Актуальность работы. Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном предназначены для производства бесшовных горячекатаных труб широкого ассортимента. Возможность быстрого перехода с производства одного вида труб на другой определяет высокую эффективность использования ТПА с автоматстаном при прокатке малых партий труб.
Отличительной особенностью автоматстанов является то, что нагрузки в линии привода на этапе захвата заготовки в 3...4 раза превосходят нагрузки при установившемся процессе прокатки. Такой характер нагружения приводит к снижению надежности и долговечности оборудования автоматстанов. В известных исследованиях по динамике автоматстанов привод автоматстана приводится к рядным неразветвленным системам, и динамика ударного взаимодействия заготовки и валков при захвате рассматривается либо без учета податливостей упругих связей привода, либо процесс захвата рассматривается с энергетической точки зрения в отрыве от установившегося процесса прокатки. Такие допущения приводят к существенным отличиям расчетных нагрузок в элементах автоматстанов от нагрузок, полученных при экспериментальных исследованиях.
В этой связи комплексные исследования нагружения привода автоматстана: экспериментальные на действующем оборудовании и теоретические с использованием разветвленной динамической модели и включением процесса захвата заготовки в общую динамическую модель нагружения является актуальными.
Определение реального спектра нагрузок позволило получить рекомендации по совершенствованию оборудования автоматстана с целью повышения его технологических возможностей, надежности и долговечности.
Целью работы является совершенствование конструкции автоматстанов ТПА-140 и ТПА-220 на основе моделирования динамики привода для достижения стабильной работы автоматстанов, снижения простоев, связанных с поломкой элементов конструкции станов и повышением надежности предохранительных устройств. При этом были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка методики динамического исследования линии главного привода станов, учитывающая специфику захвата заготовки валками и неравномерность распределения технологической нагрузки между ними.
2. Разработка пакета прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок, включающего расчет параметров динамической модели, частотный анализ и анализ вынужденных колебаний при захвате заготовки валками.
3. Теоретический и экспериментальный анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции автоматстана.
4. Разработка рекомендаций по модернизации оборудования, обеспечивающих снижение простоев и повышения надежности и работоспособности станов.
Научная новизна работы.
1. Разработана методика динамического расчета линии главного привода автоматстана, учитывающая специфику захвата заготовки и неравномерность распределения технологической нагрузки между валками.
2. Разработан пакет прикладных программ для автоматизированного
расчета динамических нагрузок привода автоматстана,
включающий автоматизацию расчетов параметров динамической модели, частотный анализ и анализ вынужденных колебаний при варьировании режимов нагружения и условий захвата заготовки.
3. Для учета податливости валопровода разработана система передачи данных от графических изображений элементов сборочных чертежей, выполненных в Автокаде, в расчетные блоки с формированием изображения упругой оси вала и расчетом деформаций валов, подшипниковых опор и зубчатых передач.
4. С использованием разработанного комплекса выполнены исследования влияния параметров автоматстана в составе ТПА-140 и условий захвата заготовки на динамические нагрузки привода.
5. Предложены рациональные сочетания параметров динамической модели, которые в заданном пространстве их изменений минимизируют динамические нагрузки в линии привода.
6. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования нагрузок в линии привода автоматстана.
Практическая ценность:
С учетом выполненных исследований получены рекомендации по совершенствованию конструкции автоматстана:
• Определены количество, размеры и форма разрушающихся элементов предохранительной муфты, обеспечивающих защиту привода от пиковых нагрузок, возникающих при захвате заготовки.
• Предложена модернизация крепления клети автоматстана на фундаментных балках, обеспечивающая повышение жесткости и снижение нагрузок на лапы станины, что увеличивает ресурс её работы.
Реализация работы. На основе разработанных рекомендаций в цехе №2 ЧТПЗ проведена реконструкция предохранительных устройств автоматстана ТПА- 140. Это позволило на 40% сократить время простоев, связанных с их срабатыванием. Акт об использовании результатов работы представлен в приложении к диссертации.
На основании выполненных исследований разработан проект реконструкции клети автоматстана ТПА-220, обеспечивающий увеличение ресурса за счет повышения жесткости клети и надежной её фиксации на фундаменте. Клеть с модернизированными опорами установлена в ОАО ПНТЗ в 2008 году. Эффективность её использования подтверждена трехлетним опытом безотказной эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные разделы докладывались на XIII, XV отчетных конференциях молодых ученых Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008-2009., XVI Международной конференции молодых ученых. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009., V международной научно-технической конференции. Пенза, ПДЗ. 2009, на международной конференции, посвященной 15-летию со дня создания регионального Уральского отделения академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. Екатеринбург, 2010,
Публикации Результаты работы представлены в 9 публикациях, в числе которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 158 страницах, содержит 25 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 99 наименований.
Трубопрокатные агрегаты с автоматстаном предназначены для производства бесшовных горячекатанных труб широкого ассортимента. Высокая эффективность их использования достигается за счет возможности быстрого перехода с изготовления одного вида труб на другой.
Отличительной особенностью автоматстанов являются значительные перегрузки линий привода при захвате заготовки, которые в 3-4 раза превосходят нагрузки установившегося процесса прокатки. Такой характер нагружения оказывает существенное влияние на усталостную прочность и долговечность деталей и узлов автоматстанов, приводит к частым простоям и снижению производительности трубопрокатных агрегатов.
Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации по определению нагрузок в деталях и узлах автоматстанов при захвате заготовки.
В выполненной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований нагрузок в линии привода автоматстанов разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции автоматстанов ТПА-140 и ТПА -220.
При выполнении данной работы получены следующие наиболее важные результаты:
- разработана методика динамического расчета линии привода автоматстана, учитывающая специфику захвата заготовки валками и неравномерность распределения технологической нагрузки между валками;
- разработан пакет прикладных программ для автоматизированного расчета динамических нагрузок линии привода автоматстана, включающий автоматизацию расчетов параметров динамической модели, частотный и амплитудный анализ при варьировании режимов нагружения и условий захвата заготовки;
- с использованием выполненных разработок определены динамические нагрузки в линии привода автоматстана, предложены рациональные сочетания параметров динамической модели, минимизирующие эти нагрузки;
- разработана методика эксперимента и проведены экспериментальные исследования нагрузок в элементах привода автоматстанов ТПА-140 и ТПА- 220;
- определены крутящие моменты на верхнем и нижнем шпинделях валков, усилия в стержне оправки, в штоке задающего механизма и в соединительных элементах лап основания клети с фундаментными плитами;
- на базе выполненных исследований разработан проект реконструкции клети автоматстана ТПА-220. Модернизированная клеть эксплуатируется на ОАО ПНТЗ с 2008 года;
- с целью защиты привода от несанкционированного срабатывания по результатам исследований проведена реконструкция предохранительных элементов муфты автоматстана ТПА-140 в цехе № 2 ЧТПЗ, позволившая на 40% сократить время простоев, связанных со срабатыванием предохранительной муфты;
- проведенные экспериментальные исследования автоматстанов и опыт эксплуатации усовершенствованных узлов позволили подтвердить достоверность полученных теоретических результатов и эффективность предложенных конструктивных решений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
