Теоретическое и экспериментальное исследование нагрузок главной линии пильгерстана

Технология трубопрокатных агрегатов с пилигримовым станом в производстве труб появилась порядка 120 лет назад. Такое оборудование до сих пор используется на трубных предприятиях. В мире эксплуатируются около 50 трубопрокатных установок с пилигримовыми станами, 12 из которых производят трубы диаметром более 406 мм [1].

В технической литературе с достаточной полнотой рассмотрен технологический процесс и энергосиловые характеристики периодической горячей прокатки труб на пилигримовых станах, называемых также пильгерстанами. В известных работах отечественных ученых представлены силовые условия процесса деформации заготовки, позволяющие определить усилия и моменты при прокатке в зависимости от заданных характеристик процесса, параметров инструмента и свойств деформируемого металла. Однако существует значительный дефицит информации о работоспособности оборудования пильгерстанов. В этом плане большой интерес представляют сведения о нагруженности главной линии, в частности крутящие моменты и их соотношения на шпинделях рабочих валков с учетом динамических нагрузок. Тяжелый динамический режим работы основного оборудования, необходимость расширения сортамента, марок стали и типоразмеров заказываемых труб, совершенствование технологии, в том числе уточнение коэффициентов обжатия и вытяжек, определяют необходимость прогнозной оценки работоспособности оборудования. В этих условиях была поставлена задача широкого изучения энергосиловых фактических характеристик стана путем натурных замеров на существующих маршрутах прокатки.

Главный приводной механизм таких станов включает в себя электродвигатель постоянного тока, снабженный массивным маховиком для защиты от пиковых нагрузок, и сообщающий движение валкам одновременно каждой из двух рабочих клетей через коренной вал, шестеренные клети и карданные универсальные шпиндели. Периодический динамический характер взаимодействия валков с заготовкой существенно влияет на характер нагружения шпинделей. Наличие больших маховых масс основного приводного механизма валков, значительные мощности холостого хода и влияние массивного маховика исключают реальную оценку нагруженности каждого из шпинделей по электрическим показателям главного двигателя. В связи с этим выполнены тензометрические замеры крутящих моментов на каждом из двух шпинделей при прокатке труб из конструкционных и легированных сталей по характерным маршрутам. Синхронная запись результатов измерений крутящих моментов на шпинделях рабочих валков и характеристик подающего аппарата является основанием для определения условий циклического взаимодействия основных исполнительных механизмов и поиска рациональных управляющих параметров.

В установившемся процессе пилигримовой прокатки за каждый оборот валков осуществляется полный цикл обжатия шаговой части заготовки. При этом согласно данным работ [1, 2], изменение момента при прокатке имеет куполообразный характер, а максимальные значения достигаются в конце обжимного участка при угле поворота валков на 0,45-0,60 рад, превышая начальные значения на 15-20%. Однако практические измерения крутящих моментов на шпинделях рабочих валков каждой из двух клетей показали существенные отличия, как в характере изменения, так и в начальных значениях крутящих моментов, зарегистрированных с помощью тензодатчиков, от моментов, которые рассчитываются из условия взаимодействия формообразующей поверхности рабочих валков с прокатываемым металлом.

В процессе испытаний было прокатано несколько десятков заготовок из различных сталей по семи маршрутам прокатки с одновременной регистрацией усилий и напряжений на валах шпинделей, на штоке подающего аппарата, а также давления в тормозной камере подающего аппарата. Прокатка на пильгерстане осуществлялась при углах кантовки гильзы 70°-75° с подачей за цикл около 15-20 мм.

Анализ результатов исследования свидетельствует о том, что максимальные значения крутящих моментов имеют нестационарный характер в период установившегося процесса прокатки [3]. При прокатке заготовки из нержавеющей стали математическое ожидание максимального крутящего момента на нижнем, наиболее нагруженном шпинделе по 113 циклам (затравочный режим был исключен) составило 1630 кН&#;м при общем диапазоне изменений моментов от 500 до 2350 кН&#;м. Из результатов измерений следует, что крутящие моменты существенно изменялись в процессе установившегося режима прокатки (от 600 кН&#;м в начале до 2325 кН&#;м в конце) на нижнем шпинделе и от 500 до 1690 кН&#;м – на верхнем шпинделе. При этом 75% максимальных значений приходятся на диапазон 1300-2100 кН&#;м и 50% случаев – на диапазон 1600-2100 кН&#;м. Случаи превышения максимальных значений крутящих моментов значений 1700 кН&#;м составили 37% и только 14% зарегистрированных на нижнем шпинделе не превышали 1000 кН&#;м. Завышенные значения крутящих моментов приходятся на последнюю треть периода прокатки, что можно отнести к снижению температуры за время прокатки одной гильзы.

Выполнена сравнительная оценка предельно допустимых нагрузок по условию усталостной прочности шпиндельных узлов со значениями крутящих моментов, зарегистрированных при прокатке труб по характерным маршрутам. Показано, что по условию длительной усталостной прочности предельно допустимые нагрузки применяемых универсальных шпинделей рабочей клети не должны превышать 1600 кН&#;м. Эти значения положены в основу настройки предохранительных устройств и разработаны рекомендации по дальнейшему увеличению нагрузочной способности соединительных валов.

При пилигримовой прокатке бесшовных труб цикл деформации гильзы периодически осуществляется за один оборот валков с переменным радиусом калибра, причем направление вращения валков противоположно направлению подачи гильзы, т.е. особенно важно теоретически оценить условия захвата металла валками, закономерности формирования мгновенного очага деформации, и изменения скорости перемещения гильзы, а также уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана. Отсутствие точного метода определения параметров мгновенного очага деформации при пилигримовой прокатке затрудняет оценку имеющихся приближенных решений.

Уравнение движения гильзы при её захвате имеет вид:

, (1)

где – вес гильзы и дорна, кН;

– скорость перемещения гильзы, м/с;

– переменный радиус бойковой части валка, м;

– дуга соприкосновения металла с валками, рад;

– касательное контактное сопротивление, МПа;

– нормальное напряжение, МПа;

– угол захвата, рад.

Скорость гильзы и угол связаны зависимостью [2]:

, (2)

Подставив зависимость (2) в уравнение (1) получим дифференциальное уравнение для :

, (3)

где , (4)

Общее решение уравнения (3) имеет вид

.

Начальные условия: , , ,

где – угловая скорость валка, 1/с.

С учетом начальных условий зависимость для определения дуги соприкосновения металла с валками принимает вид:

, (5)

отсюда

. (6)

С учетом (6) зависимость для определения скорости гильзы принимает вид:

. (7)

Расчет параметров механической системы пилигримового стана показал, что отношение массы якоря двигателя и маховика к суммарной массе системы, которое называют коэффициентом распределения масс, близка к единице. В связи с этим амплитуда колебаний якоря и маховика в десятки раз меньше амплитуды колебаний валка, а переходный процесс захвата гильзы валками может без больших погрешностей рассматриваться как упругие колебания приведенной массы валка относительно якоря двигателя и маховика, вращающихся с постоянной скоростью.

Для одномассовой расчетной модели дифференциальное уравнение движения валка при наличии упругой связи в переходной стадии захвата имеет вид:

, (8)

где – момент инерции валка, т·м² (кН·м·с²);

– угол поворота валка, рад;

– угловое ускорение валка, с^-2;

– жесткость упругой связи, кН·м.

Подставив из (5) в уравнение (8) получим:

, (9)

, (10)

где , с^-1; , с^-2. (11)

Общее решение дифференциального уравнения (10):

. (12)

С учетом начальных условий: , , , решение уравнения (10) принимает вид:

. (13)

Динамический момент крутильных колебаний

. (14)

Заключение

На основе теоретического исследования динамики захвата гильзы валками пилигримового стана разработана методика расчета максимальных динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана, при мгновенном приложении нагрузки.

Выполненные измерения позволили установить значения показателей работы исполнительных и приводных устройств пильгерстана, дать их оценку и выработать рекомендации о направлениях совершенствования оборудования, настройки и управления станом.

Литература:

1. Шевакин Ю.Ф., Коликов А.П., Райков Ю.Н. Производство труб. М.: Интермет Инжиниринг, 2005. 564 с.

2. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургиздат, 1962. 494 с.

3. Измерение нагрузок на шпинделях валков пильгерстана / Чечулин Ю.Б. [и др.] // Металлург. 2007. №6. С.47-49.