Тема 2 Проектирование основного оборудования Лекция № 2
2.1 Исходные данные для проектирования прокатных
станов
Одним из разделов технического задания на проектирование прокатного цеха является задание на проектирование оборудования. Оно включает:
1. Сортамент готовой продукции, требования к ее качеству, исходные материалы для производства;
2. Производительность – годовой объем выпуска проката и фонд времени работы оборудования, часовые производительности, время на обработку каждого типоразмера проката;
3. Технологический процесс и условия эксплуатации: схема производства, режимы работы оборудования, факторы окружающей среды (запыленность, температурные перепады, шум, вибрации), характеристики материалов и химических веществ, используемых в технологическом процессе;
4. Параметры и характеристики оборудования стана, в т.ч. требования к надежности, экономичности, к уровню унификации и стандартизации, соответствия мировым образцам, патентной чистоте, механизации тяжелых и трудоемких работ, к пожаро-, взрыво- и электро-безопасности, к технической эстетике;
5. Уровень технологической автоматизации: требования к АСУТП отдельных машин и агрегатов и их связи с АСУП цеха;
6. Требования по охране труда, технике безопасности и промышленной
санитарии в виде перечня действующих нормативных документов;
7. Параметры энергоносителей: газа (его состав, теплотворная способность, давление, влажность), электроэнергии (род тока, напряжение), технической воды (давление, температура, жесткость), сжатого воздуха (давление, влажность), пара (давление, температура);
8. Расчет лимитной цены оборудования.
Эти данные разрабатываются проектными организациями министерства-заказчика (в СССР ими были институты Гипромез и Гипросталь). На их основании проектная организация министерства-исполнителя (ранее это был ВНИИметмаш) готовит техническое предложение, после утверждения которого появляется возможность начинать проектирование основного и вспомогательного оборудования стана.
2.2 Проектирование валкового комплекта
К началу проектирования основного оборудования, т.е. рабочих клетей, уже известны их основные параметры. Поскольку работа ведется с использованием опыта эксплуатации существующих станов, то, как правило, известны и типы рабочих клетей, типы привода и виды главных двигателей. Например, современные ТЛС средней мощности тандем имеют клети кварто с индивидуальным приводом от синхронных электродвигателей. Поэтому проектирование может начинается с разработки эскизного проекта рабочей клети.
Основными исходными данными к проекту рабочей клети являются диаметры валков и длины бочек, максимально допустимые сила прокатки Рmax и момент прокатки Мmax, скорость прокатки, размеры и масса заготовок и раскатов, температурный интервал прокатки, требования к быстродействию вспомогательных механизмов.
Проектирование рабочей клети начинается с определения ос-
новных конструктивных решений по валковому комплекту, который включает валки, подшипники, подушки и подпятники (рис.2.1).
Рисунок 2.1 – Валковый комплект дуо
Определяется вид валков 1: сплошные или составные, бандажированные, а также их материал. Сплошные валки проще и дешевле в изготовлении при умеренных их размерах. Валки для больших станов (типа ТЛС 5000) сплошными изготовить затруднительно, поэтому их делают составными. Иногда целесообразно делать составными и небольшие рабочие валки. Например, в клетях кварто требуется рабочие валки делать из чугуна для обеспечения их стойкости против износа. Но чугун имеет сравнительно малую прочность, поэтому шейки таких валков не могут передавать значительные крутящие моменты. Сделав валок из высокопрочной стали и насадив на него чугунный бандаж, можно удовлетворить этим противоречивым требованиям.
Материал валков должен при заданных их размерах и нагрузках обеспечивать статическую и циклическую прочность в течение нормативного срока работы. Кроме того, он должен быть максималь-но износоустойчивым и, для станов холодной прокатки, иметь высокую твердость, обеспечивающую выкатку полос малых толщин. Стальные валки при высокой прочности, имеют сравнительно низкую износоустойчивость, а чугунные - наоборот. Твердость поверхностного слоя стальных валков можно повысить закалкой ТВЧ. Прочность валков из легированного чугуна приближается к прочности стальных валков, но стоимость их может превышать стоимость стальных. Поэтому решение о материале валков следует принимать с учетом экономических показателей, т.к. валки являются сменным инструментом и их стоимость является заметной статьей в расходах по переделу.
Размеры шеек валков определяются размерами их подшипников 2 (рис.2.1). Вид подшипников и их типоразмер находится в зависимости от условий эксплуатации и требований к рабочей клети. Например, для черновых клетей сортовых станов не имеет особого значения точность прокатки, но важны стойкость при попадании в узел опор абразивных частиц, малый коэффициент трения и минимальная стоимость подшипников. Поэтому здесь можно применить подшипники скольжения открытого типа с неметаллическими вкладышами. Наоборот, для чистовых клетей, где основным требование является точность прокатки, подшипники должны иметь высокую жесткость и способность работать при высоких скоростях, характерных для современных сортовых станов. Подшипники качения имеют высокую жесткость, но они не могут длительно работать при высоких скоростях. Поэтому в таких случаях приходится применять ГДП. Но ГДП требуют централизованной системы подачи жидкой смазки, а их грузоподъемность зависит от частоты вращения.
Для восприятия осевых нагрузок, если основные подшипники не являются радиально-упорными, узел опор следует делать комбинированным, с дополнительными радиально-упорными или упорными подшипниками (рис.2.2).
Рисунок 2.2– Схема комбинированной опоры кварто
После выбора подшипников производится их расчет на долговечность, грузоподъемность, допустимую нагрузку и т.п.
Т.к. размеры шеек валков определяются размерами подшипников, то после их выбора становятся известными все размеры валков в первом приближении и можно производить их расчет на прочность и жесткость. Если результаты расчета оказываются не удовлетворительными, то выбираются другие подшипники, с большим внутренним диаметром, и расчеты повторяются.
Особое внимание следует уделять конструкции всего узла опор.
Прежде всего нужно выбрать вид посадки подшипников на шейки валков, обеспечивающий удобство монтажа и демонтажа при перевалках и, одновременно, не допускающий повреждения поверхности шеек, если используются посадки с гарантированным зазором. Затем – обеспечить фиксацию подшипника на шейке в осевом направлении. Со стороны валка для этого делается буртик, а со стороны свободного конца валка подшипник обычно стопорится гайками.
Узел опор будет надежно работать только при условии его тщательной герметизации и смазке. Для герметизации используются различные уплотнительные устройства (лабиринтные уплотнения, сальники, манжеты). Смазка узла опор зависит от вида подшипников и регламентируется инструкцией по эксплуатации этих узлов.
После определения основных размеров валков необходимо выполнить их расчет на статическую и циклическую прочность и на деформацию. Если окажется, что валки не удовлетворяют существующим нормам по прочности и жесткости, следует произвести корректировку их размеров, если это возможно, или изменить материал или, в крайнем случае, убедить заказчика в необходимости снизить нагрузки.
Подшипники скольжения открытого типа проверяются по удельной нагрузке в соответствии с существующими нормами.
Гидродинамические подшипники рассчитываются на:
1. Обеспечение режима жидкостного трения путем сравнения полученной толщины смазочного слоя hmin с критической величиной hкр;
2. Грузоподъемность в зависимости от фиксированного hmin и скорости вращения;
3. Наименьшую угловую скорость при известных размерах подшип-
ника, нагрузки на него и температурно-вязкостных характеристик масла;
4. Определение сорта смазки, обеспечивающего заданную грузо-
подъемность при данной скорости вращения;
5. Определение давления подачи смазки, обеспечивающего нормальную работу подшипника.
Подшипники качения рассчитываются только на долговечность, но с учетом предельно допустимой частоты вращения при данном виде смазки (густой или жидкостной).