Оглавление
1. Описание разработаннойконструкции
2. Расчет рабочих иопорных валков четырехвалковой клети толстолистового стана 3600
2.1 Определениераспределения усилия между рабочими и опорными валками
2.2 Определениеизгибающих моментов и нормальных напряжений в рабочем и опорном валках
2.3 Определение запасовпрочности рабочего и опорного валков
2.4 Контактное напряжениеи деформация в поверхностном слое валков
2.5 Определим прогибопорного валка
2.6 Расчет подшипника вопорах рабочего валка
2.7 Расчет подшипниковопорного валка
2.8 Проверочный расчетшпонки на приводном валке
3. Технологичностьразработанной конструкции
3.1 Степень унификациидиаметров рабочего валка
3.2 Степень унификациипосадочных размеров
3.3 Степеньстандартизации разработанного узла валков
3.4 Агрегатирование
Список использованныхисточников
1. Описание разработанной конструкции
Опорные валки(поз.1, 1703.07.005.00.01.00) вращаются в четырехрядных роликовых коническихподшипниках М270400 (поз. 55), которые воспринимают только радиальное усилие –усилие прокатки. С неприводной стороны рабочей клети для восприятия осевыхнагрузок установлен упорный конический двухрядный подшипник М969800 (поз. 56).Подшипниковый узел в сборе удерживается на месте при помощи стопорной гайки(поз. 7), закрепленной на стопорном кольце с резьбой и чекой (поз. 16). Этокольцо подпирается разъемным кольцом на шарнире (поз. 17), установленным впроточке на удлиненной шейке. С приводной стороны в дополнение к четырехрядномупоставлен радиальный однорядный шарикоподшипник (поз. 57), который предназначендля удержание веса части вала и полумуфт со шпинделем. Опорные валкиизготовлены из стали 9ХФ, которая себя хорошо зарекомендовала и частоиспользуется для этих целей.
Рабочие валки(поз. 2) вращаются в четырехрядных роликовых конических подшипниках М224700(поз. 54). В осевом направлении нижние кольца подшипников с одной стороныфиксирует маслосбойное кольцо (поз.13), а с другой стороны распорная втулка(поз. 3), чтобы втулка не провернулась на рабочем валке, её фиксируют шпилькой(поз. 53). Верхние кольца подшипников с одной стороны упираются в подушкурабочего валка (поз. 26), а с другой стороны поджимается крышкой (поз. 20)через стакан (поз. 28) при помощи болта (38) и шайбы (поз. 50). Степень поджатиярегулируется дистанционными кольцами (поз. 8, 9). Рабочие валки выполнены изстали 60ХН, которая широко используется для изготовления рабочих валков становгорячей листовой прокатки.
Уравновешиваниеверхних подушек с опорным валком и гидрораспор станин осуществляется четырьмягидроцилиндрами (поз. 32), диметром 100 мм, установленными в нижних подушках;усилие распора до 1 Мн. Противоизгиб рабочих валков – от восьми гидроцилиндров(поз. 31), диаметром 70 мм, расположенных в подушках верхнего рабочего валка; усилиепротивоизгиба до 560 кН. Давление масла в цилиндрах до 20 МПа. Системапредназначена для устранения неплоскостности и уменьшения поперечнойразнотолщинности полос путем оперативного воздействия на форму зазора междурабочими валками.
Комплектопорных валков с подушками меняют с помощью гидравлического цилиндра с большимходом штока, который расположен ниже уровня пола цеха. Шток шарнирносоединяется с рычагом (поз. 36) нижней подушки опорного валка (поз. 27). Снеприводной стороны рабочей клети подушки опорных валков фиксируютсянаправляющими планками (поз. 34) на стойках станин. Подушки рабочих валковфиксируются в подушках опорных валков с помощью планок-фиксаторов,поворачиваемых рукоятками (поз. 35).
Подушкирабочих и опорных валков изготовлены из стали марки 25Л.
/>2. Расчет рабочих и опорныхвалков четырехвалковой клети толстолистового стана 36002.1Определение распределения усилия между рабочими и опорными валками
Определениераспределения усилия между рабочими и опорными валками выполнено по методикеприведенной в /1/. Учитывая, что минимальный диаметр валков после перешлифовки /> и />:
/>.
Нагрузка,которую воспринимает рабочий валок (кН):
/>.
Нагрузка,которую воспринимает опорный валок (кН):
/>.
Таким образом,рабочие валки воспринимают только /> от общего давления на валки припрокатке.
2.2Определение изгибающих моментов и нормальных напряжений в рабочем и опорномвалках
Определениенапряжений в рабочем и опорном валках выполнено по методике приведенной в /1/. Нарис. 1 изображены расчетная схема рабочего валка и эпюры изгибающих моментов, инормальных напряжений. Определим максимальные нормальные напряжения в сеченияхА-А, Б-Б, В-В, Г-Г. Соответствующие значения изгибающих моментов и нормальныхнапряжений указаны на эпюрах:
/>;
/>;
/>;
/>.
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
На рис. 2изображены расчетная схема опорного валка и эпюры изгибающих моментов, инормальных напряжений. Определим максимальные нормальные напряжения в сеченияхА-А, Б-Б. Соответствующие значения изгибающих моментов и нормальных напряженийуказаны на эпюрах:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Напряжениекручения на шейке ведущего валка (МПа):
/> МПа.
где /> – коэффициентконцентрации напряжения для шпоночного паза.
Максимальныеэквивалентные напряжения (по четвертой теории прочности)
/>.
/>
Рис. 1 Схема нагружения и эпюры изгибающихмоментов, и нормальных напряжений рабочего валка.
/>
Рис. 2 Схема нагружения и эпюры изгибающихмоментов, и нормальных напряжений опорного валка. 2.3 Определение запасовпрочности рабочего и опорного валков
Определениезапасов прочности рабочего и опорного валков выполнено по методике, приведеннойв /1/. Рабочий валок изготовлен из стали марки 60ХН (ОСТ 24.013.04–83), аопорный – из стали 9ХФ (ГОСТ 5950–2000), механические свойства которых приведеныв табл. 1 т.к. это наиболее часто применяемые стали для изготовления рабочих иопорных валков стана горячей прокатки /4/.
Таблица 1
Механическиесвойства валковых сталей 60ХН, 9ХФМарки стали
/>, МПа
/>, МПа
/>, МПа Термообработка 60ХН 600 460 392 Закалка, отпуск 9ХФ 670 450 304 Отжиг
Запаспрочности рабочего валка:
/>,
/>.
Запаспрочности опорного валка:
/>,
/>.
/>,
/>.
При
/>, />,
минимальныйтребуемый запас прочности />. В нашем случае />, поэтому расчет валкана выносливость (усталость) не проводим. 2.4 Контактное напряжение идеформация в поверхностном слое валков
Контактныенапряжения в поверхностном слое валков выполнено по методике приведенной в /1/.Рассчитаем максимальное (радиальное) контактное напряжение /> в середине линииконтакта рабочего и опорного валков, нагруженных силой /> по формуле Герца:
/>,
где /> – коэффициентПуассона для стальных валков;
/> – радиусырабочего и опорного валков соответственно (м);
/> –распределенная нагрузка между рабочим и опорным валками (кН/м);
/> МПа – модульупругости рабочего и опорного валков;
/>/>.
Учитывая, чтов зоне контакта материал валков находится в благоприятных условияхвсестороннего сжатия, принимаем:
/>
/>, т.е. />;
/>, т.е. />
Упругоесплющивание в месте контакта опорного и рабочего валков выполнено по методикеприведенной в /1/.Рассчитаем радиальную упругую деформацию (сплющивание) /> рабочего иопорного валков по формуле Герца:
/>,
/>
Суммарноеупругое радиальное контактное сплющивание двух пар валков рабочей четырехвалковой клети:
/> мм.2.5Определим прогиб опорного валка
Определениепрогиба опорного валка выполнена по методике приведенной в /1/. Определиммомент инерции бочки опорного валка, (м4):
/> м4.
Определимсоотношение моментов инерции бочки и шейки опорного валка:
/>.
Определимсоотношение диаметров бочки и шейки опорного валка:
/>
Определимпрогиб опорного валка от изгибающих моментов в сечении А-А, (мм):
/>,
где a –расстояние между опорами опорного валка, м;
b – ширинапрокатываемой полосы, м;
c –расстояние от опоры до бочки валка, м.
/>
Определимпрогиб опорного валка от поперечных сил в сечении А-А, (мм):
/>,
где /> – модульсдвига для стали, (Па), /> Па.
/> мм.
Суммарныйпрогиб опорного валка в сечении А-А, (мм):
/> мм.
Определимразность прогибов опорного валка в сечении А-А и у края прокатываемого листа,возникающую под действием изгибающих моментов, (мм):
/>,
/> мм.
Определимразность прогибов опорного валка в сечении А-А и у края прокатываемого листа,возникающую под действием поперечных сил, (мм):
/>,
/> мм.
Суммарнаяразность прогибов опорного валка в сечении А-А и у края прокатываемого листа,возникающую под действием изгибающих моментов и поперечных сил, (мм):
/> мм.
Значенияпрогибов валков – является значимой информацией для технологов, которыеиспользуют её для регулирования качества проката и профилирования валков.2.6Расчет подшипника в опорах рабочего валка
Расчетподшипника в опорах рабочего валка выполнен по методике приведенной в /3/. Вкачестве подшипника для рабочих валков примем роликоподшипник радиальныйконический четырехрядный M224700.
Рассчитаемдинамическую эквивалентную радиальную нагрузку:
/>
где /> – радиальнаянагрузка на подшипник;
/> –кинематический коэффициент, учитывающий влияние вращения внешнего иливнутреннего кольца подшипника на его срок службы, так как у нашего подшипникавращается внутреннее кольцо, то />;
/> – коэффициентдинамичности, учитывающий влияние характера нагрузки на срок службы подшипника,равный /> дляобжимных станов;
/> – коэффициент,учитывающий влияние температурного режима работы, так как стан прокатываетнагретые слябы, то примем температуру действующую на подшипник до 150°С, тогда />.
/>
Номинальнаядолговечность радиальных роликовых подшипников:
/>
Так как />, то требуемаядинамическая грузоподъемность:
/>
где /> - частотавращения кольца, />;
/> -долговечность рабочего валка, ч;
/> - показательстепени: /> дляроликовых подшипников.
Найдемчастоту вращения рабочего валка:
/>, где
/> - скоростьпрокатки, />.
/>.
/>
/>
Определяемскорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурсподшипника, ч:
/>
где /> - базоваядинамическая грузоподъемность подшипника;
/> - коэффициент,корректирующий ресурс в зависимости от необходимой надежности, />;
/> - коэффициент,характеризующий совместное влияние на ресурс особых свойств подшипника иусловий его эксплуатации, />.
/>. 2.7 Расчет подшипниковопорного валка
Расчетподшипника в опорах опорного валка выполнен по методике приведенной в /3/.
2.7.1 Вкачестве подшипника в опорах опорных валков примем роликоподшипник радиальныйконический четырехрядный M270400.
Рассчитаемдинамическую эквивалентную радиальную нагрузку:
/>.
Найдемчастоту вращения опорного валка:
/>.
Требуемаядинамическая грузоподъемность:
/>
/>.
Определяемскорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурсподшипника, ч:
/>.
2.7.2 Так какопорный валок воспринимает осевую нагрузку со стороны привода, то выбираемроликоподшипник осевой конический двухрядный M969800.
Рассчитаемдинамическую эквивалентную осевую нагрузку:
/>
где /> – осеваянагрузка на подшипник;
Возможноеосевое усилие при горячей прокатке листа — 2 % от радиального:
/>.
/>.
Требуемаядинамическая грузоподъемность:
/>
/>.
Определяемскорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурсподшипника, ч:
/>.
2.7.3 Состороны привода на опорный валок действует нагрузка от веса полумуфт ишпинделя, для ее удержания ставим шарикоподшипник радиальный однорядный 172 поГОСТ 8338-75.
Вес полумуфти шпинделя примем 15000 Н.
Рассчитаемдинамическую эквивалентную радиальную нагрузку:
/>.
Требуемаядинамическая грузоподъемность:
/>
/>.
Определяемскорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурсподшипника, ч:
/>.
2.8 Проверочный расчет шпонкина приводном валке
Проверочныйрасчет шпонки на приводном валке выполнен по методике, приведенной в /3/. Таккак процесс смятия шпонки процесс более вероятный чем срез, то для начала проверимшпонку на смятие.
Зададимсяследующими размерами для шпонки:
/> мм – высоташпонки;
/> мм – рабочаядлина шпонки;
/> мм – ширинашпонки.
Напряжениесмятия воспринимают две шпонки при рабочей нагрузке:
/>,
где /> – рабочеенапряжение смятия шпонки, (МПа);
/> – сила,которую воспринимает шпонка при рабочей нагрузке, (МН);
/> – коэффициент,учитывающий влияние двух противоположно установленных шпонок, />;
/> – площадь,которой шпонка воспринимает рабочую нагрузку, (м2).
/> МПа.
Изготовимшпонку из материала Сталь 45 (ГОСТ 1050–88), для которой:
/>,
где /> – пределтекучести для материала Сталь 45, (МПа): /> МПа.
/> МПа.
/> – условиепрочности на смятие выполняется.
Так, какусловие прочности на смятие выполняется, то проверку шпонки на срез можно непроводить.
/>3. Технологичность разработаннойконструкции
В данном валковомузле клети кварто используются стандартные крепежные элементы, подшипникикачения (нестандартные размеры), пружины, недорогие материалы (металл, смазка ифрикционный материал), для уменьшения стоимости изделия и её обслуживания.
Кожухопорного валка выполнен сварным, из трубы и листа.
Все размерырасполагаются в ряду предпочтительных чисел, а также они выполнены с учетомопыта предыдущих разработок, с необходимой точностью и коэффициентами запасов.
Подушкиверхнего рабочего валка взаимозаменяемые, также как и подушки нижнего рабочеговалка. Элементы подушек опорных валков взаимозаменяемые. Рабочие и опорныевалки выполнены симметрично относительно середины валкового узла, для удобстваих монтажа. 3.1 Степень унификациидиаметров рабочего валка
Всего дляизготовления опорного валка используется 10 разных значений диаметров. Диаметр 750мм используется один раз, 660, 550, 440, 400, 390, 382, 364, 350мм – два раза, 420мм – четыре раза. Определим степень унификации (α) каждого диаметра (%):
/>,
где /> – количествораз использования данного параметра;
/> – общееколичество раз использования разных параметров.
/>,
/>,
/>. 3.2 Степень унификациипосадочных размеров
Всего дляизготовления рабочего валка используется 2 разных значения посадочных размеров.Посадка к6 и Р9, из которых к6 используется 7 раз, а посадка Р9 3 раза.Определим степень унификации (α) каждого посадочного размера (%):
/>,
/>. 3.3 Степень стандартизацииразработанного узла валков
Степеньстандартизации (/>) разработанного узла валков естьотношение количества наименований стандартных (/>) к общему количеству наименованийиспользованных изделий (/>), выраженное в процентах:
/>.
Количествостандартных изделий использованных для изготовления узла валков (/>) – 20. Общее количествоизделий (/>)– 57.
/>.
Степеньстандартизации достаточна высока, что ещё более подтверждает надежностьразработанной конструкции, так как стандартные изделия прошли неоднократнуюпроверку временем. 3.4 Агрегатирование
Рабочие иопорные валки выполнены симметрично относительно середины валкового узла,следовательно подушки каждого из валков взаимозаменяемы. Это также обеспечиваетудобство их монтажа. Каждый валок в совокупности со своими подушками являетсяодним целым. Это значит, что они представляют каждый из себя отдельный узел. Кпримеру, для замены вышедших из строя подшипников верхнего рабочего валка нетнеобходимости в демонтаже и разборке всего узла валков, а ликвидация поломкисводится к процессу перевалки валков, который в свою очередь в настоящее времяпроисходит за считанные минуты. Это достигнуто благодаря высокой степениагрегатирования всего узла валков.
Вычислимстепень агрегатирования разработанного нами узла валков. Из выше сказанногоследует, что весь агрегат состоит из четырех различных узлов, которые всовокупности являются узлом валков клети кварто, следовательно, степень агрегатированияравна (%):
/>,
где /> – количестворазных узлов.
/>.
Высокаястепень агрегатирования в данном случае облегчит эксплуатацию разработанногоизделия благодаря быстрой замене неисправных узлов и повысит степеньиспользования разработанного агрегата, тем самым, повысив его производительность.
Список использованных источников
1. Королев А.А.Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов: Учеб. пособие длявузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «Металлургия». 1985. 376 с.
2. Перель Л.Я., ФилатовА.А. Подшипники качения: Справочник. – М.: «Машиностроение». 1992. 608 с.
3. В.И. Анурьев.Справочник конструктора – машиностроителя. Изд. 8-е в 3-х тт. – М.:Машиностроение, т. 2, 2001.
4. Машины и агрегатыметаллургических заводов. В 3-х томах. Т.3. Машины и агрегаты для производстваи отделки проката. Учебник для вузов/ Целиков А.И., Полухин П.И., ГребенникВ.М. и др. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1988. 680 с.