Прокатный стан
Иллюстрации
Реферат
Изобретение относится к прокатному производству, в частности к конструкции прокатных станов, и наиболее эффективно может быть использовано при производстве горячекатаных и холоднокатаных полое и листов. Цель изобретения - повышение производительности за счет увеличения скорости задачи .металла в клеть путем уменьшения взаимного смеш,ения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок. Установлено оптимальное соотношение крутильных жесткостей соединительных валов приводов валков для схемы стана с взаимным осевым сдвигом элементов привода разных валков, при котором дополнительные динамические усилия в направлении оси прокатки, действуюшие на валки и изгибаюш.ие конец полосы, минимальны или близки к нулю. 3 ил. $ (Л оо ел СП 4 ОО
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН дд 4 В 21 В 35/00
il Ф 1
t ) 1. ФЪ
" 1
1д
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4061672/22-02 (22) 24.04.86 (46) 07.12.87. Бюл. № 45 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения им. А. И. Целикова (72) И. К. Азимов, М. М. Ванинский, С. Д. Гарцман, А. А. Жуков, В. И. Пономарев, Ю. А. Рубанович, А. А. Филатов, В. Н. Чекулаев и А. В. Шибанов (53) 621.771.2.06-88 (088.8) (56) Целиков А. И., Смирнов В. В. Прокатные станы. М.: Металлургиздат, 1958, с. 53, рис. 3?.
Авторское свидетельство СССР № 1091956, кл. В 21 В 35/00, 1983. (54) ПРОКАТНЫЙ СТАН (57) Изобретение относится к прокатному производству, в частности к конструкции.80,» 1357548 А 1 прокатных станов, и наиболее эффективно может быть использовано при производстве горячекатаных и холоднокатаных полое и листов. Цель изобретения — повышение производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть путем уменьшения взаимного смещения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок. Установлено оптимальное соотношение крутильных жесткостей соединительных валов приводов валков для схемы стана с взаимным осевым сдвигом элементов привода разных валков, при котором дополнительные динамические усилия в направлении оси прокатки, действующие на валки и изгибающие конец полосы, минимальны или близки к нулю. 3 ил.
1357548
Изобретение относится к прокатному производству, в частности к конструкции прокатных станов, и может быть использовано при производстве горячекатаных и холоднокатаных полос и листов. 5
Цель изобретения — повышение производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть путем уменьшения взаимного смещения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок.
На фиг. 1 приведена схема прокатного стана с горизонтальной рабочей клетью; на фиг. 2 — схема сил, действующих на валковые системы; на фиг. 3 — схема сил, действующих на рабочие и опорные валки в четырехвалковой рабочей клети.
Прокатный стан включает горизонтальную рабочую клеть, содержащую верхнюю 20 и нижнюю 2 валковые системы с верхним 3 и нижним 4 рабочими валками, каждый из которых имеет индивидуальный привод 5 и 6.
Приводы 5 и 6 содержат электродвигатели 7 и 8 и трансмиссии, включающие зубчатые передачи 9 и 10 и соединительные валы 11—
14. Валы 11 и 12 осуществляют передачу вращения от зубчатых передач 9 и 10 к рабочим валкам 3 и 4, а валы 13 и 14 передают вращение от электродвигателей 7 и 8 к зубчатым передачам 9 и 10.
При прокатке полос в рабочей клети прокатного стана в приводах 5 и 6 рабочих валков формируются моменты сил упругости а на рабочие валки 3 и 4 со стороны полосы 15 (см. фиг. 2) действуют усилия про- 35 катки, равнодействуюгцие Р которых смегцены от оси вращения верхнего валка на величину 4 и нижнего валка — на величину
l„. Параллельно оси прокатки на валки действуютт ус ил и я T.
Уравнения движения вал ковых систем запишутся следующим образом i вишь = — М„„р,— М„р,, (1) 1н ptl Муир н Мирн (2)
45 где Ii, li„— приведенные к оси вращения рабочих валков динамические моменты инерции соответственно верхней .1 и нижней 2 валковых систем; р, ф„— угловые ускорения соответст- 50 венно верхнего 3 и нижнего 4 рабочих систем;
М,,„„„ М,,„„„ †момен сил упругости в соединительных валах 11 и 12, примыкаюгцих соответственно к верхнему и нижнему рабочим 55 валкам;
М„„, М„,„— моменты прокатки соответственно на верхнем и нижнем рабочих валках, равные, согласно фиг. 2
М„р,—— Pl, +7,; (3)
М„," „=. Рг„— т„ (4) где r — радиус рабочего валка.
Из условия равновесия полосы под действием сил Р и Т нетрудно получить, что (5) P(l,— )=: Th, где h — плечо сил Т.
Учитывая, что разность моментов прокатки на верхнем и нижнем рабочих валках пропорциональна разности их угловых скоростей ф„ и ф„, с учетом зависимостей (3)— (5) получим следующее выражение
T(2r+h) = K(yÄ â€” cj„), (6) где К вЂ” коэффициент пропорциональности.
Дифференцируя выражение (6) по времени, получим (р„— р„=-- - (2r+ h) (7) где Т вЂ” производная усилия Т по времени t.
Учитывая, что для большинства прокатных станов величины и Е > практически равны, обозначив 116 и II6 через ll и вычитая из выражения (1) выражение (2), с учетом зависимостей (3) — (5) и (7) получим следующее выражение:
Начальное условие для уравнения (8) имеет вид T=O при t=O.
Решая уравнение (8), получим к Ь
T — — — --е 1 1(М>„,,— М,.„, Ä)ezÄ"dU. (9)
Таким образом, в случае неравенства моментов сил упругости М,,„,, М,,„,„на полосу и рабочие валки будут действовать усилия, стремящиеся переместить валковые системы вдоль оси прокатки и изогнуть полосу. Очевидно, что усилия, изгибающие передний конец раската, формируются в начале процесса прокатки полосы валками в относительно короткий промежуток времени. Внутри этого промежутка моменты сил упругости М, р, и М,.„,„могут быть аппроксимированы функциями моментов сил упругости по второй форме колебаний существенно меньше амплитуд по первой форме колебаний, можно принять
М,,„р, l<=o =Л,4,; (12)
М,, „, „4,=о=А„л„, (13) (10) (11) где М,.„,„l<=g, М,,„,, =Π— — значения производных по времени величин М,„„ и М,„„,, „в момент
t 0.
В случае, когда амплитуды колебаний
1357548
Roon в гарн i
Дф„н = г(р„,.
Решив уравнения (15) — (20) но Q, и Q„, получим следующие
Мупр в Мпр в
Хор г (19) (20) относительвыражения: (21) где Л)р, у(,)н — первые частоты собственных крутильных колебаний участков «верхняя валковая система — трансмиссия — якори электродвигателей» и «нижняя валковая система — трансмиссия — якоря электродвигателей», соответственно, Гц;
А„Ан — коэффициенты пропорциональности, Н.м.
Подставляя выражения (10) и (11) в уравнение (9), с учетом соотношений (12), (13), получим кt К
T= — — —.- e z, (((A Х),— Ан- )Ä)uez,"гШ. (2г+6)1) (14)
Учитывая, что при Хщ=4„величины А, =
=Ан, из выражения (14) получаем, что в этом случае величина Т близка к нулю и, следовательно, усилия, изгибающие передний конец раската при прокатке его в рабочей клети, при Х)д=4н минимальны.
Для станов с клетями, валковые системы
1 и 2 которых выполнены в виде двух рабочих 3 и 4 и двух опорных 16 и 17 валков (см. фиг. 3), в дополнение к усилиям Т в зоне контакта опорных и рабочих валков будут формироваться усилия, составляющие которых, параллельные оси прокатки и действующие на верхние и нижние валки, обозначим через Q, и Я„ соответственно. Эти силы перемещают и изгибают валковые системы в направлении оси прокатки. Для определения их запишем следующие уравнения движения рабочих и опорных валков:
I.п,(р„,,= Q,R; (15)
I,, cp M „„„, — Мп „вЂ” <;)„г (16)
I,„„y,„„=Q„R; (17)
1рн фрн= М,п, „— Мп, „— Q< г, (18) где !вп „ Iвп „вЂ” динамические моменты инерции соответственно верхнего
16 и нижнего 17 опорных валков;
1„, 1,„— динамические моменты инерции соответственно верхнего
3 и нижнего 4 рабочих валков;
<р и „ ср„,„ — угловые ускорения соответственно верхнего и нижнего опорных валков;
Я вЂ” радиус опорного валка.
Примем, что I.п,=1.п в=1„„1р,— — !рн — — Iр.
При отсутствии проскальзывания рабочих валков относительно опорных справедливы соотношения упрн прн (22) (.+1)
Из выражений (21), (22) следует, что величины и направления составляющих Q, и Q„s общем случае не одинаковы и зависят от соотношений моментов сил упругости и моментов прокатки, действующих на верхний и нижний рабочие валки. В случае неравенства сил Q и Q„ïðîèñõîäèò взаимное смещение рабочих валков вдоль оси прокатки за счет их перемещения и изгиба, что приводит к изгибу. переднего конца раската.
Указанное смещение может быть охарактеризовано разностью Q„— Q<, которая, как это следует из выражений (21), (22), (3), (4), (5) и (9), равна
1 аб Q е- (М„s Мп
Н (Z я+ ) упрв )прн
Е.,r t
U е ), 1(м,.„.— M... „)ee и U) 1 (23) 20 (1))„+<)„— — О, (24)
02н (р2н — ср)н + ср2н + p((1)2H — срзк )=О; (25) (:1зн я>з к — р((р2н — (рзк)=0, (26) ГдЕ ф)н, р2н, рЗК вЂ” УГЛЫ ЗаКруЧИВаНИя Прнведенных к оси вращения нижнего рабочего валка масс соответственно нижней валковой системы 2, зубчатой передачи 10 и якорей 8 электродвигателей, рад;
f)), ф2к, 1рзн — вторые производные велиЧИН (Р) К, (P2)) И (РЗ н COOT55
Из последнего выражения следует, что чем меньше разность моментов сил упругости на верхнем и нижнем рабочих валках, тем меньше влияние сил Q u Q íà изгиб
25 переднего конца раската.
Используя соотношения (1О), (I1) аналогично ранее проведенным выкладкам (12) — (14), можно показать, что уменьшение разности величин усилий Qa — Q è уменьшение усилия Т, а следовательно, снижение величины изгиба переднего конца полосы может быть достигнуто путем выравнивания первых частот крутильных колебаний систем
«верхняя валковая система — трансмиссия — якори электродвигателей» и «нижняя валковая система — трансмиссия — якори электродвигателей» при одновременном уменьшении амплитуд колебаний моментов сил упругости по второй форме колебаний.
Для обеспечения сформулированных условий соединительные валы трансмиссий
40 рабочей клети следует выполнять с крутильными жесткостями, удовлетворяющими пред— лагаемым зависимостям.
Свободные крутильные колебания масс системы «нижняя валковая система — трансмиссия — якори электродвигателей» могут
45 быть описаны уравнениями
1357548 (28) ) 5
Первая ) 1в и вторая Х2н (Гц) частоты свободных крутильных колебаний масс привода определяются из безразмерных частот по формулам
Х =р.„ Съ /щ„/(2л); (29)
12я =q С в /11в /(2л) . (30)
Для крутильной системы «верхняя валковая система — трансмиссия — якори электродвигателей» справедливы соотношения, 25 аналогичные соотношениям (24) — (30) .
Условие равенства первой частоты Х1ь свободных крутильных колебаний масс привода верхнего рабочего валка частоте 4н с учетом соотношения (29) имеет вид
4, =Р,Тл /!ц ((2п). (31)
Определяя из уравнения (31) первую безразмерную собственную частоту крутильных колебаний масс привода верхнего рабочего валка и подставляя полученную величину в характеристическое уравнение, запи- З5 санное для этого привода, получим тождество,.разрешая которое относительно крутильной жесткости Сзь, имеем
С2ь=С1н — 2Озв Х
Р
40 ц2 (37) 45 Аналогично для привода верхнего рабочего валка имеем
Свь)С к р2 Ä(1 — <0 . (34) 5 ???????????????????? ???? ???????????????????????? ?????????????? ??= — >
Квадраты р первой и q второй безразмерных собственных частот крутильных колебаний системы являются корнями характеристического уравнения
Таким образом р, = (i+ .+"+ "+
02„В . (32)
Условие (32) обеспечивает равенство первой частоты колебаний привода нижнего рабочего валка одной из частот колебаний привода верхнего рабочего валка. Для получения условия, обеспечивающего совпадение первых частот колебаний, воспользуемся тем, что в соответствии с теоремой об изменении частот системы при наложении связей р « вЂ” —" — q. (33)
Оен 1
Из аналогичного соотношения для при йода верхнего рабочего валка с учетом ра венства (31) имеем
Выражение (32) в сочетании с условием (34) обеспечивает совпадение первых частот колебаний масс приводов верхнего и нижнего рабочих валков, что является необходимым условием для уменьшения величин усилия Т и разности Яь — Q
При выборе конструктивных параметров приводов, обеспечивающие снижение амплитуд колебаний моментов сил упругости в соединительных валах 11 и 12 по второй форме колебаний сравнительно с амплитудами по первой форме, учтем следующее. При линейно растущих во времени от нуля до установившихся значений моментах прокатки, характерных для начального периода захвата металла рабочими валками, амплитуды колебаний моментов сил упругости в каждой из форм соотносятся друг с другом приблизительно как величины, обратно пропорциональные квадратам собственных частот.
Поэтому при
"2 .2 Н вЂ” --)3; (35) г,1н 28
----) 3 (36)
4ь . 2 амплитуды колебаний моментов сил упругости по первой и второй форме будут отличаться не менее, чем в три раза. С учетом демпфирования колебаний в результате внут реннего трения эта разница становится еще больше.
Поскольку близость собственных частот в первой и второй формах колебаний приводит к росту динамических нагрузок, формирующихся в приводах во время переходного процесса при захвате металла валками, выполнение условий (35) и (36) обеспечивает снижение этих нагрузок и, следовательно, повышение долговечности элементов приводов.
Подставляя в условие (35) значения л1„ и i.2„èç соотношений (29), (30), с учетом выражения (28) получаем
О„(1+()2H)+IJnc=(с)XM 1) — — — — — — )2,3
Up 02н Ози Оен
С н
Озь (1+02ь) +(ьвС вЂ” -)2 3 (38) (4 1) Й -02в Озв Оев
Cle
Таким образом, получены зависимости (32). (34), (37) и (38)„ адекватные заявляемым.
Прокатный стан (фиг. 1) имеет следующие характеристики: динамический момент инерции валковых систем 1 и 2:I lb =llHâ€
= — 10 кг- м ; динамический момент инерции зубчатых передач 9 и 10: 12в — — 12 =3X
X10 кг м, динамический момент инерции
1357548
+ 1 +8,8+ 8,8
Р =
3 72
=0,88
=2,7 10"
=3,0
Формула изобретения
55 якорей электродвигателей 7 и 8: Iz<=Izq =
=1,15 10 кг м, крутильные жесткости соединительных валов: вала 11 С =9,2)(/10 Н-м/рад; вала 12 С и=10" Н м/рад; вала 3 Cps=2,7.10" Н м/рад; вала 14 С вЂ”вЂ”
=1,4 10" Н м/рад; передаточные отношения зубчатых передач UB =U< =25.
Безразмерные динамические моменты инерции масс приводов равны
Og —— Ogg — — 3 10 /10 =3,0;
Озо=Оз н —— 2,5 1,15 10 /10 =72;
И в =О он=1+3+72=76.
Безразмерная крутильная жесткость соединительного вала 14 равна р,— = 2,5 1,4.10" /10"=8,8.
Квадрат первой безразмерной частоты собственных крутил ьных колебаний масс привода нижнего рабочего валка определяется по формуле (28) и равен
Подставляя полученные величины в правые части соотношений (34) и (32), получим
10" 0,88 —,-(1- ) =8,7 ° 10, 10" 1
С равнивая полученные величины со значениями Ci и Се соответственно получаем, что соотношения (32) и (34) выполняются.
Подставляя исходные данные в левые части соотношений (37) и (38), имеем соответствен о
72 (1+3)+2,5 — — ц--(76 — 1)
2,5 — — „-- 3 72 76
1,4-10
72 (1+3) +2 5 — — -; ° (76 — 1) откуда следует, что для описанных крутильных систем соотношения. (37) и (38) выполняются.
Предлагаемый прокатный стан работает следующим образом.
При захвате металла рабочими валками в их приводах формируются динамические моменты сил упругости, изменение которых во времени носит колебательный характер, причем первые частоты колебаний моментов в приводах верхнего и нижнего рабочих валков одинаковы, а вторые частоты отличаются от первых не менее, чем в 1,7 раза. По5
45 следнее обеспечивает эффективное снижение максимальных динамических моментов сил упругости в трансмиссиях при захвате металла и увеличение долговечности элементов приводов.
В результате указанного разнесения первой и второй частот амплитуды моментов сил упругости по второй форме колебаний малы по сравнению с амплитудами по первой форме. Благодаря этому уменьшаются усилия, действующие параллельно оси прокатки в зоне контакта полосы и рабочих валков.
Это обеспечивает уменьшение изгиба переднего конца полосы. Кроме того, уменьшается взаимное смещение или изгиб верхнего и нижнего рабочих валков, что также приводит к уменьшению изгиба переднего конца полосы. Снижение изгиба переднего конца полосы позволяет увеличить скорость ее задачи в следующую клеть и таким образом, обеспечивает увеличение производительности прокатного стана.
Для прокатного стана, содержащего четырехвалковую рабочую клеть, дополнительно к отмеченному эффекту уменьшается разница между усилиями, формирующимися в зонах контакта рабочих и опорных валков верхней и нижней валковых систем, так как в предлагаемой конструкции эти усилия, будучи близкими по величине, действуют в одном направлении, причем смена направления происходит практически одновременно, Это также приводит к уменьшению взаимного смещения рабочих валков вдоль оси прокатки.
В конце прокатки при выходе полосы из рабочей клети имеют место динамические процессы, аналогичные описанным. Следовательно, предлагаемая конструкция прокатного стана обеспечивает также уменьшение изгиба заднего конца полосы и, таким образом, реверсивного прокатного стана, повышение его производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть.
Использование предлагаемой конструкции прокатного стана обеспечивает повышение производительности стана за счет увеличения скорости задачи металла в рабочую клеть, а также снижение динамических нагрузок, возникающих в трансмиссиях при захвате раската валками, и увеличение долговечности элементов приводов.
Прокатный стан, включающий горизонтальную рабочую клеть, содержащую верхнюю и нижнюю валковые системы с рабочими валками, каждый из которых имеет индивидуальный привод в виде по меньшей мере одного электродвигателя и трансмиссии, содержащей соединительные валы и зубчатую передачу, причем отдельные элементы привода верхнего рабочего валка, например зубчатые передачи или электродвигатели, 1357548 расположены со смещением по длине линий приводов относительно таких же элементов привода нижнего рабочего валка, а соединительные валы трансмиссий выполнены с заданными соотношениями крутильных жесткостей, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть путем уменьшения взаимного смещения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок, соотношения крутильных жесткостей соединительных валов определяются следующими зависимостями:
Cis )С н p2 ",.(1 ):
С2в = C in — Озв Х
Р
Un
1+02в (1 — р -"- —,-)
Xp2 (s+8 — Ò s (1 — p2 —
Озн (1+02н) +Ц, с (О н — 1)
- )2,3;
К 02нОзнО
° Чс,„
О з в (1+ 02@)+ Us" —," (О. в — 1 ) — — — — — --)23
Us g — "-O2s O3s О в где С|в — суммарная крутильная жесткость 30 соединительных валов, расположенных между рабочим валком и зубчатой передачей привода верхего рабочего валка, Н-м/рад;
Сщ — суммарная крутильная жесткость соединительных валов, располо- 35 женных между рабочим валком и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, Н м/рад; р - — квадрат первой безразмерной частоты собственных крутилъных ко- 40 лебаний участка «нижняя валковая система — трансмиссия— якори электродвигателей», равный
p2= — (1+ — - + ——
1+8 Р
02н Озн
p — приведенная к оси вращения рабочего валка безразмерная сум- 50 марная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, равная р= УйС2н / С н, 55
U„ — передаточное отношение зубчатой передачи привода нижнего рабочего валка;
С2, — суммарная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, Н м/рад:
02н — безразмерный динамический момент инерции зубчатой передачи нижнего рабочего валка, равный
O 2í — — /2н // н, /2Н вЂ” приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции зубчатой передачи привода нижнего рабочего валка, кг м; приведенный к оси вращения рабочего валка динамический моI3„динамический момент инерции якорей электродвигателей привода нижнего рабочего валка, кг м ;
Овн — безразмерный суммарный динамический момент инерции масс привода нижнего рабочего валка, равный Hf N = 1 +02 н+Озн, I s — приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции верхней валковой системы, кг м ;
02в — безразмерный суммарный динамический момент инерции масс привода верхнего рабочего валка, равный О в =1+02s+03s
02в — безразмерный динамический момент инерции зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка, равный 02в=1 в/Iy, Iis — приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка, кг м-;
Озв — приведенный к оси вращения рабочего валка безразмерный динанамический момент инерции якорей электродвигателей привода верхнего рабочего валка, равный
Озв — UsI2 в /I!6
U, — передаточное отношение зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка;
I3s — динамический момент инерции якорей электродвигателей привода верхнего рабочего валка, кг-Й ;
C» — суммарная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода верхнего рабочего валка, Н.м/рад. мент инерции нижней валковой системы, кг м, Озн — приведенный к оси вращения рабочего валка безразмерный динамический момент инерции якорей электродвигателей привода нижнего рабочего валка, равный
Озн = (- н/3 н/Il к, 1357548
1357548
Составитель Б. Бейнфест
Редактор С. Патрушева Техред И. Верес Корректор H. Король
Заказ 5498/29 Тираж 481 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж--35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие. г. Ужгород, ул. Проектная, 4