На эпюрах тангенциальныхнапряжений в зоне действия силы Р видно, что s являютсярастягивающими, причем их максимальная величина практически не зависит оттолщины бандажа. Градиент напряжений увеличивается с уменьшением толщиныбандажа, а ширина зоны уменьшается. На большей части контактной поверхности осии бандажа напряжения являются сжимающими с меньшим градиентом для n=1,34.

Эпюры касательныхнапряжений trqна рисунке 9 меняют знак в точках при q»215° и набольшей части контактных поверхностей являются растягивающими, но малыми дляобоих случаев, а, следовательно, не слишком значительными.

В таблице 3 представленызначения srDи sqDдля различных значений Dи n.

 

Таблица 3– Величина контактного давления и тангенциального напряжения от натяга.

 

n=1,34

n =1,19

D=0,8

D=1,15

D=1,3

D=0,8

D=1,15

D=1,3

srD, МПа

-32,4

-46,6

-52,7

-20,3

-29,1

-32,9

sqD,МПа

113,7

163,5

184,8

109,5

157,4

177,9

 

По данным таблиц 2 и 3построим эпюры для srp srDи результирующие sr  в соответствии с рисунком 9. Тангенциальныенапряжения от натяга различны по знаку для контактных напряжений оси и бандажа,поэтому рассмотрение суммарных эпюр на этих поверхностях необходимо производитьотдельно (рисунок 10, 11).

Проведенныйанализ напряжений на контакте ось-бандаж составного валка показывает, что прилюбой схеме нагрузки суммарная эпюра контактного давления значительноотличается от эпюры давления, вызываемого натягом. Контактные давленияраспределены равномерно по окружности и имеют высокий градиент в зонахвозмущения от сил давления металла на валок. При этом контактные давления отнатяга составляют только часть общего контактного давления (в соответствии срисунком 9) на значительной части контакта. На части контактной поверхностиобщее давление несколько меньше давления от натяга.

Расчет валка навозможность проворачивания бандажа на оси от действия крутящего моментапроизводится по формуле:

                              Мпр £[ Мкр ] = Р×f×R                                                    (19)

где  Мпр – момент прокатки;

[Мкр] – крутящий момент, который способно передать соединениес натягом;

Р – контактное давление в соединении;

f –коэффициент трения покоя на посадочных поверхностях соединения;

R –радиус посадочной поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9

Рисунок  10 – Эпюры sqр, sqD, sq на контактной поверхности оси опорного валка стана 2500 приР=1200кг/мм; n=1,19;n=1,34и D=0,8; 1,15; 1,3

 

 

Рисунок 11  – Эпюры sqр, sqD, sq на контактной поверхности бандажа опорного валка стана 2500при Р=1200кг/мм; n=1,19;n=1,34и D=0,8; 1,15; 1,3

значительнойчасти контакта. На части контактной поверхности общее давление несколько меньшедавления от натяга.

Расчет валка навозможность проворачивания бандажа на оси от действия крутящего моментапроизводится по формуле:

                              Мпр £[ Мкр ] = Р×f×R                                                    (19)

где  Мпр – момент прокатки;

[Мкр] – крутящий момент, который способно передать соединениес натягом;

Р – контактное давление в соединении;

f –коэффициент трения покоя на посадочных поверхностях соединения;

R –радиус посадочной поверхности.

Допускаемый крутящиймомент прямо пропорционален контактному давлению, следовательно, при расчетесоставного валка на возможность проворачивания бандажа необходимо учитыватьособенности распределения и величину контактного давления в валках.

Полное контактноедавление в составном валке определяется по формуле:

P = sr = srp + srD

Интегрируя sr по кругу можноопределить предельный крутящий момент, который способен передавать составнойвалок с учетом действия внешних сил Р:

     (20)

 

Произведенные расчеты поэтой формуле показали, что увеличение предельного крутящего момента, которыйспособен передать составной валок без проворота бандажа с учетом воздействиявнешних сил Р составляет примерно 20-25% [11].

Передаваемый крутящиймомент пропорционален коэффициенту трения f. От величины коэффициента трения зависит и деформация валка поднагрузкой. Очевидно, что для предотвращения деформации и микросмещений в точкахконтакта возможно увеличить коэффициент трения и создать на контактенеобходимого удельного давления. Изменение контактного давления можно достичьизменением величины натяга и изменением толщины бандажа. Как видно из рисунков6, 7, 8, уменьшение толщины бандажа приводит к увеличению градиентов напряженийв местах приложения нагрузки. А увеличение натягов, в свою очередь, приводит кросту самих напряжений, которые уже при значении D=1,15 для d2=1150 мм и D=1,3 для d2=1300мм превышают допускаемые для стали 150ХНМ, равные 200 МПа (табл. 1), из которойпредлагается выполнить бандаж.

Поэтому становитсяочевидным увеличивать коэффициент трения на посадочных поверхностях.Оптимальный выбор значений величины натяга и коэффициента трения позволитизбежать износа поверхности, что будет способствовать многократномуиспользованию оси.

 

2.3 Расчет на кратностьиспользования оси составного опорного валка

Оси бандажированныхопорных валков изготавливаются из списанных, уже отработанных валков. Поэтомурасчет на кратность использования оси ведется исходя из усталостной прочностиее материала – стали 9ХФ.

В расчетах [13], [8],[15] учитывались число циклов нагружения, усталостные характеристики материалаоси, а также величины 3х видов напряжений:

1 – сжимающих, вызванныхпосадкой бандажа на ось с натягом;

2 – изгибающих, вызваннымдавлением металла на валки;

3 – касательных,вызванных кручением.

Расчет производился длянаиболее опасных сечений 1-1 и 2-2 (рисунок 12) с различными значениями натягапосадки.

Опорный валок 1600х2500проходит перевалку в 5, 6 клетях через каждые 150 тыс. тонн проката [15]. Приперешлифовках съем с поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12 – Схематическое изображение сечений, длякоторых производился расчет оси валка на усталостную прочность.

1-1  –поперечное сечение середины бочки валка

2-2 – сечение, в месте перехода от бочки валка кшейке.

 

бочкипроизводится не менее 3 мм на диаметр. Общий съем составляет 120 мм (Æmax = 1600 мм, Æmin =1080 мм), то естьвалок может устанавливаться не менее 40 раз, например, по 20 в каждой клети

Основные технологическиехарактеристики 5, 6 клетей чистовой группы стана 2500 горячей прокатки ОАО ММКприведены в таблице 4.

 

Таблица 4– Основные характеристики 5, 6 клетей

Номер клети

5

6

Катающийдиаметр, мм

1600-1480

1600-1480

Прокатза установку, тыс. тонн

150

150

Скоростьпрокатки V, м/с

1,42

2,05

Максимальноедавление металла на валки Р, тс

3000

3000

Максимальныйкрутящий момент Мкр, тсм

217

192

Количествоустановок

20

20

 

В расчетах принимаемсредний катающий диаметр опорного валка dср=1540 мм.

Давление металла на валкипостоянно, следовательно, максимальные изгибающие напряжения sизгmaxравны sизгmin ,взятым с обратным знаком. Постоянными являются и напряжения сжатия sсж(табл. 1), зависящие от величины натяга.

Расчеты производились длятрех различных величин натягов D=0,8; 1,15; 1,3.

Таким образом,циклическое нагружение во всех клетях, совмещающее действие от постоянных ипеременных нагрузок, носит асимметричный характер.

Количество цикловнагружения в каждой клети составляет:

                                    (21)

 

где Vi – скоростьпрокатки в каждой клети, м/с;

dср – средний катающийдиаметр бочки опорного валка, м;

t – время работы валка в каждой клети заустановку, ч;

К – количество установок.

Результаты расчетовсведены в таблицу 5.

 

Таблица 5 – Количество часовработы и циклов нагружения в каждой клети

Номер клети

5

6

T

93, 94

103,17

Ni

1,99х106

3,15х106

 

Общее числоциклов нагружения опорного валка при однократном использовании оси составляет: N=SNi=5,14x106.

 

2.4 Определениециклической выносливости в сечении 1-1

Максимальныеизгибающие напряжения:

                                              (22)

 

                                               (23)

 

 

гдеР = 3000 тс – давление металла на валки;

а =3,27 м – расстояние между осями нажимных винтов;

Wизг = pd2оси /32 – момент сопротивлениясечения ост при изгибе;

Lбоч=2,5м – длина бочки опорного валка.

Максимальныенапряжения сжатия sсж находятся по формуле (7).Следовательно, имеем:

                                                                                                                                         (24) 

 

Где js - коэффициент чувствительностиметалла к ассимметрии цикла;

 

      (25)

 

   s0 =(1,4…1,6) s-1  - предел усталости для пульсирующего цикла.

Максимальноенапряжение, вызванное кручением tmaxi, вкаждой клети зависит от максимального крутящего момента Мкрi=217тм:

      (26)

 

 

Эквивалентноенапряжение, учитывающее все виды напряжений, действующих на составной валок:

  (27)

 

Результатырасчетов сведены в таблицу 6.

 

Таблица 6 –Значения напряжений в валке для различных значений     посадочных диаметров и натягов

Посадочный диаметр, м

d=1.15

d=1.3

Wизг3

0,149

0,216

sизг, МПа

101,67

70,14

tmax,МПа

7,27

7,27

Натяг, мм

D=0,8

D=1,15

D=1,3

D=0,8

D=1,15

D=1,3

sсж, МПа

64,64

92,92

105,04

37,14

53,4

60,36

smax,МПа

123

132,33

136,33

82,4

87,76

90,06

sэкв, МПа

123,85

133,12

137,1

83,67

88,96

91,23

 

Соответствующее число циклов, которое можетвыдержать образец до разрушения [16], [17]:

  (28)

Материал оси – сталь9ХФ, со следующими усталостными характеристиками [18]:

s-1=317 МПа – пределвыносливости;

N0=106 – базовоечисло циклов;

R=tga=(0.276s-1-0.8)=7.95кг/мм2 – тангенс наклона кривой усталости

Для оценки запасадолговечности и срока службы детали при расчетах на ограниченную долговечностьприменяется критерий nдоп.долг.– допускаемый запас долговечности:

  (29)

 

где nдоп=1,5 – допускаемыйзапас прочности.

Кратность использованияоси при полном использовании прочностных свойств материала:

  (30)

 

Результаты расчетовсведены в таблицу 7.

 

Таблица7 – Влияние посадочного диаметра и натяга оси на ее кратность

Посадочныйдиаметр, м

D=1.15

d=1.3

Натяг,мм

D=0,8

D=1,15

D=1,3

D=0,8

D=1,15

D=1,3

Nппр×106

269,27

205,68

183,18

860,18

737,77

691,63

Кратностьоси Т

2,45

1,88

1,67

7,84

6,72

6,3

 

Наосновании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы: с увеличениемнатяга кратность использования оси составного опорного валка снижается за счетувеличения постоянных сжимающих напряжений, вызванных горячей посадкой бандажана ось с натягом. В случае для более тонкого бандажа (d=1,13 м) наблюдается увеличениекратности использования оси более чем в 3 раза при одинаковых значениях натяга,так как для d=1,13 мхарактерны меньшие напряжения сжатия оси. Если же обратиться к эпюрамраспределения напряжений для разных толщин бандажа (рисунок 6, 7, 8, 9, 10,11), то следует отметить менее благоприятную картину для более тонкого бандажа.Следует принять во внимание и то, что в расчетах учитывались не простомаксимально допустимые нагрузки на валок, но их пиковые значения. Если учесть,что для стали 150ХНМ, из которой предлагается выполнить бандаж, напряжениярастяжения в бандаже превышают допускаемые в случаях d=1,15 м при D=1,15 мм и d=1,3м при D=1,3 мм (табл.1), то оптимальнымможно считать вариант при d=1,15м, D=0,8.Кратность оси в этом случае составляет 2,45 раза. Но, принимая во внимание, чтореальные нагрузки несколько меньше расчетных, а также то, что на сопрягаемыеповерхности предлагается нанести металлическое покрытие, увеличивающее несущуюспособность соединения, не изменяя при этом существенным образом егонапряженное состояние, то кратность использования оси естественным образомувеличится.

 

 2.5 Определение циклической выносливости в сечении 2-2

Ось опорного составноговалка в сечении 2-2 испытывает действие изгибающих и касательных напряжений.При таком нагружении напряжения изменяются по симметричному циклу:

                              (31)

где

 

 

 

 

 

 

 

Опасности усталостногоразрушения оси в этом сечении нет.

 

2.6 Определение зоны проскальзывания и прогиба составного ицельного опорного валка

Известен тот факт, чтов ходе работы, в результате действия приложенных нагрузок, как рабочие, так иопорные валки начинают прогибаться. Явление прогиба может вызвать ухудшениекачества прокатываемой полосы, биение валков, что, в свою очередь, можетпривести к быстрому выводу из строя подшипниковых узлов и появлению фреттинг –коррозии.

Разница температурбандажа и оси в процессе прокатки, в случае для составного валка, можетпривести к проворачиванию бандажа относительно оси, то есть появлению зоныпроскальзывания.

Ниже приведены расчетывозможной величины зоны проскальзывания с учетом действующих нагрузок иопределения прогиба составного и цельного опорного валка с целью сравнения ихзначений.

 

2.7 Определение  прогиба цельного опорного валка

Давление металла навалки при прокатке передается через рабочие валки на опорные. Характерраспределения давления вдоль бочки опорных валков зависит от ширины раската,жесткости и длины бочки рабочих и опорных валков, а также от их профиля.

Если предположить, чтодавление металла на валки передается рабочим валком на опорный равномерно, топрогиб опорных валков можно рассчитать как изгиб балки, свободно лежащей надвух опорах, с учетом действия поперечных сил [19].

 

 

Общая стрела прогибаопорного валка [20]:

                        fо.в. = fо.н. = f1 + f2                                                              (32)

где f1 – стрелапрогиба от действия изгибающих моментов;

f- стрела прогиба от действия поперечных сил.

В свою очередь

(33)

 

(34)

 

 

  где Р – давление металла на валок;

 Е – модуль упругости металла валка;

G – модуль сдвига металла валка;

D0 – диаметр опорного валка;

d0 – диаметр шейки опорноговалка;

L – длина бочки опорного валка;

а1 –расстояние между осями подшипников опорных валков;

с – расстояние от краябочки до оси подшипника опорного валка.

 

Таблица 8 – Данные для расчета прогиба цельного опорноговалка

Название

Обозначение

Значение

Давлениеметалла на валок, Н

P

2,943х107

Модульупругости металла валка, Н/мм2

E

2,1х105

Модульсдвига металла валка, Н/м2

G

8х104

Диаметропорного валка, мм

D0

1600

Диаметршейки опорного валка, мм

d0

1100

Длинашейки опорного валка, мм

L

930

Продолжение таблицы 8

Расстояниемежду осями подшипников, мм

a1

3270

Расстояниеот края бочки до подшипников, мм

C

385

Прогибот действия изгибающих моментов, мм

f1

0,30622

Прогибот действия поперечных сил, мм

f2

0,16769

 

Тогда общая стрелапрогиба опорного валка:

f=0,30622+0,16769=0,47391 мм

 

2.8 Определение прогиба и зоны проскальзывания длясоставного опорного валка

Расчет производился длярекомендованных ранее оптимальных значений натяга, радиуса бандажа,коэффициентов трения.

Основные данные длярасчета приведены в таблице 9.

 

Таблица 9– данные для расчета жесткости составного опорного валка

Показатель

Обозначение

Значение

Радиусбандажа, м

R2

0,8

Радиусоси, м

R

0,575

Модульупругости первого рода, Н/м2

G

8х1010

Модульупругости второго рода, Н/м2

E

2,1х1011

Коэффициент,учитывающий неровность распределения касательных напряжений

K1

0,695

K2

0,787

Коэффициент,учитывающий исполнение кромок бандажа

K

0,833

Коэффициент,зависящий от поперечного сечения оси

a1

0

Коэффициент,зависящий от поперечного сечения бандажа

a2

0,71875

Продолжение таблицы 9

КоэффициентПуассона

n

0,3

Натягмежду бандажом и осью валка, м

d

0,0008

Коэффициентвлияния выступающих по краям бандажа частей оси

F

1,54

Коэффициенттрения

m

0,3

Крутящиймомент, Нм

M

2170000

Длинабочки опорного валка, м

L0

2,5

Усилиевоздействия на валок, Н

P

30000000

Радиусшейки валка, м

Rш

0,55

Длинашейки валка, м

l2

0,635

Коэффициентдля шейки

Kш

0,8

 

Площадь поперечногосечения бандажа и оси:

 

                        (35)

                                     (36)

 

Моменты инерции бандажа иоси:

 

                      (37)

 

Постоянный коэффициент:

 

                  (38)

 

Контактное давление PH=32,32х106Н/м2 (см табл. 1).

Изгибающий момент наединицу длины, возникающий за счет сил трения:

                           m = 4 m PH R2 = 12822960 Нм                                  (39)

Расчет длины участка проскальзываниябандажа относительно оси при изгибе:

                                        (40)

 

 

 

                                        (41)

                                         (42)

 

Определим прогибсоставного опорного валка, воспользуясь методикой, приведенной в работе [19],[22]. Расчетная схема приведена на рисунке 13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13 – Схема действующих усилий в осевомсечении бандажированного валка

 

Распределеннаянагрузка:

 

                                (43)

 

Изгибающий момент,действующий на валок в сечении [x=0]:

                   (44)

 

Перерезывающее усилие,действующие на валок в сечении [x=0]:

                          Q0 = q0 (l0 - l) = 10,23x106 Н                                       (45)

 

Определение прогиба при[х=0]:

 

                (46)

 

 

Угол поворота при [х=0]:

 

                         (47)

 

 

 

 

 

 

 

 

Интенсивность силывзаимодействия между осью и бандажом:

 

                                                (48)

 

                                                (49)

 

                                         (50)

 

                (51)

 

Определение прогибов длябандажа и оси в области проскальзывания:

 

 

 

 

(52)

 

 

 

 

 

           (53)

 

 

Углы поворота бандажа иоси:

 

 

 

       (54)

 

 

 

 

 

 

 

     (55)

 

 

 

 

Изгибающий момент набандаже и оси:

 

       (56)

 

 

           (57)

 

 

 

Перерезывающее усилие,действующее на бандаж и ось:

       (58)

                (59)

 

Сдвигбандажа относительно оси на краю бочки валка:

                           (60)

                            (61)

 

Прогибшейки валка:

                       (62)

                        (63)

                       (64)

 

Полныйпрогиб бандажированного валка:

                         y=yx + yш =0,000622 м = 0,622 мм                           (65) 

       

Как видно из результатоврасчетов, прогибы составного и сплошного валков под нагрузкой практическиодинаковы. Прогиб составного валка немногим более прогиба цельного (yсплошного = 0,474мм, yсост =0,622 мм). Это говорит о том, что жесткость составного валка ниже, вследствиечего бандаж может скользить относительно оси. Расчеты, в свою очередь,показали, что зона проскальзывания невелика и составляет всего 0,045 м. Навеличину зоны проскальзывания и жесткость валка в целом влияют окружныерастягивающие напряжения во втулке st (в соответствии срисунком 13).

Эксперименты, проводимыедля исследования жесткости составных прокатных валков [19] позволили увидеть,что наибольшие растягивающие напряжения stрасположены на внутреннем контуре бандажа в области его контакта с валом; этоуказывает на возрастание контактных давлений от посадки при изгибе валка.Установлено, что уменьшение относительного натяга снижает напряжение st. Следовательно,уменьшением натяга прессового соединения можно устранить разрушение бандажа,однако, это приводит к потере жесткости вала, ослабляет прессовое соединение,расширяет область проскальзывания бандажа и способствует фреттинг-коррозиипосадочной поверхности. Так как для расчетов выбрано минимальное значениенатяга (D=0,8мм), то для улучшения сцепления вала с бандажом нужно повысить коэффициенттрения на посадочной поверхности, например, при помощи нанесения металлическогопокрытия.

 

2.9 Разработка мероприятий для предотвращения фреттинг –коррозии на осадочных поверхностях и повышения поверхности валка

Фреттинг– коррозия – повреждение металлической поверхности в результате контактноготрения, при котором отделенные частицы и поверхностные слои взаимодействуют скомпонентами окружающей среды (наиболее часто с кислородом).

Известно,что при самых незначительных нагрузках на соприкасающихся поверхностях могутвозникать заметные повреждения поверхностных слоев от фреттинга. Это в полноймере относится и к составным прокатным валкам, собранным по посадке с натягом,в которых контактные давления достигают значительных величин и имеются зоныпроскальзывания, прилегающие к торцам бандажа. В местах сопряжения признакопеременных смещениях посадочных поверхностей оси и бандажа образуютсязадиры, количество которых увеличивается почти пропорционально напряжениюнатяга. В последствии они переходят в концентраторы напряжения, что вызываетускоренное усталостное разрушение оси, располагающейся на некотором расстоянииот торца бандажа по посадочной поверхности. Как правило, в конструкциях валков,где выражена фреттинг-коррозия, разрушение происходит здесь, а не по шейке. Сцелью уменьшения влияния этого процесса на торцах оси, выполняются разрушающиефаски, чтобы повысить надежность оси за счет снятия концентраторов напряжений,которые на краю сопряжения становятся равными нулю (рисунок 14).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок14 – Скосы на краю оси бандажированного валка

 

Однакобез специальных видов обработок посадочных поверхностей не удается избежатьполомок осей по этой причине. Наиболее эффективны в этом случае мягкиегальванические покрытия. Применение их значительно увеличивает площадьфактического контакта сопряжения. При этом в контакте сопрягаемых деталейвозникают прочные связи (схватывание металлов), благодаря чему поверхностиметалла сопрягаемых деталей защищаются от задиров и механических повреждений.При этом резко снижается вероятность образования остаточного прогиба, иувеличиваются предпосылки для многократного использования оси при сменныхбандажах [14].

2.10 Исследование влияния покрытий сопрягаемых покрытий нанесущую способность соединения ось – бандаж. Выбор материала и технологиинанесения покрытия.

Несущая способностьсоединения с натягом прямопропорциональна коэффициенту трения на посадочнойповерхности, который входит в основные расчетные формулы для определениянаибольших крутящих моментов и осевой силы. Коэффициент трения зависит отмногих факторов: давление на контактных поверхностях, размеров и профилямикронеровностей, материала и состояния сопрягающихся поверхностей, а такжеспособа сборки. Следует заметить, что для больших диаметров (d=500- 1000 мм) посадочных поверхностей и соответственно натягов (до 0,001 d),которые характерны для конструкции составных валков, какие-либоэкспериментальные данные по величине коэффициентов трения отсутствуют. Обычнопри расчетах составных валков, сборка которых осуществляется путем нагревабандажа до 300-400°С, коэффициент трения принимаютравным f=0,14.Такая осторожность и выбор весьма низкой величины коэффициента трения вполнеоправданы. Дело в том, что при больших значениях натяга (до 1 - 1,3 мм) влияниеисходной шероховатости поверхности и образующихся на ней при нагреве бандажаокисных пленок, увеличивающих коэффициент трения, может оказаться весьманезначительным.

В ряде работ [22, 23]указывается, что несущую способность соединений с натягом можно существенноповысить нанесением гальванических покрытий на одну из посадочных поверхностей.Толщина покрытий обычно составляет 0,01 – 0,02 мм. В среднем применениепокрытий повышает коэффициенты трений в полтора – четыре раза при всех способахсборки.

Повышение прочностисоединений с гальваническими покрытиями объясняется возникновениемметаллических связей в зоне контакта и увеличением фактической площади контакта. Выявлено, что мягкиегальванические покрытия даже в области малых давлений подвергаются пластическимдеформациям и заполнят впадины микропрофиля охватываемой детали, не вызывая егопластической деформации. Повышение прочности соединений вызывается тем, что вначальных момент смещения деталей, происходит одновременный срез большогоколичества микрообъемов покрытия неровностями охватываемой детали. Наиболееблагоприятное влияние на несущую способность цилиндрических соединений снатягом оказывают мягкие (анодные) покрытия (цинк, кадмий и др.). Ониспособствуют не только повышению прочности соединений, но и сопротивлениюусталости валов. Нанесение цинкового покрытия повышает предел выносливостивалов при круговом изгибе на 20% [23].

При нанесении покрытийнатяг в соединении возрастает. Обычно приращение натяга принимают равным удвоеннойтолщине покрытия, независимо от его вида. Следует заметить, что при большихнатягах и больших диаметрах соединения влияние толщины покрытия не столькосущественно.

Анализ результатов работ,в которых рассматривается влияние покрытий на несущую способность соединений снатягом дает основание полагать, что для составных валков наиболее подходитпокрытие из достаточно пластичных металлов. Нанесение таких покрытий напосадочную поверхность оси позволяет повысить коэффициент трения не менее чем в2 раза. При выборе метода и технологий покрытия будем руководствоватьсяследующими соображениями.

Существуют разнообразныеметоды нанесения металлических покрытий с целью предотвращения коррозии,высокой температуры, уменьшения износа и др. Практически все методы нанесенияпокрытий (горячий, электролитический, напыление, химическое осаждение и т.п.)требуют подготовки поверхностей, обычно включающей в себя обезжиривание,травление, химическое и электрохимическое полирование. Эти операции вредны дляобслуживающего персонала и, несмотря на тщательную очистку стоков, загрязняютокружающую среду.

Использованиеперечисленных методов для нанесения покрытия на ось составного прокатного валкадлиной около 5 метров представляет значительные технические трудности. Следуетзаметить, что в работах, где приводятся данные о влиянии покрытий накоэффициент трения, покрытия наносились электролитическим или горячим способомна небольшие образцы или модели прокатных валков [22]. Использование такихспособов для крупногабаритных валков потребует создания специальных отделенийили цехов. Представляется целесообразным фрикционные методы нанесения покрытий.Одни из наиболее простых и весьма эффективных является способ нанесенияпокрытия вращающейся металлической щеткой (ВМЩ, фрикционное плакирование) [24].При этом одновременно с нанесением покрытия происходит поверхностноепластическое деформирование (ППД), что будет способствовать повышениюусталостной прочности оси валка.

Схема одного из вариантовнанесения покрытия вращающейся металлической щеткой приведена на рисунке 14.

Материал покрытия (МП)прижимается к ворсу ВМЩ и разогревается в зоне контакта с ней до высокойтемпературы с ней. Частички металла покрытия схватываются с концами ворсинок ипереносятся на обрабатываемую поверхность. Поверхность обрабатываемого изделияупрочняется за счет интенсивного пластического деформирования гибкими упругимиэлементами. Одновременно происходит пластическое деформирование частиц металлапокрытия, находящихся на концах ворсинок и схватывание их с поверхностьюизделия. Удаление окисных пленок, обнажение чистых поверхностей при совместнойпластической деформации поверхностных слоев и частичек материала покрытияобеспечивает прочное сцепление их с основой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14 – Схема нанесенияпокрытия методом фрикционного плакирования (ФП)

1-      заготовка из материала покрытия (МП)

2-      инструмент с гибкими упругими элементами (ВМЩ)

3-      обрабатываемое изделие (ось составного валка)

 

Покрытие, котороенаносится на посадочную поверхность оси прокатного валка должно обладатьследующими свойствами: существенно увеличивать коэффициент трения, бытьдостаточно пластичным и заполнять впадины микропрофиля, обладать хорошейтеплопроводностью. Этим требованиям может отвечать алюминий. Он хорошонаносится на стальную поверхность с помощью ВМЩ и образует покрытие достаточнойтолщины. Однако ответ на главный вопрос – о величине коэффициента трения всоединении с натягом, одна из сопрягаемых поверхностей которого покрытаалюминием, в технической литературе отсутствует. Цилиндрические сопряжения изматериалов сталь – алюминий, собранные по посадке с натягом, также не известны,так как чистый алюминий из-за низких прочных характеристик не применяется вкачестве конструкционного материала. Однако есть данные о коэффициентах тренияпри пластическом деформировании металлов (таблица 10) [25].

 

Таблица10 – Коэффициенты сухого трения различных металлов по стали марки ЭХ-12твердостью НВ-650

Металл

Медь

Цинк

Латунь Л-59

Алюминий

Никель

Свинец

Кадмий

Олово

Среднеезначение коэффициента трения

0,36

0,39

0,44

0,97

0,32

0,33

0,24

0,18

 

Как следует из таблицы10, алюминий в условиях пластического деформирования имеет максимальныйкоэффициент трения в контакте с остальной поверхностью. Кроме того,  у алюминия очень высокая теплопроводность. Этифакторы и послужили причиной выбора алюминия в качестве материала покрытияохватываемой поверхности оси валка.

 

2.11 Выбор материала осии бандажа и способы их термообработки

При выборе материала составных валков следуетучитывать термомеханические условия их службы. Валки подвергаются значительнымстатическим и ударным нагрузкам, а также термическому воздействию. При такихжестких условиях работы весьма затруднительно подобрать материал,обеспечивающий одновременно высокую прочность и износостойкость.

К бочке валка и егосердцевине предъявляются различные требования. Сердцевина должна обладатьдостаточной вязкостью и прочностью, хорошо сопротивляться действию изгибающих,крутящих моментов и ударным нагрузкам. Поверхность бочки должна обладатьдостаточной твердостью, износостойкостью, термостойкостью.

Ось валкаизготавливается из стали 9ХФ, бандаж валка – 150ХНМ, исходя из опытаиспользования этой стали в изготовлении бандажей составных валков на ОАО ММК.Предлагается в качестве материала бандажа использовать более легированную сталь– 35Х5НМФ, которая обладает более высокой износостойкостью в сравнении с150ХНМ. Данные по износостойкости валковых материалов в условиях горячейпрокатки [26] представлены в таблице 11.

 

Таблица 11 – Механические свойства и износостойкостьвалковых материалов.

Марка стали

Примерныйхимический состав

Механическиесвойства

Относительнаяизносостойкость

Твердость

sВ, кг/см2

sт, кг/см2

9ХФ

0,08-0,9%С, 0,15-0,3%V, 0,15-0,35%Si, 0,3-0,6Mn, 0,4-0,6%Cr, S, P£0,03%

50…69HSD

88

160

1,48

60ХН

0,5-0,6%C, Ni£1,5%, S, P£0,03%

248HB

80

155

1,05

150ХНМ

1,4-1,6%C, 0,8-1,2%Ni, 0,5-0,8%Mn, 0,25-0,5%Si,0,9-1.25%Cr, S, P£0,04%

363HB

64

100

1,8

35Х5НМФ

0,3-0,4%C, 5%Cr, Ni£1,5%, Mn£1,5%, Y£1,5%, S, P£0,04

63…70HSD

16

98-128

3,0

 

Из таблицы следует, что стали 60ХН 9ХН, которыеиспользуются в основном для вертикальных и горизонтальных валков черновойгруппы, обладают самой низкой относительной износостойкостью, что иподтверждается опытом их эксплуатации. Но эти стали по своим характеристикам вполнеподходят для изготовления осей составных валков. Для изготовления литыхбандажей представляется целесообразным использовать стали 150ХНМ 35Х5НМФ.

35Х5НМФ имеет болеевысокую стоимость по сравнению с 150ХНМ, но, обладая значительной прочностью иизносостойкостью, в процессе эксплуатации оправдывает себя, так как,обеспечивая повышенную сопротивляемость износу и выкрашиванию, дольше сохраняетхорошую структуру поверхности бочки валка.

Для придания бандажами осям необходимых эксплуатационных свойств они вначале отдельнотермообрабатываются. Затем бандаж, нагретый до определенной температуры,обеспечивающей достаточно свободное надевание на профилированную ось, образуютпрессовую посадку (во время охлаждения происходит охватывание оси).

Данные технологическиеоперации приводят к формированию в бандаже значительных остаточных напряженийот термообработки. Известны случаи, когда вследствие высокого уровня указанныхнапряжений бандажи разрушались еще до начала эксплуатации: при хранении илитранспортировке.

По условиямэксплуатации к осям не предъявляются высокие требования по твердости (230¸280HB), в то время как для бандажей требования более жесткие (55¸88HSD). В связи с этим для осей применяется более мягкая посравнению с бандажами термическая обработка, не приводящая к возникновениюсущественных остаточных напряжений [27]. Кроме того, опасные с точки зренияхрупкой прочности растягивающие напряжения от посадки возникают только вбандаже, в результате чего может происходить излом вдоль бочки валка.

Как показывает опыттермообработки этих сталей при изготовлении бандажей, наиболее эффективнойобработкой является тройная нормализация с температур 1050°С, 850°С и 900°С с последующим отпуском,обеспечивающие наиболее благоприятное сочетание пластических и прочностныххарактеристик.

Тройная нормализацияприводит к сохранению наследственной литой структуры и способствуетраспределению свойств, обеспечивающих повышенную сопротивляемость износу ивыкрашиванию.

Ось валкаизготавливается из отработанного валка. После переточки до необходимых размеровна посадочную поверхность оси фрикционным методом наносится алюминиевоепокрытие, толщиной примерно 20-25 мкм. Окончательная обработка посадочнойповерхности перед нанесением покрытия – чистое шлифование.

Тепловая сборка существенно(в среднем 1,2-1,5 раза) увеличивает несущую способность соединений с натягом.Это объясняется тем, что при сборке под прессом микронеровности сминаются, в товремя как при тепловой сборке они, смыкаясь, заходят в друг друга, что повышаеткоэффициент трения и прочность сцепления. В данном случае, частицы покрытияпроникают как в поверхность оси, так и бандажа, происходит взаимная диффузияатомов покрытия и основного металла, что делает соединение практическимонолитным.

Поэтому в соединенииможно снизить натяг, необходимый для передачи заданного крутящего момента, ссоответствующим уменьшением напряжений в оси и бандаже.

При достаточновысоком нагреве бандажа можно получить нулевой натяг  или обеспечить зазор при сборке соединения.Рекомендуемая температура нагрева бандажа перед сборкой валка – 380°С-400°С. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3          Рекомендации по замене использованных бандажей

 

Возможны следующие способы заменыизношенных бандажей:

1.                     Механические– вдоль образующей бандажа на всю его толщину делаются две прорези на строгальном или фрезерном станке, в результатечего бандаж разделяется на две половины, которые легко демонтируются. Прорезирасполагаются диаметрально противоположно одна относительно другой.

2.                     Нагревбандажа в индукторе токам промышленной частоты (ТПЧ) – производится нагревбандажа до 400°С-450°С. такая температура достигается за три-четыре перехода  индуктора в течении 15-20 минут. При нагревебандажа по сечению до указанной температуры, он спадает с посадочнойповерхности.

3.                     Демонтажбандажа с помощью взрыва – такая технология применялась на ММК еще в 50-х годахпрошлого века. В 1953 г. стан 1450 горячей прокатки полностью перевели насоставные опорные валки. Изношенные бандажи снимаются с оси взрывом небольшихзарядов, закладываемых в просверленные отверстия. Такая технология возможна вусловиях г. Магнитогорска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4          Экономическоеобоснование проекта

 

ОАО «ММК» - крупнейший металлургический комбинат нашей страны. Егоосновной задачей является полное удовлетворение потребностей рынка в высококачественноойпродукции. Цех ЛПЦ –4 входит в состав ММК, котрый является акционерным обществом. Развитие комбината не стоитна месте: совершенствуются методы обработки металла, внедряются в жизнь новыеидеи, закупается современное оборудование.

Модернизация стана 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК» осуществляется путем заменыцельных валков на бандажированные. Стоимость одного бандажированного валкасоставляет 1,8 млн. руб., при этом годовой расход валков 10 шт. Стоимостьбандажированных валков составляет 60% от стоимости цельных, при этом за счетприменения для бандажа более износостойкого материала годовой расход валковуменьшиться в 1,6 раза и составит 6 шт. в год.

 

4.1 Расчет производственной программы

Составление производственной программы начинается с расчета баланса времениработы оборудования в планируемом периоде [28].

Фактическое время работы оборудования рассчитывается по формуле:

                          Тфном*С*Тс*(1-Тт.пр/100%)                               (66)

где С=2 – количество смен работы оборудования,

Тс=12 – продолжительность одной смены,

Тт.пр – процент текущих простоев по отношению к номинальному времени (8,10%),

Тном – номинальное время работы оборудования, рассчитываемое по формуле:

                                  Тномкалрпп.прв                                         (67)

где Ткал=365 сут. – календарный фонд времени работы оборудования,

Трп=18,8 сут. – режимные простои;



Страниц (5):  [1] 2 3 4 5

 


Быстрый хостинг
Быстрый хостинг - Скорость современного online бизнеса

 

Яндекс.Метрика

Load MainLink_Second mode.Simple v3.0:
Select now URL.REQUEST_URI: webknow.ru%2Fmetallurgija_00003.html
Char set: data_second: Try get by Socet: webknow.ru%2Fmetallurgija_00003.html&d=1
					  

Google

На главную Авиация и космонавтика Административное право
Арбитражный процесс Архитектура Астрология
Астрономия Банковское дело Безопасность жизнедеятельности
Биографии Биология Биология и химия
Ботаника и сельское хозяйство Бухгалтерский учет и аудит Валютные отношения
Ветеринария Военная кафедра География
Геодезия Геология Геополитика
Государство и право Гражданское право и процесс Делопроизводство
Деньги и кредит Естествознание Журналистика
Зоология Издательское дело и полиграфия Инвестиции
Иностранный язык Информатика, программирование Исторические личности
История История техники Кибернетика
Коммуникации и связь Косметология Краткое содержание произведений
Криминалистика Криптология Кулинария
Культура и искусство Культурология Литература и русский язык
Литература зарубежная Логика Логистика
Маркетинг Математика Медицина, здоровье
Международное публичное право Частное право Отношения
Менеджмент Металлургия Москвоведение
Музыка Муниципальное право Налоги
Наука и техника Новейшая история Разное
Педагогика Политология Право
Предпринимательство Промышленность Психология
Психология, педагогика Радиоэлектроника Реклама
Религия и мифология Риторика Сексология
Социология Статистика Страхование
Строительство Схемотехника Таможенная система
Теория государства и права Теория организации Теплотехника
Технология Транспорт Трудовое право
Туризм Уголовное право и процесс Управление
Физика Физкультура и спорт Философия
Финансы Химия Хозяйственное право
Цифровые устройства Экологическое право Экология
Экономика Экономико-математическое моделирование Экономическая география
Экономическая теория Этика Юриспруденция
Языковедение Языкознание, филология

design by BINAR Design