Расчет главной линии рабочей клети и режима прокатки полосы 0,4×1260 мм из стали марки 08КП на четырехклетевом непрерывном стане холодной прок

Липецкий  государственный технический университет

 

 

 

Кафедра обработки  металлов давлением

 

 

 

 

 

 

 

Выпускная работа

«Расчет главной линии рабочей клети и режима прокатки

полосы 0,4×1260 мм из стали марки 08КП на четырехклетевом

 непрерывном  стане холодной прокатки 1400»

 

 

 

 

 

 

Студент                                   ____________________                    Бубенцов М.А.

Группа ОД – 08 – 3 

 

Руководитель                          ____________________                    Чабоненко А.А.

к.т.н. доцент

 

 

 

 

 

 

 

Липецк 2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АННОТАЦИЯ

 

С. 61. Рис. 13. Табл. 12. Библиогр.: 15 назв. Прил. 1.

 

В данной работе спроектирована главная линия  рабочей клети 1400 для стана холодной прокатки и разработана технология прокатки электротехнической стали 08КП 0,4×1260 мм. Прокатка ведется на стане, состоящем из четырех клетей, подобных спроектированным в первой части.

Задачей данной работы является приобретение практических навыков в проектировании главной линии клети и разработке технологии прокатки.

 

 

 

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Главная линия клети ……………………………………………………..А1

Всего листов формата А1.…………………………………………………2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

Введение  …. ………………………………………………………………………...6

Часть первая. Проектирование главной линии прокатного стана………….…….7

1. Исходные  данные…………………………………………………………………7

1.1. Основные  параметры и размеры……………………………………………….7

1.2 Производственная программа  и режим работы клети.

       Расчётные нагрузки……………………………………………………………..8

1.3. Картина частот вращения валов,  крутящих моментов 

       и мощностей в кинематической линии клети………………………………..11

2. Проектирование клети…………………………………………………………..14

2.1. Узел валков…………………………………………………………………….14

2.1.1. Узел рабочего валка…………………………………………………………14

2.1.2. Узел опорного валка…………………………………………………………16

2.2. Устройства для установки  валков………………………………………….....20

2.3. Узел станин…………………………………………………………………….24

2.3.1. Станины………………………………………………………………………24

2.3.2. Элементы соединения станин………………………………………………25

2.4. Установка клети………………………………………………………………..26

2.5. Напряжения в деталях клети  и их деформация……………………………...27

2.5.1. Валки………………………………………………………………………….27

2.5.2. Детали, находящиеся в окне  станины……………………………………...29

2.5.3. Станина……………………………………………………………………….30

2.5.4. Суммарная  деформация и модуль жесткости  клети………………………31

2.6. Нагрузки, допускаемые клетью………………………………………………31

3. Проектирование  главного привода клети……………………………………...32

3.1. Шпиндельное  соединение…………………………………………………….32

3.2. Сдвоенный  редуктор…………………………………………………………..34

3.3. Зубчатые  муфты………………………………………………………………..38

3.4. Главные  двигатели…………………………………………………………….40

4. Общая компоновка  линии……………………………………………………….41

Часть вторая. Разработка технологического режима прокатки…………………43

1. Требования ГОСТ 16523-97 к заданному виду проката………….…… .…….43

2. Литературный обзор.…………………………………………………………….46

2.1 Углеродистые стали ………………………………………………………………………………………46

3. Методика расчета энергосиловых параметров...………………………………52

4. Пример расчета и результаты расчета параметров прокатки…….…………...56

Заключение………………………………………………………………………….60

Библиографический список ..……………………………………………………...61

Приложение…………………………………………………………………………63

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть первая.

  Проектирование главной линии  прокатного стана

 

В данной работе приведён расчёт главной линии  клети стана холодной прокатки.

Главная линия включает четырёхвалковую клеть с индивидуальным приводом валков от двухъякорных регулируемых электродвигателей постоянного тока с двухзонным регулированием скорости через зубчатые муфты (одна из них с промежуточным валом), мультипликатор, а также зубчатые шпиндели.

Прокатная клеть содержит:

1. Узел валков в составе рабочих и опорных валков с подушками. Подшипники рабочих валков четырёхрядные с коническими роликами, опорных - жидкостного трения двух исполнений: с упорным узлом качения со стороны обслуживания и без упорного узла со стороны привода. Подушки рабочих валков, как в кассетах, располагаются в П-образных подушках опорных валков.

2. Устройства для установки валков: нажимное, для уравновешивания верхнего опорного валка, для уравновешивания и противоизгиба рабочих валков.

После установки  линии прокатки нагрузку передают на специальные подкладки. Гидроцилиндры  уравновешивания и противоизгиба рабочих валков расположены в подушках нижних рабочих валков, а уравновешивания опорных - в подушках нижних опорных.

3. Узел станин в составе собственно станин с направляющими планками на внутренних поверхностях окон, соединительных коробов и плитовин.

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ  РАСЧЁТЫ

 

1.1. Основные параметры и размеры

 

1. Диаметр рабочего валка D = 500 мм и длина бочки L = 1500 мм.

2. Номинальный диаметр опорного валка оценивают по формуле [3]:

 мм.

Таблица 1

Коэффициенты  для формирования исходных данных

 

Назначение стана	k1	k2	k3	k4	k5
Холодная прокатка	(0,06D+27)	1	0,4	1,2	230

 

По таблице 1 для клети холодной прокатки значение коэффициента k₁=Е(0,06D+27)=Е(0,06·500+27)=Е(57)=57. Окончательно диаметр опорного валка выбирают из ряда 900, 1000, 1120, 1180. 1250, 1320, 1400, 1500, 1600, по ГОСТ 5399 - 69 следующим большим расчетного. В нашем примере следует принять d₀ = 1320 мм.

3. Максимальный ход верхнего валка [3]:

 мм.

4. Минимальные диаметры рабочих и опорных валков после переточек и перешлифовок [3]:

 мм,

                               

мм,    

где k = 0,08 и k₀ = 0,05 - коэффициенты уменьшения диаметров рабочих и опорных валков при переточках и перешлифовках.

5. Другие характеристики валков:

Валки                      Материал        r         Е        HSD      G           [s]         [σ_k]

Рабочие  Сталь 9Х2      7,8   2,10×10⁵    90    0,79×10⁸     140      5200

Здесь r - плотность металла, т/м³, Е и G = 0,375Е - модули упругости первого и второго рода, Н/мм², HSD – твёрдость бочки по Шору, [s],[σ_k] - допускаемые напряжения изгиба и контактные, Н/мм². Допускаемое напряжение кручения  рабочего валка   [τ] = 80 Н/мм².

 

6. Наибольшие размеры сопряжённых с рабочим валком деталей - подушек и головок шпинделей - не должны превышать его минимального диаметра.

Высота подушки

 мм.

Типоразмер  и диаметр D₃ головки зубчатого шпинделя подбирают по табл. 10 [1]. Для нашего случая надо принять зубчатые шпиндели ШЗ 6, у которых диаметр головки D₃ =420 мм.

 

1.2. Программа и режимы работы клети

Установим срок службы клети с приводом Т_сл = 25 лет.

В программе  стана и проектируемой клети  три расчётных профиля с относительной массой (G/B) = 20 т/м, прокатка которых представляет для клети и её привода три характерных нагрузочных режима.

   1. Годовой объём производства:

    т. 

где N₀ – номер варианта (15).

2.Доли расчётных профилей в сортаменте:

а₁ = 0,2,  а₂ = 0,2 + N₀ / 200 =0,275,  a₃ = 0,6 – N₀ / 200 =0,525.  

3. Толщина расчётных профилей:

h₃ = k₂∙No / 200 + k₃ =1×15/200+0,4 = 0,475 мм,

h₂ = 1,6×h₃ = 1,6×0,472 = 0,76 мм,    

h₁ = 3×0,475 = 1,425 мм, 

 

где коэффициенты k₂ = 1 и k₃ =0,4 приняты по табл.1.

4. Ширина полос:

                                b₁ = L - 150 = 1500 – 150 = 1350 мм,

                  b₂ =0,9·b₁=0,9∙1350 = 1215 мм,      

                                b₃ =0,8·b₁ = 0,8×1350 = 1080 мм.

5. Годовое производство каждого из профилей:

А_i = а_i А₀ ,

                             А₁ = а₁ ∙А₀ = 0,2×8×10⁵ =160000 т,

А₂ = а₂ ∙А₀ = 0,32×8×10⁵ = 220000 т,

А₃ = а₃ ∙А₀ = 0,48×8×10⁵ = 420000 т.

6. Число полос каждого вида, которое может быть прокатано в клети за срок службы, а также суммарное их число:

Z_i = A_iТ_сл /((G/B)×b_i),

Z₁ = A₁Т_сл /((G/B)×b₁) = 1,6∙10⁵×25/((20)×1,35) =148148,

           Z₂ = A₂Т_сл /((G/B)×b₂) = 2,2∙10⁵×25/((20)×1,215) = 226337, 

Z₃ = A₃Т_сл /((G/B)×b₃) = 4,2∙10⁵ ×25/((20)×1,08)=486111 ,

Z₀ = Z₁ + Z₂+ Z₃ = 148148+226337+486111=860596.

 

7. Крутящий момент на приводном конце одного наиболее нагруженного рабочего валка при прокатке расчётных профилей:

 

M₁ =Е(225∙LD² )= Е(225×1,5×0,5² )= 84 кНм,

  М₂ =Е(0,7М₁ )=Е( 0,7×84) = 58 кНм,     

                               М₃ = Е(0,5М₁ )= Е(0,5×84) = 42 кНм.

 

 

8. Частота вращения валков при прокатке расчётных профилей и частота при заправке полос п₀ :

 мин^-1,

   n₂ =Е( 1,4∙n₁ )= Е(1,4×260) = 364 мин^-1,                    

n₃ = Е(1,9∙n₁ )= Е(1,9×260) = 494 мин^-1,

n₀ =Е(0,4∙n₁ )= Е(0,4×260) = 104 мин^-1.

По данным этих расчётов построена циклограмма (рис.1).

 

 

 

 

 

 

Рис. 1

Циклограмма нагружения линии привода валка

9.  Линейная скорость валков номинального диаметра при прокатке расчётных профилей

ν_i = πDn_i /60, i=1, 2, 3.                   ν₁ = π·0,5·260 / 60 = 6,81 м/с,

ν₂ = π·0,5·364 / 60 = 9,52 м/с,         ν₃ = π·0,5·484 / 60 = 12,93 м/с.

 

10. Номинальная частота вращения двигателей п_¶ и оценка передаточного числа редуктора и.

Номинальную частоту вращения двигателей, выбираем из параметрического ряда 50,75,100,125,150,200,300,400,500,600,750,1000 по ГОСТ 10683 - 73 согласно следующему алгоритму. Находим отношения и₁ (следующей большей частоты из параметрического ряда к частоте п₁) и и₂ (частоты п₁ к предыдущей меньшей). Если и₁ < и₂, в качестве номинальной принимаем следующую большую частоту из параметрического ряда, в противном случае - предыдущую меньшую:

и₁ = 300/260 = 1,15, и₂ = 260/200 = 1,3, и₁ < и₂ ,  

n_¶  > 260Þ 300 мин^-1,  u= n_¶ / n₁ = 300/260 = 1,15.

 

11. Оценка параметров регулирования  скорости при прокатке расчетных  профилей: обобщенного ψ^* и в первой зоне ξ^*

 

         ψ_i^*=n_iu / n_д, i=1,2,3.           ψ₁^*=260∙1,15 / 300=0,9967,

         ψ₂^*=364∙1,15 / 300=1,3953,     ψ₃^*=494∙1,15 / 300=1,8937.                         

Если ψ_i^* >1, то ξ_i^*=1, иначе ξ_i^*= ψ_i^*

ξ₁^*= 0,9967,   ξ₂^*= ξ₃^*= 1.

 

         12. Расчетное усилие, действующее на детали и узлы в окне станины

( полусумма усилий прокатки  и противоизгиба рабочих валков)

Y=5,6 D

= 5,6∙1,32² = 9,76 МН.                                   

         13. Усилие  противоизгиба, действующее на  одну шейку рабочего валка

Y₁=0,05DY=0,05∙0,5∙9,76=0,244 МН.                                

 

1.3. Картина частот вращения валов, крутящих моментов и

мощностей в кинематической линии клети

 

Частоты вращения валов в кинематической линии машины изменяются в связи  с преобразованием в редукторах и регулированием, мощности - в связи с потерями, а крутящие моменты - как в связи с преобразованием частоты, так и в связи с потерями мощности. Исследуем уровень этих параметров на различных валах - приводных концах валков (j=1), выходном (j=2) и входном (j=3) валах редуктора и на валу двигателя (j=4).

 

 

 

1. Частоты вращения валов в линии клети холодной прокатки

                                 n_ij = n_i ∙u_j,  n₁₁= n₁₂=299,  n₁₃= n₁₄=260·1,15= 338 мин^-1.  

2. Учтём потери мощности в линии через кпд валко h₁ = 1, шпинделей

h₂ = 0,97, редуктора h₃ = 0,94 и зубчатых муфт h₄ = 0,98. Тогда крутящий момент в линии привода наиболее нагруженного валка найдём так:

M_i1 = M_i , 

,  M₁₁ =М₁=84 ,  ,     

, , кНм.

3. Суммарный крутящий момент для привода обоих валков

(при тонколистовой  прокатке k_н=1)

,  ,  ,  

,  кHм.

4. Полная суммарная мощность в линиях, привода обоих валков:

,  ,

,  ,              (21) кВт.

Результаты расчёта для всех режимов и валов сведены в табл. 2.

Таблица 2.Изменение параметров в кинематической линии клети

 

j	η	i=1				i=2				i=3
		n	M	M0	N	n	M	M0	N	n	M	M0	N
1	1	299	84	168	5260	364	58	116	4422	494	42	84	4345
2	0,97	299	87	173	5423	364	60	120	4558	494	43	87	4480
3	0,94	338	81	163	5769	419	55	111	4849	568	40	80	4766

 

          5. Номинальная мощность двигателей

     Общее число якорей  электродвигателей в линии клети  холодной прокатки   z_я = 2 × 2 = 4. Наибольшая мощность на валах главных двигателей требуется для прокатки первого профиля, поэтому расчетную номинальную мощность каждого из четырёх якорей оценим по формуле:

                      кВт.                                               

           Номинальная  мощность якоря должна быть  выбрана следующей большей из  параметрического ряда по ГОСТ 12139-84, включающего мощности 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1120, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000 кВт. В нашем случае для привода клети холодной прокатки следует принять два двухъякорных двигателя номинальной мощностью N = 2´1600 кВт.

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЛЕТИ

2.1. Узел валков

 

1. Подбор подшипника.

Оценка  наружного диаметра:

D₄ ≤ H₁ – 0,05∙D = 450 – 0,05×500 = 425 мм.  

Следуя  этой оценке, подбираем четырёхрядный  радиально-упорный подшипник с коническими роликами № 330758А. Его габаритные размеры D₄ = 412,648,   d₁= 304,902, B₂ = 266,7 мм, С=2,86 МН.

Эквивалентная динамическая нагрузка, а также отвечающий такой нагрузке 90-процентный ресурс подшипника

Y₂ = k_T ∙k₄ ∙Y₁ = 1,1×1,2×0,244 = 0,32 MH,  

 ч.

где k_T =1,1 - температурный коэффициент при температуре в подшипнике 150°С;

       k₄ - коэффициент динамичности;

       С - коэффициент динамической грузоподъёмности (табл. 3).

Таблица 3

Подшипник рабочих валков

№	d1	D4	В2	С, МН
330758А	304,902	412,648	266,7	2,86

 

2. Ширина подушки:

B₁ = 1,75∙H₁ = 1,75×450 = 787,5 Þ⁴ 780 мм.   

3. Размеры шейки, конца валка и подшипникового узла (рис. 2; 9):

l₁ = B₂ = 265 Þ³ 270,  l₂ = E(l₁ – 3B₂ / 4) =Е(265-3·266,7/4)= 64,

l₃ = E(l₂ + B₂ – 5) =Е(64+265-5)= 324,

  l₄ = 2l₁ – l₂ – l₃ =2·265-64-324= 142, l₅ = 0,65l₂ =0,65·64=41,6 Þ³ 40 мм,

d₂ = d₁ + 2l₂∙tan15⁰ =304,902+2·64·0,2679=339,     

d₃ = d₁ – 10 =304,902-10=294,902Þ³ 295,

d₄ = 0,9d₁ = 0,9·304,902=274,41 Þ³ 275,

d₅ = 240,  s₁ = 200, l₆ = l₂₃ – 10 =80-10=70,  l₇ = 330

(четыре последних размера определяем  по табл. 10, стр. 43 [3]),

L₁ = L + 2l₁ = 1500+2×265 = 2030 мм, 

L₂ = L + 2∙(2l₁ + l₅ + l₆ + l₇) = 1500+2×(2×270+40+60+300) = 3440 мм,  

D₅ = 1,07H₁ = 1,07×450 = 481,5 Þ³ 480 мм,

D₆ = 0,9D₄ = 0,9×412,648 = 381,4 Þ³ 380 мм.

Остальные необходимые  для вычерчивания узла валка размеры  назначаем конструктивно.

 

Узел рабочего валка с подушкой

Рис. 2

1, 3 – узлы крышек и уплотнений (не проработаны);

2 – подушка;        4 – гайка.

 

4. Масса и момент инерции одного валка:

  т,                           

  тм²,

 кНм^-1 .

 

Момент инерции и податливость валка здесь подсчитаны без учёта приводных концов длиной l₇, а масса - с их учётом.

 

 

5. Масса одной подушки и узла одного рабочего валка

   G₂=2∙ρ₅ ∙l₁ ∙(H₁B₁–πd₁²/4)=2×6×0,265∙(0,45×0,78–π×0,304902²/4)=0,884 т,    

G₃ = G₁ + 2G₂ = 3,22+2×0,884 = 4,988т.

6. Допускаемый прочностью шеек приводных валков крутящий момент при пятикратном запасе:

[M]₁ = k₆  ∙d₅^3∙[σ] =230×0,24³× 140= 445 кHм,                 

где k₆ - коэффициент равный 230. Он намного превышает момент, передаваемый шпинделем, который согласно табл. 7 [3] составляет [M]₂ = 125 кНм.

 

7. Подбор подшипника жидкостного трения по размерам и нагрузочной способности.

Диаметр ПЖТ принимают по табл. 6 [3] максимально возможным так, чтобы минимальный диаметр валка всё же превышал высоту подушки:

D₂=1250 ≥ 2∙H₂ =2·610= 1220 мм,            

где paзмер Н₂ соответствует типоразмеру d = 900 мм, который и следует принять к установке.

Относительную длину подшипника определяем в зависимости  от нагрузки так, чтобы удельное давление на площади диаметрального сечения подшипника при работе в длительном режиме не превышало 16-17 Н/мм² с учётом графика нагрузочной способности, а в кратковременном 21,0 – 22,5 Н/мм².

Удельное  давление в подшипниках относительной  длины 1/d = 0,75 и

1/d = 0,90, не превышающие допускаемого,

9,76/0,9²(0,75∙0,9)=(16,07   13,39) Н/мм².          

действует в  диапазоне частот вращения втулки-цапфы  подшипника опорных валков между следующими наибольшими и наименьшими значениями

n_ов= n₃D /D₀=494 ∙0,5 /1,32=187 мин^-1,

n_он= n₀D /D₀=102 ∙0,5 /1,32=39 мин^-1.

 

  Сорт  масла для ПЖТ выбираем в  зависимости от наибольшей скорости  прокатки: масло для прокатных  станов П-28 при n < 8 м/с, авиационное МС-20 при n < 15м/с, авиационное МС-14 при n < 25м/с и турбинное 30 при n < 60м/с.

Наибольшая  скорость прокатки составляет:

 м/с.

Выберем масло МС-20.

Рис.4 График нагрузочной способности  подшипника

 

График нагрузочной  способности подшипника (рис. 4) строим по данным табл. 4 для принятого сорта масла и минимального относительного зазора в подшипнике по точкам с координатами а₀(0,0), А₁(n_он1,q₂₁), А₂(n_он2,q₂₂), А₃(n_он3,q₂₃),

А₄(n_он4,q₂₄).

 

 Таблица 4

Данные для  построения графика нагрузочной  способности ПЖТ [3]

Сорт масла	d	10-5y	Координаты точек А
			nон1	q21	nон2	q22	nон3	q23	nон4	q24
МС-20	900	50	25	17	96	21	220	12	400	8

 

 

 

 

8. Валок (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опорный валок

Рис. 3

 

Таблица 5

Размеры элементов узла опорного валка, мм, и масса ПЖТ [2]

 

 

 

 

 

d	l	d6	d7	d8	d9	d10	l8	l9	l10	l11	l12
900	800	873	800	632	450	380	125	840	500	290	270

Габаритная  длина валка:

L₃ = L + 2(l₈ + l₉ + l₁₂ ) + l₁₀ + l₁₁ =

=1500+2(125+710+270)+500+290 = 4500 мм.   

 

  Масса и момент инерции  одного валка:

 т,

где , a₂ = tan (arctan 0,1) = 0,1.                            

 тм².

   9. Подшипниковые узлы и подушки (рис. 5; 7)

Основные  размеры 

ПЖТ: d = 900, l = 800, l₁₃ = 590, l₁₄ = 470, l₁₅ = 630, l₁₆ = 1035, l₁₇ = 1200 мм,

аналогичный последнему размер для плавающей  опоры:

l₁₈ = l₁₇ + l₁₁ - l₁₀ = 1200 + 290 – 500 = 990 мм, 

L₄ = L + 2l₁₃ = 1500 + 2×590 = 2680 мм,

L₅ = L₄ + l₁₇  + l₁₈ = 2680 + 1200 + 990 = 4870 мм,    

   D₇=970 мм,  D₁₀ = 1,2 d₁₀ = 1,2×380 = 456 мм, 

подшипник качения: d₁₁=500 мм, D₈=720 мм, B₆=218 мм,

подушка: H₂ = 610 мм, В₄ = 1350 мм, D₉ = 1250 мм,

H₃ = B₄ /2 = 675  мм,

H₄ = H₁ + H₂ = 450 + 610 = 1060 мм.

 

 

Масса одного ПЖТ (табл. 3), одной подушки и узла одного опорного валка:

G_5.1 = 4,52 т,    G_5.2 = 4,08 т,

  G₆ = r₅l₁₆[(H₃ + H₄)B₄ – H₁B₁ - pD₇²/4] = 9,851 т,   

G₇ = G₄ + 2(G₅ + G₆ ) =34,42 + 2×(8,08 + 18,183) = 51,481 т.

 

 

 

 

Конструкции подушек и подшипниковых  узлов опорного валка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5

 

2.2. Устройства для установки валков

 

Принятые  параметры устройств для установки  валков, необходимые для проектирования, приведены в табл. 5, в которой j - порядковый номер устройства, z - число гидроцилиндров в устройстве, p - гидравлическое давление в системе, МПа, n_u - скорость поршня, мм/с, k₇ - коэффициент, DН - запас хода поршня гидроцилиндра. Все гидроцилиндры поршневого типа (рис. 6), материал их корпусов и крышек - сталь с допускаемыми напряжениями [s] = 120 Н/мм².

 

Таблица 6

Исходные  параметры устройств для установки валков

j	Назначение устройства	z	p	nu
1	Установка зазора между валками (нажимное)	2	25	5
2 и	Уравновешивание верхнего опорного валка	4	16	10
3	Уравновешивание и противоизгиб раб. валков	4	16	10
4	Установка линии прокатки	2	16	5