4.1. Классификация, состав и техническая характеристика станов хпт

Валковые станы ХПТ подразделяют на группы в соответствии с размерами прокатываемых труб:

1. Станы для производства труб малых диаметров – ХПТ 32 (диаметр готовых труб 16…32 мм); ХПТ 55 (диаметр готовых труб 25…55 мм);

2. Станы для производства труб средних типоразмеров – ХПТ 75 (диаметр готовых труб 10…80 мм); ХПТ 90 (диаметр готовых труб 40…90 мм); ХПТ 250 (диаметр готовых труб 90…250 мм);

3. Станы для производства труб больших типоразмеров – ХПТ 450 (диаметр готовых труб 170…450 мм).

Станы ХПТ принято также классифицировать:

• по максимальному наружному диаметру прокатываемых труб

• по характеру движения инструмента (валков): - станы с поступательным движением осей валков (станы ХПТ); станы с неподвижными осями валков (НХПТ, ХПТС); станы с вращающимися осями валков (станы ХПТВ и планетарные);

• по числу одновременно прокатываемых труб – одно-, двух- и трехниточные;

• по длине рабочего конуса прокатываемых труб – короткоходовые и длинноходовые с углом поворота калибра вокруг собственной оси на угол больше 180;

• по температурным условиям прокатки – станы холодной и теплой прокатки;

• по типу прокатываемых труб – для труб постоянного и переменного сечения (в обозначении стана добавляется индекс П, например, ХПТ120П;

• по типу загрузки заготовки-передельной трубы – станы с торцевой и боковой загрузкой;

Кроме того, станы ХПТ подразделяют по исполнению основных механизмов: главного привода, рабочих клетей и распределительно-подающих устройств:

• по типу рабочей клети – двухвалковые с подвижной клетью, четырехвалковые с подвижной клетью, с подвижной валковой кассетой и силовыми направляющими, со стационарной клетью;

• по типу приводного устройства клети – с уравновешиванием на рабочей клети, на кривошипном валу, на валу двигателя, без уравновешивания;

• по типу уравновешивающего устройства – пневматическое, грузовое с возвратно поступательным движением противовеса, грузовое с качающимся дисбалансом, с вращающимся противовесом, пневмогидравлическое;

• по механизму подачи и поворота заготовки – рычажного типа, редукторного типа с муфтами свободного хода, редукторного типа с дифференциальной передачей, зубчатого типа с мальтийским механизмом, дифференциального типа с периодическим торможением эпицикла и водила, с планетарно-гипоциклоидным преобразователем, с упругими элементами, со стационарным патроном;

• по способу работы патронов – с периодическим возвратом (на всю длину), непрерывного циклического действия (с трастовым механизмом и механизмами со стационарным патроном, с совмещенным возвратом (два патрона работают с перехватом);

• по расположению главного пульта управления – правые (справа от стана по ходу прокатки) и левые.

4.2. Оборудование станов хпт

На рис. 4.1 показана схема стана ХПТ, состоящего из рабочей клети, главного привода, механизмов подачи и поворота трубы, системы смазки и управления.

Кинематическая схема стана ХПТ конструкции ЭЗТМ показана на рис. 4.2. От электродвигателя 1 вращение через главный редуктор 2 передается на кривошипно-шатунный механизм 3, который сообщает рабочей клети 4 возвратно-поступательное движение. Одному полному обороту кривошипа соответствует двойной ход рабочей клети: в направлении выхода готовой трубы – прямой и в обратном направлении – обратный.

Вращение валков 5 осуществляется с помощью ведущих шестерен 6, находящихся в зацеплении с неподвижными зубчатыми рейками 7. Угол разворота валков зависит от диаметра начальной окружности ведущей шестерни и параметров кривошипно-шатунного механизма. На действующих станах угол разворота составляет 157…214. От главного редуктора 2 вращение передается на редуктор 8 кулачкового механизма 9 подачи и поворота. Этот механизм сообщает системе 10 рычагов прерывистое движение, которое передается винту 11 подачи и валу 12 поворота трубы. В крайнем заднем положении рабочей клети происходит подача и поворот трубы, в крайнем переднем положении – поворот ее. Механизм 13 предназначен для ускоренного отвода винта подачи, а механизм 14 – для установки и отвода стержня крепления оправки.

Конструкции рабочих клетей станов ХПТ. Рабочие клети станов ХПТ изготовляют с подвижной станиной; с неподвижной станиной и с опорными валками. Рабочие клети с подвижной станиной применяют на станах ХПТ для прокатки труб диаметром до 90 мм. За рубежом в Германии (фирма «Маннесманн Меер») и в США (фирма «Блисс») клети такого типа используют на станах больших типоразмеров.

На рис. 4.3 и 4.4 показаны схемы подвижной рабочей клети стана ХПТ с американским типом привода валков (рис. 4.3) и рабочая клеть стана ХПТ75 конструкции ОАО «ЭЗТМ» (рис. 4.4). Конструкции рабочих клетей станов ХПТ55 и ХПТ32 аналогичны конструкции клети стана ХПТ75 (рис. 4.4).

Станина 1 стана ХПТ75 закрытого типа представляет собой цельную отливку, состоящую из двух боковых рам с вырезами для установки рабочих валков, верхней и нижней поперечин. Боковые рамы на уровне оси прокатки имеют приливы для крепления проушин шатунов. В вырезах станины установлены рабочие валки 2, смонтированные на четырехрядных конических подшипниках 3 в подушках 4. На оси каждого рабочего валка с каждой стороны насажены ведомые шестерни 5; на хвостовых частях верхних валков насажены ведущие шестерни 6, которые входят в зацепление с рейкой, смонтированной на станине под рабочую клеть. В подушках нижнего валка установлены пружины, уравновешивающие верхний валок с деталями, смонтированными вместе с ним. В нижней раме станины 1 в специальных приливах растачивают отверстия, куда на подшипниках устанавливают оси 7, на концах которых монтируют бегунки 8, катящиеся по направляющим станины. Рабочие клети станов ХПТ55 и ХПТ32 перемещаются по рельсам станины на ползунах, а станина стана ХПТ90 – на катках.

Подушки нижнего валка устанавливают в клети неподвижно. От бокового смещения их предохраняют боковые планки 9. Верхний валок может перемещаться в осевом и вертикальном направлениях, что позволяет достичь точной установки калибров. Осевое перемещение валка осуществляется ослаблением болтов с одной стороны боковой планки 9 и затягиванием – с другой стороны. Верхний валок перемещают вертикально с помощью клиньев 10, которые перемещаются по наклонным плоскостям верхней подушки винтами 11. В клиньях 10 размещены предохранительное кольцо 12 и пуансон 13, с помощью которых станина клети предохраняется от разрушения при появлении больших нагрузок.

Возвратно-поступательное движение рабочей клети обеспечивают шатуны приводного механизма. При перемещении клети ведущие шестерни 6 катятся по рейке, благодаря чему верхний и нижний валки, связанные шестернями 5, вращаются. Заготовка, насаженная на оправку, прокатывается между валками.

Как было отмечено, вращательное движение передается валкам в результате взаимодействия ведущих шестерен валков с зубчатыми рейками – главного зацепления.

В станах ХПТ «Рокрайт» (американский тип привода валков) ведущие шестерни расположены на нижнем валке (рис. 4.3, а), и обеспечивают стабильность зацепления с рейкой, однако не могут перемещаться при изменении зазора между калибрами в процессе настройки валков. В станах ХПТ конструкции ЭЗТМ ведущие шестерни расположены на верхнем валке (рис. 4.5, а), и перемещение которого при настройке проводится от нажимного устройства. Такое зацепление позволяет извлекать рабочую клеть без выкатки клети вперед, как при американской схеме, и обеспечивает лучшие условия для проведения ремонтных работ, а также позволяет проводить перевалку валков заменой всей клети.

Фирма «Маннесманн Меер» разработала конструкцию рабочей клети стана ХПТ с подвижной станиной с рядом конструктивных преимуществ по передаче валкам вращательного движения. Главное преимущество привода в станах фирмы «SMS-Meer» в том, что задействованы всего две шестерни (рис. 4.5, б), чем сокращается количество зазоров в зубчатых парах. Кроме этого, в клети данной конструкции свободный конец валка и разборный валковый подшипник обеспечивают быструю замену кольцевого калибра.

Станины клетей станов ХПТ работают в исключительно тяжелых условиях, а большая масса движущихся рабочих клетей вызывает большие динамические нагрузки, создаваемые усилиями прокатки и шатунами привода рабочей клети.

На современных станах ХПТ число двойных ходов рабочей клети достигает 180…200 мин^–1, поэтому во избежание больших динамических нагрузок станина должна быть предельно легкой и в то же время прочной. Обычные станины изготовляют закрытого типа с оребрением стоек и поперечин для уменьшения массы.

В случае большой массы рабочей клети (станы ХПТ больших типоразмеров, многониточные) для прокатки труб диаметром более 90 мм используют рабочие клети с неподвижной станиной и подвижными рабочими валками. Например, в станах больших типоразмеров: ХПТ 120, ХПТ 250 (рис. 4.6), ХПТ 450 конструкции ОАО «ЭЗТМ» используют рабочие клети с неподвижной станиной (рис. 4.7).

В клети (см. рис. 4.7) усилие прокатки, воспринимаемое рабочими валками, передается через бегунковые роликоподшипники с утолщенными наружными кольцами 2 на неподвижные рельсы 1 и 3. Рельсы 3 закреплены на нижней траверсе станины, а рельсы 1 опираются на два клина 8, перемещая которые винтами 12, устанавливают требуемый зазор между рабочими валками. Через сферический подпятник 11 при помощи пружин уравновешивания 9 клинья подтягиваются к верхней траверсе 10 станины. Рабочие клети с неподвижной станиной позволяют получать переменный зазор между валками по длине хода клети благодаря раздельному регулированию левого и правого клиньев. Для этой цели у гайки 14 предусмотрен наружный зубчатый венец, который входит в зацепление с втулкой 13, имеющей внутренние зубья. Если левую втулку 13 вывести из зацепления с гайкой 14, то при вращении винта перемещаться будет только правый клин. В зависимости от направления его перемещения правый конец рельса поднимется или опустится, вследствие чего может измениться зазор между валками в зоне калибрующего участка при сохранении установленного зазора в зоне редуцирования. Малые подшипники рабочего валка, установленные за бегунковыми опорами, могут перемещаться в окнах сварной кассеты 6. Нижний рабочий валок служит одной из двух опор кассеты, верхний – прижат к верхним рельсам пружинами, усилие которых должно быть в пять–шесть раз больше силы тяжести рабочего валка. Другой опорой кассеты являются бегунки 15, перемещающиеся по рельсам 16. Расточка 5 предназначена для присоединения кассеты к шатунам 4 приводного механизма. Оси 7, на которых установлены подшипники бегунков, имеют эксцентриситет 2,5 мм. Поворачивая ось относительно запрессованной в кассету втулки, можно изменять положение бегунка по высоте для регулирования зазора между бегунками и рельсом. При регулировании положения малого бегунка устраняют также смещение бегунковых опор рабочей клети в горизонтальной плоскости от оси прокатки.

Рабочие клети с опорными валками. Эти клети также изготовляют с неподвижной станиной. В конструкции клети фирмы «Etna Standard» (рис. 4.8) подшипники рабочих валков разгружены от вертикальных усилий прокатки. Последние передаются от рабочих валков 1 на опорные валки 2, перекатывающиеся по рельсам 3. Применение опорных валков вызвано кинематическими особенностями движения рабочих валков.

Преимущество рабочей клети с опорными валками – несколько большая жесткость, достигаемая за счет уменьшения расстояния между опорами валков и меньшей упругой податливости валков в зоне контакта по сравнению с опорными бегунками.

Конструктивные недостатки такой клети – большие габариты и масса, а также необходимость изготовления валков с повышенной точностью.

Механизмы привода рабочих клетей станов ХПТ. Рабочие клети станов ХПТ приводятся в движение электродвигателями постоянного тока через кривошипно-шатунные механизмы, которые преобразуют вращательное движение вала электродвигателя в возвратно-поступательное перемещение рабочей клети.

Известны две схемы расположения кривошипно-шатунного механизма: перед рабочей клетью (рис. 4.9, а) в зоне действия патрона подачи и за клетью (рис. 4.9, б). По первой схеме спроектированы отечественные станы ХПТ, по второй – станы фирмы «Mannesmann-Demag» (Германия). В конструкции отечественных станов сокращается их длина и протяженность трансмиссионного вала механизма подачи и поворота заготовки 1, по второй схеме – облегчается обслуживание приводного механизма, поскольку он не заставлен направляющими патронами подачи. Чтобы компенсировать ударные нагрузки и колебательные процессы в валках и шатунах привода применяют упругое звено. В станах ХПТ конструкции ОАО «ЭЗТМ» в качестве упругого звена используют упругие муфты 3 и 5, которые устанавливают между электродвигателем 2 и редуктором 4, а также между редуктором и быстроходным валом 6 кривошипно-шатунного механизма привода клети 7. В станах ХПТ фирмы «Mannesmann-Demag» упругим компенсатором служит ременная передача 9. Благодаря такой передаче и отсутствию конических шестерен приводы указанных станов испытывают значительно меньшие динамические нагрузки в процессе эксплуатации. За каждый оборот кривошипного вала главный привод претерпевает неравномерную нагрузку. В первой половине прямого и обратного ходов клети двигатель ускоряет движущиеся массы 10, 11, приводимые коленвалом 8, а во второй половине обоих ходов затормаживают их. При этом в звеньях приводного механизма наблюдается значительные знакопеременные напряжения.

Способы уравновешивания инерционных сил подвижных масс станов ХПТ. Для уменьшения инерционных сил в станах ХПТ применяют следующие типы уравновешивающих устройств: грузовое; пневматическое и пневмогидравлическое (рис. 4.10).

Способ грузового уравновешивания (рис. 4.10, а) заключается в том, что рабочая клеть 1 и уравновешивающие массы 2 и 3 приводятся в движение от одного коленчатого вала 4, который получает вращение от главного привода 5. В момент остановки рабочей клети в крайнем положении уравновешивающие грузы имеют максимальную скорость, благодаря этому динамические нагрузки резко снижаются, и скорость прокатки может быть значительно увеличена. При грузовом уравновешивании значительно уменьшается момент сил инерции на валу главного привода. Суммарный статический и динамический моменты остаются положительными весь цикл прокатки. Возвратно-поступательное движение уравновешивающего груза происходит от общего коленчатого вала. В станах ХПТ фирмы «Mannesmann-Demag» груз располагают под углом 90 к кривошипно-шатунному механизму рабочей клети. В многониточных станах отечественной конструкции груз диаметрально противоположен рабочей клети. Еще одна разновидность таких механизмов – пневматическое уравновешивающее устройство, которое в отличие от грузового, непосредственно воздействует на рабочую клеть, чем создаются более благоприятные условия для уравновешивания динамических нагрузок в кинематической цепи приводного механизма стана. Пневматическое уравновешивающее устройство (рис. 4.10, б) состоит из двух пневмоцилиндров 2 с поршнями 3, соединяющихся с рабочей клетью 1 (цилиндр слева не показан). При возвратно-поступательном движении клети поршень перемещается внутри цилиндра, при движении рабочей клети от среднего положения вправо или влево воздух в одной полости цилиндра сжимается, а в другой расширяется. Энергия движущейся массы клети при торможении накапливается и используется для преодоления инерционных сил, что значительно уменьшает перегрузку электродвигателя приводного механизма. Оборудование станов ХПТ пневматическими уравновешивающими устройствами позволило увеличить на 10…15% число двойных ходов клети действующих станов. Однако пневматические уравновешивающие устройства сложны в эксплуатации, поскольку необходимо тщательно соблюдать постоянный температурный режим; в случае перегрева воздуха пневматические цилиндры выходят из строя, что приводит к остановке стана.

Пневмогидравлическое устройство (рис. 4.10, в) уравновешивает динамические нагрузки в рабочей клети 1 с помощью гидроцилиндра 2, в котором движется поршень 3, соединенный штоком 4 с рабочей клетью. Левая и правая полости гидроцилиндра соединены с двумя газовыми аккумуляторами 5 и 6. При движении клети к крайнему положению ее кинематическая энергия переходит в энергию сжатого газа в одном из аккумуляторов. При возвращении клети в среднее положение энергия сжатого газа способствует ее движению с увеличенной скоростью. Возвратно-поступательное движение рабочей клети осуществляется от электродвигателя с помощью шатунов 7.