Пути снижения динамических нагрузок в приводах прокатных станов

УДК 621.771.01

Н. С. Сембаев, Р. С. Кузеванов, А. Х. Сидиков

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгыровa, г. Павлодар

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ПРИВОДАХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

В статье приведены экспериментальные данные о способах устранения или снижения динамических нагрузок в приводах прокатных станов.

Ключевые слова: динамические нагрузки, привод, прокатные станы, эксплуатация, оборудование, зазор.

Различными авторами многократно рассматривалась проблема ликвидации или снижения динамических нагрузок прокатных станов. При этом абсолютно все авторы работ стоят на позиции, что эти характеристики являются следствием несовершенства приводов, на которых дополнительно накладываются собственные упругие колебания клетей. Поэтому меры по снижению динамических колебаний сводятся в основном в уменьшении зазоров в редукторах, шестеренных клетях, шпинделях, подшипниках, нажимных винтах [1,2,3]. Следует отметить, что все эти мероприятия не всегда обоснованы и не могут в полной мере отвечать поставленной задаче.

Опыт эксплуатации станов подтверждает, что большинство аварий происходит вследствие больших динамических нагрузок колебательного характера, возникающих при неустановившихся и неустойчивых режимах работы, а также в связи с возможными нарушениями правил технической эксплуатации оборудования, ведущих к чрезмерным повышениям технологических сопротивлений при прокатке (прокатка охлажденного металла, ошибочно завышенное обжатие и др.).

Рассмотрим основные способы устранения или снижения динамических нагрузок. Из практики эксплуатации прокатных станов известно, что зазоры в шпиндельных соединениях быстро прогрессируют в результате износа плоскостей вкладышей шарниров. Поэтому важно исследовать, как изменяются динамические нагрузки в главной линии при увеличении зазоров. На рисунке 1 показан пример осциллограммы, на которой хорошо видны колебания моментов сил упругости в соединительном шпинделе до начала захвата металла валками вследствие ударов в зазорах при пуске привода [4].

С

М - момент сил упругости в шпинделе; i - ток электродвигателя; ш - скорость вращения электродвигателя.

Рисунок 1 - Осциллограмма параметров прокатки на блюминге 1000,

во время пуска стана

Одна из противоаварийных мер данного процесса связана во-первых, необходимостью частой замены этих элементов во избежание их преждевременной усталости; во-вторых, электрическая защита с ограничением силы тока двигателя не избавляет привод от мгновенных перегрузок, так как продолжительность нарастания динамического характера моментов во много раз меньше времени срабатывания электрозащиты [1,5]. Снижение динамических нагрузок в результате воздействия на процесс прокатки можно достичь следующими путями:

- снижением скорости валков при захвате;

- увеличением времени захвата за счет обрезания переднего конца полосы по углообразному или шевронному контурам;

- увеличением интервала времени между выходом очередной полосы и задачей следующей с тем;

- чтобы свободные колебания, затухая за это время, не накладывались на захват следующей полосы.

Достаточно большое снижение скорости валков перед захватом позволяет избежать поломки в приводе, даже в случае аварийной перегрузки из-за чрезмерного обжатия, образования складки и т. д. Во многих исследованиях, посвященных, решению данной проблемы определяются только приближенные значения скорости. Которая основана на допущении полного перехода кинетической энергии вращающихся масс в потенциальную энергию упругой деформации элементов привода:

где Мдин , - максимально допустимый динамический момент, приведенный к соответствующему валу;

I,, - длина закручиваемого участка вала; G - модуль упругости при сдвиге;

]р1 ^ 3пр — полярный момент инерции i-того вала и сумма моментов инерции деталей привода, приведенных к рабочим валкам.

Иной путь решения той же задачи заключается в использовании дополнительных упругих элементов с требуемыми характеристиками жесткости. Например, при нагрузках ударного характера предпочтительна нелинейная упругая связь с выпуклой характеристикой момента (с затухающей жесткостью). Амортизаторы с такой характеристикой применяются в механизмах автомобилей, экскаваторов, тепловозов, редукторов авиационных двигателей и т. п.

До 40-х годов в прокатном оборудовании довольно широко применяли амортизаторы с нарастающей характеристикой момента и жесткости в виде коренных муфт типа Бибби, которые в последующие 10-15 лет были заменены зубчатыми [6]. В качестве специального конструктивного приема, направленного на избирательную защиту части деталей или узлов привода, отметим метод так называемого инерционного демпфирования - фильтрации колебаний высокой частоты путем введения в систему больших масс, обеспечивающих низкую частоту. Такой метод был применен для предотвращения поломок спиц ротора двигателя пилигримового стана. В данном случае большие динамические нагрузки (спицы ротора передавали момент, почти в шесть раз превышающий момент прокатки) возникали из-за ударов гильзы о валки, а также вследствие близости значений частот собственных колебаний, приводящей к биениям. Суть использования данного метода состояла в закреплении ротора на общей ступице с маховиком. Связь ротора с главной линией через массу маховика, которая стала своеобразным фильтром высокочастотных колебаний, согласно исследованиям на электронной модели, привела к снижению коэффициента динамичности в спицах ротора с 3,3-5,9 до 1,03-2,04 соответственно при отсутствии или наличии удара гильзы о валки.

Отметим еще один широко известный способ снижения динамичности, основанный на введении в систему демпфирующих элементов и устройств, поглощающих энергию колебаний за счет внутреннего трения. Причем эти устройства могут выполняться и с комбинированными свойствами - упруго-демпфирующими. В прокатном оборудовании демпферы не применяют: опробованные материалы (резина, капрон и др.) не имели достаточной прочности и возникали большие трудности с отводом тепла из-за малой теплопроводности.

Общее соображение, характеризующее трудности в создании амортизаторов и демпферов, заключается в том, что эффективное выполнение ими своих функций возможно лишь при условии достаточно большого углового хода. С этой точки зрения, путь простого удлинения трансмиссии привода практически более доступен. Однако, сохраняющаяся при этом линейная характеристика упругости уже не является идеальной, а большой угол рабочего хода достигается ценой значительного увеличения осевых габаритов привода - даже в случае многомоторного привода, позволяющего часть толстого вала расчленять на несколько более тонких с соответственно большей податливостью.

Поэтому проблема поиска конструкций амортизаторов и демпферов на большие моменты считается актуальной. Представляется, что для условий весьма больших моментов более перспективен поиск конструкций гидравлического типа - с чисто демпфирующими или упруго - демпфирующими функциями, тогда как для меньших моментов могут оказаться более оправданными амортизаторы с предварительно напряженными элементами (предварительно сжатая резина или полиуретан).

Согласно исследованиям [1,7,8], фактические нагрузки в деталях привода при наличии зазоров могут иногда превышать статические в 3 - 8 раз, тогда как известно, что при отсутствии зазоров эта величина невелика; например, для двухмассовой системы она не более двукратной. Более универсальной мерой предупреждения ударных замыканий зазоров может явиться метод предварительного их выбора с помощью специально создаваемого противомомента, прикладываемого к рабочим валкам, перед захватом очередной полосы.

Целью данного исследования являлось выявление качественной картины эффекта снижения динамических нагрузок в результате предупреждения ударного замыкания зазоров с помощью противомомента. Противомомент величиной примерно до 100Н м создавался дисковыми тормозами на неприводных концах рабочих валков. Большие значения, примерно до 300-400 Н-м, достигались установкой дополнительных тормозных колодок, прижимаемых к бочкам рабочих валков.

Результаты исследования, приведенные на осциллограммах (рисунок 2), показывают большую эффективность указанного метода снижения динамических нагрузок. В диапазоне скоростей ш = 10 ^ 25 1/с коэффициент динамичности снижался на 20-35%. Еще больший эффект наблюдается при прокатке с малыми пазами, подобной, например, сдвоенной прокатке слитков на обжимных станах. Таким образом, согласно результатам исследования можно достичь предупреждение раскрытия зазоров, вызванного резким сбросом нагрузки, и последующего ударного замыкания их при захвате приводит к уменьшению динамических колебаний в системе.

Рисунок 2 - Сравнительные осциллограммы моментов на шпинделях без выбора

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Иванченко, Ф. К., Полухин, П. И., Тылкин, М. А., Полухин,

В. П. Динамика и прочность прокатного оборудования. - М. : Металлургия, 1970. - 486 с.

2 Кожевников, С. Н., Скичко, П. Я., Ленский, А. Н. и др. Динамика металлургических машин. - М. : Металлургия, 1969.

3 Лехов, О. С. Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов.

- М. : Машиностроение, 1975. - 184 с.

4 Королев, А. А., Когос, А. М., Токарский, А. П., Носаль, В. В. и др. Блюминг 1000. - М. : Машгиз, 1955. - 272 с.

5 Соколов, Л. Д., Гребенник, В. М., Тылкин, М. А. Исследование прокатного оборудования. - М. : Металлургия, 1964. - 487 с.

6 Кожевников, С. Н., Скичко, П. Я., Леепа, И. И. Динамика машин. - М. : Наука, 1974.

7 Иванченко, Ф. К., Красношапка, В. А. Динамика металлургических машин.

- М. : Металлургия, 1983. - 294 с.

8 Адамия, Р. Ш. Оптимизация динамических нагрузок прокатных станов.

- М.: Металлургия, 1978. - 232 с.

Материал поступил в редакцию 15.12.14.

Н. С. Сембаев, Р. С. Кузеванов, А. Х. Сидиков

Илемдеу орнактарынын жетектершде динамикалык жYктемелердi темендетудщ жолдары

С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к. Материал 15.12.14 баспаFа тYстi.

N. S. Sembayev , R. S. Kuzevanov , A. H. Sidikov Ways to reduce dynamic loads in drives of rolling mills

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 15.12.14.

Макрлада илемдеу орнактарыныц жетектершде динамикалык, жуктемелерхИ твмендету немесе жою эдютертщ сараптамалык (тэжiрибелiк) мэлiметтерi келтiрiлген.

The article presents experimental data on the methods of elimination and reduction of dynamic in the drives of rolling mills.