2.3.4 Нагрузки в клети и приводах

Прокатные валки являются основным технологическим инструментом каждого прокатного стана и предназначены для выполнения пластической деформации металла в процессе изготовления проката. При деформации металла вращающиеся валки воспринимают усилие прокатки, действующее на валки со стороны металла, подвергаемого обжатию, и передают это усилие на подшипниковые опоры валков. Значимость валков в производстве проката первостепенна, так как от качества валков зависит качество готового проката и производительность стана.

Принятый режим обжатий заготовки, необходимое качество проката, стойкость валков в значительной мере зависят от материала, из которого изготовлены валки. В зависимости от материала валки бывают чугунные и стальные. Основанием для выбора материала является назначение стана и условия эксплуатации валков.

К валкам, особенно листовым, предъявляют следующие требования:

- шейки и бочка валка должны обладать высокой прочностью (прочность характеризуется способностью валков воспринимать рабочие усилия без разрушения);

- поверхность бочки валка должна иметь высокую жесткость (способность валков сопротивляться упругому деформированию под действием рабочих усилий);

- износостойкость (чтобы сохранять заданный профиль валка длительное время);

- поверхность бочки валка должна быть устойчивой к термической усталости, к образованию сетки разгара, от чего зависит качество поверхности проката;

- поверхностный слой бочки валка должен выдерживать большие удельные давления;

В каждом конкретном случае в зависимости от назначения стана и условий эксплуатации валки делают из материала, обладающего свойством, являющимся в данном случае основным. В зависимости от условий прокатки, сортамента и требований к качеству проката валки для листовых станов горячей прокатки изготовляют стальными или чугунными. Рабочие валки изготовляют цельноковаными или литыми, а опорные – цельноковаными, литыми или составными с кованым или литым бандажом и кованой осью. Применяют сталь следующих марок: 45ХНМ, 60ХН, 90ХМФ, 150ХНМ, 75ХМ, 45Х2СВ2МФ. Чугунные валки для листовых станов горячей прокатки изготовляют литыми их нелегированного чугуна с пластинчатым (ЛП) и шаровидным (ЛШ) графитом и из легированного чугуна с пластинчатым графитом (ЛПХН). Если чугун легирован молибденом или только никелем, то после первых двух букв идут соответственно М или Н. Применяют чугунные валки марок ЛПХНМ_д77, ЛП57, ЛШМ58, ЛШ57.

Цифры после буквенных обозначений типа валка означают пределы твердости по Шору для валков в состоянии поставки. Для повышения износостойкости валков при сохранении требуемой прочности применяют отбеливание (закалку) поверхностного слоя чугунных валков, а для остальных валков применяют поверхностный наклёп или закалку и наплавку поверхности износостойкими сплавами.

Основными размерами валка являются диаметры шейки и бочки валка, а также их длина. Длина бочки обычно больше максимального размера листа на 300 - 400 мм.

Основные размеры рабочих валков клети три «2850»:

диаметр верхнего и нижнего валков 910 мм

длина бочки 2850 мм

диаметр шейки 640 мм

длина шейки 695 мм

диаметр среднего валка 650 мм

диаметр шейки 400 мм

длина шейки 710мм

материал верхнего и среднего валка чугун

материал нижнего валка сталь

Приемка валков производится старшим мастером стана на основании паспорта валка, акта технической приемки их на заводе изготовители и технических условий на поставку валков.

Эксплуатация валков

Валки стана работают на подшипниках скольжения из цельнопрессованного текстолита, охлаждение валков производится водой, смазка подается густая с автоматической станции. Прокатка осуществляется на одноклетьевом трехвалковом стане горячей прокатки Трио-Лаута «2850»

Привод от 2-х электродвигателей мощностью 2300 кВт. Предусмотрены подъемнокачающие столы. Длина стола 6570 мм, время подъема стола - 2с.

Температура прокатки должна быть не менее 1180⁰С и 1150⁰С соответственно для слитков и сляб. Температура для стали 30ХГСА - 1180⁰ - 1200⁰С.

Для стали 20Х - 1180⁰- 1200⁰С и стали 45. Температура конца прокатки: для стали марки 30ГСА не менее 850⁰С; для стали марки 45 не менее 850⁰С; для стали марки 20Х не менее 970-950⁰С.

Замер температуры производится у каждого раската. Охлаждение производится для каждой марки стали, где свои режимы охлаждения, что показано в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Выписка из технологической инструкции и стандартов

Марка стали	Толщина проката, мм	Режим охлаждения	Температура конца прокатки, 0С	Толщина порезки листов, мм	Примечание
Ст 3 сп	8-100	Под душир. установкой	Не более 1000	8 – 32**	ТИ-123-1п-01-2004
45	13-100	Душир. уст. ОТК, стопа	Не менее 850	13 – 20**	ТИ-123-1п-01-2004
09Г2С, 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С	10 - 100	Свыше12мм Душировать 650 – 7000С	Не более 900	10 – 30**	ТИ-123-1п-04-2004
09Г2С-315	20 - 60	Свыше12мм Душировать 625 – 7000С стопа	Не более 850*	до 30**	ГОСТ-19281 ТИ-123-1п-04-2003
09Г2С-325	10 – 20вкл.	Свыше12мм Душировать 650 – 7000С стопа	Не более 850*	до 20**	ГОСТ-19281 ТИ-123-1п-04-2004
30ХГСА	От 12 до 60	Душир. уст. ОТК, стопа	Не менее 850	до 18**вкл.	ГОСТ-11269 ТИ-123-1п-06-2004
40Х, 65Г	От 10 до 80	Душир. уст. ОТК, стопа	Не менее 850	до 20**вкл.	ГОСТ-1577 ТИ-123-1п-06-2004
10ХСНД	10 - 100	Душир. до не более 6500С	Не более 830	до 30**вкл.	ГОСТ-19281 ТЗ-1п-07-2004
*Для достижения данной температуры раскат подстуживают на рольганге до 9000С за три прохода до конца прокатки(проглаживающий). В последнем проходе относительное обжатие не менее 10%
**Свыше данных толщин применять огневую резку

Конструкция и размеры валков

Основными конструктивными элементами прокатного стана является: бочка - основной элемент, непосредственно соприкасающийся с прокатываемом металлом; шейки, служащие для опоры валков на подшипники; приводные конусы, через которые к валку приводится крутящий момент. Принимаем следующие валки клети трио стана «2850» горячей прокатки, как показано на рисунке 2.12. Конструктивные размеры валков устанавливают, приблизительно опираясь на методические указания. Главным размером валков у листовых станов является длина бочки (L). Она определяется максимальной шириной прокатываемого листа (b_maх).

R

1 d D

R L l

2

d D

L l

1 средний валок с цилиндрическими шейками для подшипников скольжения;

2 верхний и нижний валок с цилиндрическими шейками для подшипников скольжения

Рисунок 2.12 - Валки рабочей клети стана «2850» горячей прокатки

При проверке на прочность валок рассматривают как балку, лежащую на двух опорах, с расстоянием между ними равным расстоянию между осями нажимных винтов, что показано на рисунке 2.13.

Бочка. Максимальное напряжение изгиба по середине бочки [3]:

, Н/мм²,

где Р - максимальное давление металла на валки, Н;

L - длина бочки, мм, L = 2850 мм;

l – длина шейки, мм, l = 695 мм;

Рисунок 2.13 - Схема к расчету прочности и прогиба листового валка трехвалковой клети.

d – диаметр шейки, мм, d = 640 мм;

В – ширина раската (листа), мм В = 2133 мм;

Д – диаметр валка, мм Д = 910 мм.

Тогда допустимое ( максимальное ) усилие прокатки:

;

- допустимое напряжение на изгиб, = 800Н/мм² - для материала валков из чугуна;

≈ 97 МН.

Фактическое давление, воспринимаемое валком, определяется по формуле:

Р_факт = рВ ,

где р = 125 Н/мм² (средняя величина удельного давления на валок);

Р_факт = 125 × 2133 × ≈ 28 МН.

Запас прочности определяют по формуле:

Р_мах/Р_факт = 97/28 ≈ 3,4.

Таким образом, при достижении усилия 97 МН, прокатный валок может сломаться.

Шейка. Максимальное напряжение изгиба в шейки (в листе прохода от бочки к шейке)

₌ , Н/мм²,

Н/мм².

Данные расчеты позволяют определить возможность валков при работе.

Соответственно усилия свыше данных величин давать не рекомендуется во избежание их выхода из строя.

Расчёт клети на жёсткость

Оборудование прокатного стана можно разделить на две группы:

1 Машины и механизмы главной линии прокатного стана (рисунок 2.14).

2 Машины и агрегаты проточных технологических лини й.

Главная линия рабочей клети включает в себя: рабочую клеть 1, передаточные механизмы 2, 4, 5, 11 и 3-2 электродвигателя. Клеть представляет собой две массивные литые станины 8, установленные на плитовины 9, прикрепленные к фундаменту анкерными болтами 10. Вверху и внизу станины соединены траверсами. В станинах смонтированы подушки с подшипниками и валками 6, 7.Станины рабочей клети являются самыми ответственными деталями прокатного стана. В них монтируются валки стана, производящие непосредственно деформацию металла при прокатке, и другие устройства и механизмы, обеспечивающие заданную точность прокатки и производи-

1 - рабочая клеть; 2 - универсальные шпиндели; 3 - главные электродвигатели; 4 - шестеренная клеть; 5 - коренная муфта; 6 - верхний и нижний валки трёх - валковой клети; 7 - средний валок; 8 - станины; 9 - плитовины; 10 - фундаментные болты; 11 - редуктор; 12 - устройство уравновешивания шпинделей

Рисунок 2.14 - Схема главной линии рабочей клети

тельность стана. Всё давление металла на валки, возникающее при прокатке, воспринимается станинами. Поэтому при конструировании и изготовлении станин особое внимание уделяется их прочности и жесткости. Станины по своей конструкции делятся на две группы: закрытого и открытого типа.

Для листовых станов в клетях применяют станины закрытого типа, которые обладают большой прочностью и жесткостью. Станины закрытого типа представляют собой литую массивную жесткую раму с замкнутым контуром, образованным верхней и нижней поперечинами и двумя стойками, поперечина и стойки образуют окно, в котором располагаются подшипниковые опоры валков, состоящие из подушек с подшипниками.

К внутренним сторонам стоек станины прикрепляют винтами направляющие планки для подушек валков. С наружной стороны стоек в нижней части станина имеет лапы с отверстиями под болты для крепления станины к плитовинам, которые в свою очередь крепятся анкерными болтами к фундаменту. В верхней поперечине станины выполняют расточку для прохождения нажимного винта и установки бронзовой гайки нажимного винта. Обе станины клети соединяют между собой сверху и снизу траверсами. На двух верхних траверсах обычно размещают площадку для установки привода механизма установки верхнего валка и других устройств.

Современные станы горячей прокатки должны обеспечивать коэффициент жесткости клети C = 7 - 10 МН × мм. Для определения жёсткости рабочей клети необходимо рассчитать деформацию и жёсткость основных деталей клети от нагрузки, действующей на станину, валки, подушки валков, детали нажимных устройств и другие. Данные для проведения расчётов сведены в таблице 2.9. Методика расчетов изложена в [5].

Деформация станины определяется с учётом влияния поперечных сил. Общая деформация станины в вертикальном направлении (рисунок 2.15) будет составлять [3]:

f_ст = ,

где f₁, f₂, f₃ - деформации от действия изгибающих моментов;

продольных растягивающих сил и поперечных сил соответственно.

Рисунок 2.15 - Схема станины

Деформация от действия изгибающих моментов:

f₁= ,

f₂= ,

f₃= ,

Y=P/2,

F_c – площадь сечения стойки;

G – модуль сдвига;

k – коэффициент, зависящий от формы сечения.

Таблица 2.9 - Данные для определения жёсткости клети

Обозначе-ния	Наименование переменных	Значения
Fc	Площадь сечения стойки, мм2	720000
G	Модуль сдвига, МН/мм2	8.5
k	Коэффициент, зависящий от формы сечения	1.2
Q	Усилие противоизгиба, МН	2
hв.п	Высота деформируемой части верхней подушки, мм	1175
hн.п	Высота деформируемой части нижней подушки, мм	1175
Fв.п	Площадь деформируемого сечения верхней подушки, мм2	120000
Fн.п	Площадь деформируемого сечения нижней подушки, мм2	120000
l2	Высота стойки стана, мм	8150
l1	Длина поперечины, мм	3210
σв	Предел прочности материала станины, Н/мм2	500
K	Коэффициент запаса прочности	10
Е	Модуль упругости материала, Н/мм2	200000
P	Давление прокатки, кН/мм2	7200

,

где М₀ изгибающий момент;

I₁, I₂- моменты инерции поперечины и стойки станины;

l₁,l₂ – длины поперечины и стойки станины.

Площадь сечения стойки:

,

где К - коэффициент запаса прочности [5], K = 10;

σ_в - предел прочности, Н/мм².

Под действием усилия прокатки валки рабочей клети изгибаются. Прогиб валков происходит, преимущественно, под действием изгибающих моментов, а также от действия поперечных сил. Суммарный прогиб валка будет равен [3]:

,

где σ₁ - прогиб в результате действия изгибающих моментов;

σ₂ - прогиб в результате действия поперечных сил;

σ₁ и σ₂ можно определить по формуле А.И. Целикова [3];

,

,

Е и G модуль упругости и модуль сдвига.

Для чугунных валков Е = 1,5×10⁵ н/мм²; G = 0,45×10⁵ н/мм².

- момент инерции сечения бочки валка;

- момент инерции сечения шейки валка;

= м⁴ ;

⁴;

σ = 1+0,2=1,2 мм.

Для выполнения профилировки бочки валка суммарный прогиб середины бочки валка относительно края прокатываемого листа определяем по формулам [5]:

;

=(Р/πGD²)(b/2);

σ_л = ;

σ_л1= - для чугунного валка;

σ_л1= - для стального валка;

- для чугунного валка;

- для стального валка;

σ_л = 0,3 + 0,06 = 0,36 мм - для чугунного валка;

σ_л = 0,2 + 0,03 = 0,23 мм - для стального валка.

Суммарный прогиб середины бочки валка относительно её края определяем по формулам [5]:

(Р/384ЕI_б) (12aL² – 8L³ + b³);

= (Р/πGD²) [L – (b/2)];

σ_к1= - для чугунного валка;

σ_к1= - для стального валка;

σ_к2= - для чугунного валка;

σ_к2= - для стального валка;

σ_к = 0,5 + 0,1 = 0,6 мм - для чугунного валка;

σ_к = 0,4 + 0,05 = 0,045 мм – для стального валка.

Профилировка валков

Создание выпуклой или вогнутой формы бочки валков (профилировка) необходимо для увеличения их срока службы, уменьшения перевалок, обеспечения выпуска листа требуемого профиля и снижения расхода металла. Правильно профилированный валок гарантирует устойчивое положение раската в валках во время прокатки, устраняя возможность аварий и брак. По схемам профилировки валков нет единого мнения, и на каждом стане применяют свою собственную схему. Покажем три варианта профилировки валков трёхвалковой клети.

1 Вариант - верхний и нижний валки после переточки бывают вогнутыми, а средний - выпуклым и наоборот верхний, нижний - выпуклые, средний - вогнутый с конусностью по общей кривой, что применяют в ЛПЦ - 1 ОАО «АМЗ» (рисунок 2.16).

а б

а - установка всех валков в начале кампании; б - установка всех валков в конце кампании

Рисунок 2.16 - Профилировка валков трёхвалковой клети стана «2850» ОАО «АМЗ»

2 Вариант - верхний и нижний валки после переточки бывают вогнутыми и выпуклыми с конусностью по общей кривой, и средний - выпуклым, вогнутым, но профиль среднего валка выполнен по ломаной линии. Средняя часть его цилиндрическая, а по краям имеются коническая и цилиндрическая части (рисунок 2.17).

а б

а - установка всех валков в начале кампании; б - установка всех валков в конце кампании

Рисунок 2.17 - Предлагаемая профилировка валков трёхвалковой клети стана «2850» ОАО «АМЗ»

3 Вариант - верхний и нижний валки после переточки устанавливают в клеть цилиндрическими, а профилировка среднего валка в течение кампании крайних валков изменяется (рисунок 2.18).

а б

а - установка всех валков в начале кампании; б - установка всех валков в конце кампании

Рисунок 2.18 - Предлагаемая профилировка валков трёхвалковой клети стана «2850» ОАО «АМЗ»

На стане «2850» при полной перевалке заваливаются валки следующей профилировки : верхний валок + 0,70 мм, нижний валок + 0,90 мм, для средних прокатных валков применяется выпукло - вогнутая профилировка. Схема перевалки валков стана «2850» приведена в таблице 2.10. Допускаемая выработка валков - в таблице 2.11. Припуски в таблице - 2.12.

Таблица 2.10 - Схема перевалки валков стана «2850»

№ п/п	Профиль валков	№ п/п	Профиль валков
1	+ 0,70 мм, верхний валок	7	+ 0,50мм, нижний валок
	- 0,40 мм, средний валок	8	+ 0,40мм, средний валок
	+ 0,90 мм, нижний валок	9	+ 0,50мм, средний валок
2	- 0,20 мм, средний валок	10	+ 0,30мм, нижний валок
3	0,00 мм, средний валок	11	+ 0,60мм, средний валок
4	+ 0,70мм, нижний валок	12	+ 0,70мм, средний валок
5	+ 0,20мм, средний валок	13	0,00 мм, нижний валок
6	+ 0,30мм, средний валок	14	+ 0,80мм, средний валок
		15	+ 0,90мм, средний валок

Таблица 2.11 - Отклонения по толщине листов и допускаемая выработка валков

Толщи на, мм	Ширина листов, мм
	От 1000 до 1500 вкл.		От 1600 до 1700 вкл.		1800		От 1900 до 2000 вкл.
	Предель-ные отклоне-ния по ширине	Выработ- ка валков не более	Предель-ные отклоне-ния по толщине	Выработ-ка валков не более	Предель-ные отклоне-ния по толщине	Выработ-ка валков не более	Предель-ные отклоне- ния по толщине	Вырабо-тка валков не более
От 8 до 12	0,3-(-0,8)	0,4	0,4-(-0,8)	0,45	0,4-(-0,8)	0,5	0,4-(-0,8)	0,6
От 13 до 25	0,2-(-0,8)	0,4	0,3-(-0,8)	0,4	0,4-(-0,8)	0,5	0,6-(-0,8)	0,5
От 26 до 30	0,2-(-0,9)	0,35	0,3-(-0,9)	0,35	0,4-(-0,9)	0,4	0,6-(-0,9)	0,45

Таблица 2.12 - Припуски на температурную усадку по толщине листа

Окончательная толщина листа, мм	Величина температурной усадки не более, мм
10	0,10
15	0,15
20	0,20
25	0,27
30	0,35

Разница между диаметрами крайних валков не более 10 мм. При переточке нового валка - валок проходит шлифовку, и производится контроль наличия трещин на поверхности валка (визуально). Максимальная конусность среднего валка допускается до 10 мм по радиусу. При достижении предельной конусности среднего валка производится замена всех валков.

Деформация подушек валков

f_под = f_в.п + f_н.п ,

где f_в.п и f_н.п - деформация верхней и нижней подушек опорных валков;

f_в.п = ; f_н.п = ,

Q - усилие противоизгиба;

h_в.п и h_н.п - высота деформируемых частей верхней и нижней подушек;

F_в.п и F_н.п - площадь деформируемых верхней и нижней подушек;

f_сум = f_ст + f_под + f_вал .

Коэффициент жесткости клети определяется по формуле:

C = ,

где P - максимальное усилие при прокатке;

f_сум. - суммарная деформация клети.

Результаты проведённых вычислений сведены в таблице 2.13.

Таблица 2.13 - Характеристика максимальных действующих нагрузок и деформаций клети

Обозначения	Наименование переменных	Значения
М0	Изгибающий момент, МН/мм	4,27
fст	Деформация станины, мм	1,972
fвал	Деформация валков, мм	1,2
fпод	Деформация подушки, мм	0,098
f	Суммарная деформация, мм	3,368
С	Жесткость, МН/мм	10

Из результатов расчетов следует, что данная рабочая клеть удовлетворяет требованиям жесткости, предъявляемым к современным клетям для горячей листовой прокатки.

Расчёт муфты

Муфтами приводов называют устройства, соединяющие валы совместно работающих агрегатов и передающие вращающий момент. Основное назначение муфт – соединение валов и передача вращающего момента.

На стане «2850» применяется муфта предельного момента, состоит из двух одинаковых полумуфт, выполненных в виде ступицы с фланцем. Фланцы соединяют болтами. Расчет производится по методике УЗТМ, определяем диаметр пояска срезной шпильки, которая изготовляется из стали марки Ст5 [4]:

d_n= ,

где 3680 - коэффициент, учитывающий паспортные данные муфты зубчатой предельного момента;

– предел прочности стали Ст5, составляет 640 ;

d_n = = 46 мм.

Произведем расчет шпилек на срез по следующей формуле:

Tc = S_n : 3,14 × d² : 6 [Tc],

где S_n = - сила, срезающая один болт;

P_n - общее усилие реза;

d² - диаметр болта;

n - количество шпилек, равно 6.

Общее усилие реза определим по следующей формуле:

P_n= ,

где М_кр - пиковый крутящий момент, равен 17×10⁸ Н/мм;

Dб - диаметр окружности срезных болтов в муфте, равен 2050 мм;

b - коэффициент запаса, равен 1,5;

P_n= = 248,78×10⁴ Н/мм.

Определим допустимое касательное усилие реза по следующей формуле:

[Tc]=(0,2-0,3) × ,

где - предел текучести, равен 280 ;

[Tc]=(0,2 - 0,3) ×280 = 56 ;

S_n = = 41,463 т;

Tc = 41,463 : 3,14 × 46² : 6 46 56

Таким образом материал и диаметр шпильки подобраны с расчетом исключения поломки оборудования.

Выбор и расчёт подшипников

Выбор и расчет сводится к определению размеров вкладышей и проверке несущей способности подшипника по допускаемому удельному давлению. Расчетное удельное давление на вкладыш не должно превышать допускаемого удельного давления [6]:

р = Р_ш/аL ≤ [р],

где Р_ш - наибольшее усилие, приходящееся на шейку валка при нормальных условиях прокатки; a и L – ширина и длина вкладыша соответственно; [р] = 25 ÷30 МПа - допускаемое удельное давление. Расположение вкладышей на валках выбираем, как показано на рисунке 1 [6] для трехвалкового стана. При прокатке наибольшее давление испытываютверхний и нижний вкладыши рабочих валков, поэтому их выбирают с угломобхвата α = 140⁰.

По таблице 1 [6] для заданного диаметра шейки выбираем вкладыш с номинальным значением R = 200 мм, R₁ = 235 мм, длиной L = 390 мм. Ширину вкладыша определяем по формуле:

a = πRα/180 = 3,14 × 200 × 140/180 ≈ 488 мм.

По формуле (46 [6] ) определяем удельное давление на вкладыш:

p = P/aL = 7,2 : (0,488 × 0,39) ≈ 38 МПа >[р] = 30 МПа,

то есть выбранные размеры вкладыша не обеспечивают несущую способность подшипника, поэтому выбираем вкладыш длиной L = 710 мм и повторяем расчеты по формулам 2.77, 2.78:

p = P/аL = 7,2 : (0,488 × 0,71) ≈ 21 МПа < [p] = 30 МПа - для среднего валка.

Для верхнего и нижнего валков R = 320 мм, R₁ = 360 мм, L = 695 мм

a = πRα/180 = 3,14 × 320 × 140/180 ≈ 781 мм;

p = 7,2/(0,781 × 0,695) 13,3 МПа < [p] = 30 МПа.