§ 36. Взаимодействие сил в колесопрокатном стане

Колесопрокатный стаи представляет собой сложную установку с большим числом валков, двухмоторным электрическим приводом и разветвленной гидравлической системой.

Деформирующий инструмент стана укрепляется как в пере-двигающихся, так и в неподвижных опорных конструкциях. В свою очередь, опорные конструкции валков могут перемешаться одна относительно другой. Так, например, в колесопрокатном стане, установленном в Советском Союзе, нажимные ролики стана перемещаются совместно как с рабочей клетью, так и с опорной конструкцией нажимных роликов салазками, относительно неподвижной рабочей клети.

Это многообразие движений и определяет схему действия сил на различных этапах прокатки. Кроме того, особенности конструкции стана, а также форма, взаимное расположение и система привода деформирующего инструмента тоже существенно сказываются на взаимодействии сил в процессе прокатки.

Рассмотрим взаимодействие сил: между элементами колесопрокатного стана, установленного на одном из заводов СССР. Этот стан является наиболее современным и отличается высокой производительностью, значительно превышающей производительность многих установок США и Англии.

Рассматриваемый стан имеет три приводных валка — коренной и два наклонных. Коренной валок установлен на неподвижном вертикальном валу. Наклонные валки в рабочем положении наклонены к горизонту под одинаковым углом и закреплены в перемещающейся в процессе прокатки рабочей клети. Коренной и нижний наклонный валки приводятся во вращение от одного главного двигателя, а верхний валок имеет самостоятельный привод от специального двигателя. Нажимные и направляющие ролики холостые. Расположение валков относительно прокатываемой заготовки соответствует схеме, показанной на рис. 88.

Двигатели стана включаются после установки колесной заготовки в стан и выключаются после окончания деформирования. Таким образом, весь период деформирования можно разбить на следующие три стадии:

1) разгона двигателей стана;

2) постоянного числа оборотов;

3) торможения.

Ниже, при рассмотрении энергетики процесса прокатки, мы подробней остановимся на характеристике каждой из этих стадий, здесь же ограничимся констатацией того, что процесс при деформировании колесной заготовки — неустановившийся. Этому способствует также и то, что основные гидравлические цилиндры — нажимной цилиндр верхнего наклонного валка и цилиндр салазок — работают под переменным давлением. Давление в начале процесса деформирования равно 60 ат, а затем цилиндры переключаются на давление в 160 ат. Переключение обычно производится в период разгона. При работе на высоком давлении деформирование за каждый оборот осуществляется путем подачи, производимой переключением клапанов гидравлического цилиндра салазок. Переключение клапанов производится вручную и поэтому не гарантирует постоянства действующих сил. Таким образом, при прокатке колес установившегося процесса не существует.

Тем не менее вполне допустимо рассмотреть в общем виде взаимодействие сил в процессе деформирования при работе нажимных цилиндров на высоком давлении, так как это рассмотрение может быть положено в основу расчета стана и выбора оптимальных усилий для отдельных звеньев стана.

Рис. 110. Кинематическая схема колесопрокатного стана:

1-наклонные валки; 2-направляющий ролик; 3-нажимной ролик; 4-рабочая клеть; 5-салазкинажимных роликов; 6-цилиндр хода рабочей клети вперед; 7-цилиндр обратного хода рабочей клети; 8-цилиндр для подачи направляющих роликов к колесу; 9-цилиндр обратного хода направляющих роликов;10-нажимной цилиндр верхнего наклонного вала; 11-цилиндр подъема верхнего наклонного вала; 12-главный двигатель стана; 13-редуктор; 14-коническая зубчатая передача к вертикальному валу; 16-коренной валок; 17-двигатель верхнего наклонного вала

С целью упрощения задачи, осложненной наличием большого числа валков и гидравлических цилиндров, давлением которых осуществляется деформирование колесной заготовки, в дальнейшем группы элементов стана будут объединяться в единую систему материальных тел, по отношению к которой воздействие всех элементов стана, не вошедших в систему, будет представлять внешние силы.

Изолированное рассмотрение отдельных силовых систем вполне обосновано, так как оно позволяет выявить взаимосвязь между отдельными элементами стана, входящими в данную систему.

Рассматривая равновесие той или иной системы под действием внешних сил, можно определить усилия, действующие на все элементы стана.

Для удобства рассмотрения представим колесопрокатный стан в виде схемы, связывающей деформирующий инструмент стана с основными кинематическими звеньями (рис. 110). Из приведенной схемы видно, что рабочая клеть стана может перемещаться относительно закрепленного неподвижно коренного вала в направлении как к нему, так и от него. При этом вместе с рабочей клетью перемещаются и гидравлические цилиндры верхнего наклонного вала. Шестерня нижнего наклонного вала, перемещаясь вместе с рабочей клетью, все время остается в зацеплении с ведущей конической шестерней, передвигающейся (благодаря скользящей шпонке) по главному приводному валу. Как было указано выше, салазки с нажимными роликами могут перемещаться как совместно с рабочей клетью, так и независимо от нее — под давлением воды в нажимном цилиндре.

В рабочем положении нажимные ролики находятся в соприкосновении с колесной заготовкой. При подаче воды в нажимной цилиндр салазок нажимные ролики вдавливаются в колесную заготовку, осуществляя деформирование поверхности катания колеса. С другой стороны, давлением воды на плунжер нажимного цилиндра люльки, с помощью наклонных валков, осуществляется деформирование внутренней и боковых поверхностей обода колеса. Таким образом, обод оказывается зажатым между наклонными валками и нажимными роликами.

Заготовка, будучи зажатой между нажимными и наклонными валками, может отойти от коренного валка вместе с рабочей клетью под действием давления в цилиндре обратного хода последней. При этом деформация может осуществляться действием нажимных роликов и наклонных валков. В данном случае система «прокатываемое колесо — рабочая клеть» не связана с коренным валом. Для этой системы усилие, действующее со стороны коренного валка, и давление гидравлических цилиндров прямого и обратного хода рабочей клети будут являться внешними силами. Усилия, действующие на заготовку со стороны нажимных роликов и наклонных валков, будут в указанной системе силами внутренними, взаимно уравновешивающимися.

Второй системой является колесная заготовка, по отношению к которой все силы, действующие со стороны деформирующего инструмента, являются внешними.

Третья система — «колесная заготовка — наклонные валки», рассмотрение которой позволит определить необходимое давление в нажимном цилиндре наклонных валков и связь между усилиями в нажимных цилиндрах верхнего наклонного валка и салазок.

/. Силы, действующие на систему «прокатываемое колесо —

рабочая клеть»

При определении усилий, действующих на систему «колесо — рабочая клеть», можно считать, что перемещающаяся рабочая клеть, салазки, в которых закреплены нажимные ролики, и колесная заготовка представляют единое целое. Рассмотрим взаимодействие сил между этой системой и коренным валком и направляющими роликами.

В процессе раскатки заготовка увеличивается в диаметре и отодвигает рабочую клеть в направлении, противоположном расположению коренного валка. Примем это направление положительным направлением оси X в координатной системе ХОУ, в которой начало координат находится в центре раскатываемой заготовки.

В процессе прокатки все силы, действующие на рассматриваемую систему, — «колесо — рабочая клеть», — будут находиться в состоянии подвижного равновесия.

Внешними силами для этой системы будут (рис. 111):

Рис. 111. Силы, действующие на систему «прокатываемое колесо – рабочая клеть»:

1-колесная заготовка; 2-направляющий ролик; 3-коренной валок;

4-нажимной ролик

— усилие, действующее на плунжер цилиндра прямого хода рабочей

клети;

— усилие, действующее на плунжер цилиндра обратного хода

рабочей клети;

и — проекции на ось X усилий, действующих со стороны

направляющих роликов на заготовку;

— проекция на ось X усилия, действующего на заготовку со

стороны коренного валка;

— усилие трения при передвижении рабочей клети;

— усилие, действующее со стороны цилиндра обратного хода

салазок.

Здесь — вес рабочей клети; — коэффициент трения при передвижении рабочей клети по направляющим.

Следует помнить, что усилие представляет сумму номинального давления гидравлики на плунжер цилиндра прямого хода рабочей клети и сопротивления передвижению плунжера, находящегося под давлением. То же относится и к усилию .

Давление гидравлики в цилиндрах прямого и обратного хода салазок и давление в гидравлических цилиндрах верхнего наклонного вала являются для рассматриваемой системы внутренними взаимно-уравновешивающимися силами.

Если система «колесо — рабочая клеть» находится в состоянии равновесия, то может быть написано уравнение проекций всех сил, действующих на систему по оси X:

. (3.1)

Решая это уравнение относительно получим

Усилия , , и для данной конструкция являются величинами постоянными. Для определенного состояния поверхностей скольжения рабочей клети и известного вида смазки коэффициент трения также будет величиной постоянной. Поэтому усилие, действующее на коренной валок (проекция его на ось X равна реакции и направлена противоположно ей), а следовательно, и мощность, расходуемая на коренном валу, целиком зависят от мощности гидравлических цилиндров рабочей клети. При этом в первом приближении можно считать, что изменение направления равнодействующих сил давления и трения на коренном валке и направляющих роликах при раскатке заготовки не влияет на величины , и . Увеличивая давление в гидравлических цилиндрах прямого хода рабочей клети, можно увеличить и реактивные усилия на коренном валке.

На практике иногда применяют регулировку давлением путем перекрытия клапанов гидравлических цилиндров прямого хода рабочей клети. При этом благодаря раскатке диаметр заготовки непрерывно увеличивается, а рабочая клеть остается неподвижной. Коренной валок больше внедряется в металл, увеличивая давление на колесную заготовку. Этим приемом обычно пользуются при плохой выкатке гребня колеса.

Мы приняли, что изменение направления усилий, действующих со стороны коренного валка и направляющего ролика, настолько ничтожно при раскатке заготовки, что не оказывает влияния па величину их проекций на ось X. В процессе раскатки происходит изменение конфигурации и величины поверхности соприкосновения коренного валка и направляющих роликов с металлом. Кроме того, при увеличении диаметра прокатываемой заготовки изменяется расположение направляющих роликов относительно колеса, однако обжатия по поверхности катания настолько малы, что изменение дуги захвата практически не сказывается на величине проекций усилий на ось X. В отношении же изменения положения направляющих валков относительно колесной заготовки А. Ф. Звягинцевым было показано, что это изменение не имеет практического значения.