Подшипник как элемент силовой цепи

Одним из важнейших элементов, входящих в структуру прокатной клети, является подшипник, функцию которого можно определить как передачу воздействия силы с неподвижной на подвижную поверхность.

Таким образом, в состав подшипника входят, как минимум, два элемента, которые в процессе функционирования движутся с различными скоростями. На эти два элемента действуют нормальные силы (передаваемая нагрузка). Следовательно, при движении этих элементов на контактирующих поверхностях возникнут силы трения (рис.23):

Т = f N.

N

V₁

T

T

V₂

N

Рис.23. Схема сил на поверхности трения

Эти два элемента образуют пару трения, эффективность функционирования которой зависит от величины коэффициента трения f и величины удельных нагрузок на поверхности трения, т.е.

.

Если привести систематизацию всех возможных вариантов взаимодействия на контакте пар трения, то получим следующие случаи.

Режим сухого трения

В этом случае на поверхности имеем контакт, равный сумме N элементарных контактов микровыступов (рис.24).

N

Q

V₁

V₂

Q

N

Рис.24. Схема работы пары трения без смазки

Эта сумма в начальный момент времени достаточно мала, а следовательно, удельная нагрузка велика и, как правило, достигает предела текучести s_т.

.

При этом наблюдается смятие контактов, выделение большого количества тепла, а также появление ювенильных поверхностей. Все это приводит к значительному повышению коэффициента трения, который может находиться в пределах 0,1 – 0,8. Такой режим работы приводит к высокому износу, большим энергозатратам и применяется только в особых случаях, когда подобраны специальные материалы в парах трения, например «металл – металлофторопласт».

Режим граничного трения

Между поверхностями трения находится специальное вещество, чаще всего, жидкость, которая разделяет контактирующие поверхности на большей части площади (рис.25).

N

V₁

V₂

N разделяющее вещество

Рис.25. Схема режима граничного трения

В этом случае смазывающее вещество запирается в объеме микровпадин (масляные карманы). При этом существенно увеличивается эффективная площадь контактной поверхности, что приводит к снижению удельной нагрузки s. Кроме того, разделяющая жидкость за счет эффектов адгезии достаточно прочно удерживается на поверхности контакта, и скольжение происходит внутри объема жидкости. Такой эффект определяет достаточно низкий коэффициент трения (примерно, 0,001). Хотя количество физических контактов на микровыступах гораздо меньше, чем в случае сухого трения, однако их наличие увеличивает значение коэффициента трения f на порядок, и в режиме граничного трения он будет находиться в пределах 0,01.

Жидкостное трение

Для этого режима характерна большая ширина слоя жидкости h, которая и определяет величину коэффициента трения около 0,001. Площадь контакта в этом случае максимальна при одновременной минимальной удельной нагрузке s (рис.26).

Однако для такого режима остается проблема удержания жидкости в зазоре, что значительно усложняет подшипниковый узел.

N

V₁

h

V₂

N

Рис.26. Схема взаимодействия пары трения

в режиме жидкостного трения

Трение качения

Этот режим можно обеспечить, если поместить между поверхностями тела качения (шары, цилиндры, конусы и т.д.). При прокатывании тела качения по поверхности достигается коэффициент трения » 0,001, но существенно уменьшается суммарная площадь контакта (рис.27).

Как видно, геометрический контакт тела качения и поверхности качения в случае шара, например, - это точка, в других случаях – линия.

N

V₁

S_i

V₂

N

Рис.27. Схема трения качения

Геометрически их площадь равна нулю. В реальных случаях благодаря упругим деформациям площадь контакта имеет конечное значение, но достаточно мала. Т.е. удельная нагрузка при больших силах N может быть достаточно высокой.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что если оценивать подшипник по возможным следующим показателям: нагрузочной способности и скорости движения поверхностей, то подшипник жидкостного трения является наиболее желательным в эксплуатации. Однако проблемы, связанные с удержанием широкого слоя жидкости, вывода подшипника на рабочий режим, приводят к его серьезным конструктивным усложнениям, что сказывается на габаритах и стоимости подшипника.

Поэтому такие подшипники применяются на опорных валках широкополосных листовых станов «кварто». В других случаях используются или подшипники скольжения, работающие в режиме граничного трения, или подшипники качения, у которых для уменьшения удельной нагрузки увеличивается количество рядов тел качения (многорядные подшипники). Такие подшипники устанавливаются на рабочих валках широкополосных станов.

Нажимные устройства

Проблема управления процессом прокатки заключается в обеспечении возможности управления прокатным станом, который может быть технической системой седьмого ранга – машиной (см. табл. 1). К ней можно отнести одноклетьевой стан. Под технической системой шестого ранга можно понимать многоклетьевой стан, или одноклетьевой стан с управляемыми моталкой и разматывателем. Как было отмечено, управление подсистемой 3 (потребитель энергии) может быть реализовано путем изменения межвалкового зазора. Это приводит к изменению контактной поверхности (см. рис.12). Изменение межвалкового зазора технически может быть реализовано за счет перемещения верхнего и нижнего валков (при двухвалковой системе) или перемещением всей валковой пирамиды в многовалковой системе. Поэтому в клети прокатного стана должно быть предусмотрено исполнительное устройство системы управления и регулирования (подсистема 4, см. рис.12). Вся система называется «система (автоматического) регулирования толщины» – С(А)РТ. Исполнительное устройство, осуществляющее вертикальное перемещение валков в клети, называется нажимным устройством. Более точное его название – устройство позиционирования валков. Основная функция заключается в точном и быстром перемещении одного рабочего валка (при наличии опор – вместе с ними) по отношению к другому рабочему валку. Следует учесть, что нажимное устройство находится в силовой цепи «очаг деформации – станина клети» (рис. 28).

- F_пр/2

L

F_пр/2

Рис. 28. Схема работы устройств позиционирования

Таким образом, данное устройство воспринимает половину силы прокатки. В общем виде устройство позиционирования представляет из себя некоторый элемент, находящийся в поле сил F_пр/2, - F_пр /2, который по сигналу подсистемы 4 может менять свой размер L + DL. В зависимости от назначения прокатного стана (точность) и уровня управления (оперативность) устройства позиционирования могут быть следующих типов: механические, электромеханические, гидравлические, твердотельные. Их можно представить в виде общей схемы (рис.29).

1 2 3 (4)

4'

Рис. 29. Структурная схема устройства позиционирования:

1 – источник энергии; 2 – канал; 3 – исполнительное устройство

(потребитель энергии); 4 – cистема управления прокатным станом;

4' – подсистема управления устройством позиционирования

На данной структурной схеме элемент 3 является потребителем энергии подсистемы управления 4 с информационным потоком I₃.

Физические свойства канала передачи энергии определяют название устройств позиционирования. Подсистема 1 может быть энергией оператора (в случае ручного управления), электродвигателем, системой «электродвигатель – гидронасос – гидроаккумулятор», а также источником магнитного поля с варьируемой напряженностью.

Устройства позиционирования механического типа, как правило, представляют собой клиновое управление на стадии настройки стана (ручное управление) (рис.30).

L

Рис.30. Клиновое устройство позиционирования

В данном случае источник энергии не предусмотрен. Величина изменения L невелика. Оперативное перемещение отсутствует.

Могут применяться устройства с нажимным винтом (рис.31).

L

Рис.31. Винтовое устройство позиционирования

В данном случае величина изменения L может быть достаточно высокой (до 500 мм). Такие устройства применяются при оперативном управлении толщиной. Для этого они снабжены источником энергии – электродвигателем, системой редукторов и механическим синхронизатором вращения. Синхронизатор позволяет изменять параметр L на одинаковую величину на обеих сторонах клети. Такие устройства позиционирования называются электромеханическими, в которых кроме указанных элементов применяются понижающие редукторы, как правило, червячные (рис.32).

Рис.32. Электромеханическое устройство позиционирования валка

Точность установки валка с винтовым устройством позиционирования зависит от диаметра винта и шага резьбы. Чем меньше шаг резьбы и больше диаметр винта, тем точнее позиционирование валка. Что касается быстродействия, то оно во многом определяется моментами инерции многочисленных вращающихся деталей и силами трения на контактных поверхностях механических устройств.

Дальнейшее развитие устройств позиционирования валков прокатных станов связано с использованием гидравлических систем (рис.33).

В этом случае исполнительным устройством системы регулирования толщины С(А)РТ является пара «гидроцилиндр – плунжер». Как правило, в такой системе движется плунжер. Величина этого перемещения жестко связана с перемещением оси валка и достаточно мала: от десятков миллиметров при настройке до десятых долей миллиметра при работе. Таким образом, в самом устройстве позиционирования осуществляется минимальное перемещение масс.

Следует также отметить, что в гидравлических системах энергия, необходимая для перемещения валка, может быть запасена, аккумулирована в гидравлическом аккумуляторе в виде жидкости высокого давления (ЖВД).

В электромеханических системах механическая энергия вырабатывается в процессе исполнения регулирующего воздействия и может потребовать установки двигателя с избыточной мощностью, равной пиковой, а не средней. Более мощный двигатель имеет большие габариты и требует более мощных редукторов. Это приводит к увеличению массы вращающихся деталей, а следовательно, моментов инерции. Поэтому гидравлические системы обладают в сравнении с электромеханическими повышенным быстродействием. Точность позиционирования связана, в первую очередь, с дозированием ЖВД, что в настоящее время обеспечивается необходимыми высокоточными золотниковыми устройствами.

ЖВД

3

L

Рис.33. Гидравлическое устройство позиционирования валков:

1 – плунжер; 2 – подушки опорных валков; 3 – гидроцилиндр

Передача возмущения от золотникового устройства до гидроцилиндра зависит от скорости звука в жидкости (примерно 1000 м/с).

Дальнейшее развитие устройств позиционирования связано с применением эффекта магнитострикции твердых тел, ферромагнетиков. Поэтому они условно носят название «твердотельных». Эффект магнитострикции заключается в том, что ферромагнетики, находящиеся в магнитном поле внешнего источника, могут изменять свои размеры за счет перестройки магнитных структур – доменов (рис. 34). При этом происходит изменение длины L ферромагнитной вставки (см. рис.28) или изменение длины стойки станины (рис.35).

DL

пермаллой

железо

H

Рис.34. Эффект магнитострикции ферромагнитных материалов

Изменение длины L оценивается величиной 20 – 40 мкм на метр длины для традиционных сплавов стали, пермаллоя, пермендюра. Однако может достигать 500 – 800 мкм для сплавов с элементом уран (U). Скорость передачи возмущения в ферромагнитном стержне составляет » 5000 м/с. Точность зависит от величины изменения напряжения питания катушки электромагнита. Современные управляемые источники питания позволяют это делать с очень высокой точностью. Такие системы позиционирования можно применять в двухконтурных системах.

В этом случае имеется грубый и “медленный” контур с исполнительным электромеханическим устройством для выбора диапазона и перестройки при смене режимов обжатий. А оперативное управление обеспечивает высокоточный быстродействующий контур с исполнительным твердотельным элементом.

В заключении следует отметить, что элемент 4' (см. рис.29) представляет собой приборы контроля толщины полосы, логический блок сравнения оперативной информации о состоянии объекта контроля и заданных значений.

Рис.35. Схема клети:

1 – станины; 2 – стойки; 3 – валки; 4 – подушки;

5 – нажимное устройство; 6 – электрические катушки;

7 – системы регулирования

Кроме того, в него могут входить блок выдачи команд, которые меняют состояние источника питания 1 в случае электромеханической или твердотельной системы позиционирования или состояния гидравлического канала при использовании гидравлического устройства.

Канал передачи энергии

Рассмотрим подсистему 2 (см. рис.2) – канал передачи энергии.

В механических системах, т.е. в системах, где генерируется и используется механическая энергия, канал передачи энергии может называться трансмиссией.Этот канал начинается с источника механической энергии – электромеханического преобразователя, у которого на вход подается энергия в виде электрического тока I и напряжения U, а на выходе снимается механическая энергия в виде момента М и угловой скорости w (рис.36).

Такой электромеханический преобразователь называется электродвигателем. Размерность энергии: на входе [В]· [А] = [Вт],

на выходе [Н·м]· [1/с] = [Н·м/с] = [Дж/с] = [Вт].

Таким образом, началом энергетического канала является вращающийся со скоростью w вал электродвигателя. Потребитель энергии – валковая система (инструмент) – имеет также вращательное движение. Поэтому в рассматриваемом канале нет элемента преобразователя движения. Следует отметить, что электродвигатель является источником энергии, мощность которого определяется скоростной характеристикой – количеством оборотов в секунду.

I,U М, w

Рис.36. Схема электромеханического преобразователя

Силовая составляющая мощности (сила) в этих преобразователях достаточно мала. В то же время в очаге деформации мы имеем обратную картину. Там действуют большие силы и моменты. Стандартным элементом для преобразования [М₁,w₁] в [М₂,w₂] является редуктор. В настоящее время производятся специальные электродвигатели с увеличенной поверхностью взаимодействия «ротор – статор», как правило, за счет наращивания их длины. Они имеют достаточный момент, и в таких случаях можно обойтись без редуктора (рис.37).

Для осуществления классической симметричной прокатки необходимо передавать вращение на два валка. Это можно реализовать созданием индивидуального привода: двигатель вращает свой валок (см. рис. 37). При этом должна быть предусмотрена электрическая синхронизация вращения двигателей. Иногда двигатель передает момент на два валка через специальный элемент трансмиссии – шестеренную клеть (рис.38). Шестеренная клеть – это, по существу, редуктор с передаточным отношением, равным единице, и длиной валков – шестерен, соизмеримой с длиной бочки рабочих валков. В таких системах реализуется механическая синхронизация вращения валков шестеренной клетью.

В процессе прокатки происходит вертикальное перемещение одного из валков прокатной клети, т.е. меняется межосевое расстояние на стороне потребителя энергии. На стороне генерации энергии это расстояние постоянно. Поэтому в энергетическом канале предусмотрены элементы, позволяющие преодолеть указанное противоречие, которые называются шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС).

На рис.37 приведена схема индивидуального безредукторного привода. На рис.38 показан групповой безредукторный привод, а на рис.39 – групповой привод с использованием редуктора.

Рис.37. Схема прокатного стана с индивидуальным приводом

Рис.38. Схема прокатной клети с шестеренной клетью:

1 – главная рабочая клеть; 2 – универсальные шпиндели;

3 – главный электродвигатель; 4 – шестеренная клеть;

5 – фундаментные болты; 6 – моторная муфта;

7, 8 – устройство для уравновешивания шпинделей;

9 – валки двухвалковой клети; 10 – опорные валки;

11 – рабочие валки; 12 – станины; 13 – плитовины

Рис.39. Схема группового привода с использованием редуктора:

1 – главная рабочая клеть; 2 – универсальные шпиндели;

3 – главный электродвигатель; 4 – шестеренная клеть;

5 – редуктор; 6 – моторная муфта; 7 – коренная муфта;

8 – устройство для уравновешивания шпинделей;

9 – валки двухвалковой клети; 10 – опорные валки; 11 – рабочие валки; 12 – станины; 13 – плитовины; 14 – фундаментные болты

Вместе с валом эти шарниры образуют узел, называемый шпинделем(рис.40).

Рис.40. Схема шпинделей

Следует отметить, что работа ШРУСов возможна только на малых углах, поэтому они имеют большую длину, особенно на станах со значительным вертикальным перемещением валков (обжимные станы). Кроме этих элементов, которые можно отнести к системам 10, 9 и 8 рангов (см. табл.1), для их соединения используются всевозможные муфты. Их назначение сводится к соединению преобразователей, которые имеют некоторую несоосность и могут, разрушившись, рассоединить канал в случае аварийных перегрузок. Изменить характеристики, входящие в трансмиссию, достаточно сложно и не всегда возможно. Поэтому эта подсистема является неуправляемой. Этот факт отмечен на рис.10 пунктирной линией I₂ между подсистемой управления 4 и подсистемой - трансмиссией.

Аналогичный вид связи I₁ относится только к одноклетевым станам и станам с приводом переменного тока. Для последовательных непрерывных станов подсистема 1 становится управляемой за счет применения двигателей постоянного тока. При этом они являются не только источниками энергии очага деформации, но и еще исполнительными устройствами системы автоматического регулирования натяжения С(А)РН металла между клетями.

В целом, вся подсистема 2 (трансмиссия) вместе с инструментом (валковой системой) называется главной линией прокатной клети, схемы которых представлены на рис.37 – 39.

Таким образом, проведенный анализ технической системы «прокатная клеть» показывает, что в случае многоклетьевого стана прокатную клеть по таблице классификации можно отнести к системам 7 ранга – машина, в случае одноклетьевого стана – к технической системе 6 ранга - агрегат.

При анализе была проведена декомпозиция технической системы первого уровня. При этом появилась возможность описать систему морфологически, т.е. определить ее структуру на уровне однородного преобразователя – система 9 ранга. Однородный преобразователь не меняет вида энергии (механическая в механическую), т.е. нет качественных изменений как, например, у электродвигателя (преобразование электрической энергии в механическую). Происходят только количественные изменения, как правило, концентрация потока энергии на единицу площади. Если сравнить площадь поверхности системы «статор – ротор», где генерируется механическая энергия и площадь очага деформации, где энергия потребляется, то концентрация энергии увеличивается в 10³ – 10⁴ раз. Описание структуры сопровождалось функциональным описанием, т.е. какие действия выполняет каждый конкретный элемент для выполнения главной функции прокатной клети. Было показано, что элементы структуры технической системы объединены энергетическими и информационными связями. Именно наличие связей определяет целостность системы и системность свойств.

Волочильный стан

Техническую систему «волочильный стан» можно рассматривать как систему седьмого ранга – машина – в случае однократного волочения, и техническую систему восьмого ранга – агрегат – в случае многократного волочения. Последние станы распространены более широко. Способ организации блоков волочильного стана в агрегат отражается в названии стана: магазинного, прямоточного типа, со скольжением и т.д.

Рассмотрим систему седьмого ранга технической системы – блок волочильного стана (или базовый элемент многократного стана). Как было показано выше (см. рис.4, 7), под волочением понимается процесс ОМД, при котором энергия в очаг деформации вводится через передний конец обрабатываемого металла в виде силы волочения F_вол (Р) и скорости движения переднего конца металла. При этом происходит изменение сечения заготовки или, в случае круглого профиля, диаметра D₀ ® d₁, где D₀ – начальный диаметр, d₁ – конечный. Это изменение происходит в некотором объеме, созданном волочильным инструментом. Объем металла, в котором происходит изменение диаметров D₀ ® d₁, называется оперативной зонойпреобразования или очагом деформации при волочении.

Инструмент, создающий оперативную зону при волочении, называется волокой или фильерой.

Можно отметить, что в данном случае энергия, необходимая для деформирования металла, передается в очаг деформации не через инструмент (как, например, при прокатке), а через продеформированный объем металла – передний конец. В этом случае упрощается конструкция инструмента, но уровень передаваемой энергии определяется только прочностью переднего конца и поэтому ограничен. В настоящее время основным инструментом для волочения является монолитная волока, представленная на рис.41, либо роликовая волока (рис.42).

Как видно из рис.41 – 42, волочильный инструмент достаточно прост по конструкции, и в основном проблемы при его применении связаны с износостойкостью материала волоки.

Так же как и в случае прокатки, техническую систему «волочильный стан» можно представить в виде структурной схемы (рис.43).

Рис.41. Монолитная волока в разрезе:

1 – рабочий конус; 2 – калибрующий поясок

Диаметр металла на выходе d₁ зависит только от калибрующего пояска (поз.2, см. рис.41) или диаметра калибра (см. рис.42). Поэтому управление такой подсистемой осуществляется только на стадии наладки. Оперативное управление отсутствует.

Рис.42. Роликовая волока

Следует отметить, что между протягиваемым металлом и поверхностью волоки создается режим граничного трения при применении монолитной волоки, либо режим трения качения – в роликовой волоке. При этом может быть реализован и режим жидкостного трения в монолитных волоках более сложных конструкций.

Выигрыш, полученный от простоты конструкции, существенно уменьшается полным отсутствием возможности управления (на рис. 43 связь 3 – 4 отсутствует).

Для создания тянущего усилия (силы волочения) существуют два варианта.

I,U M, w трансмиссия

1 2 V 3

I₁ I₂

Рис.43. Структурная схема технической системы «волочильный стан»:

w - угловая скорость вращения вала двигателя и тягового

устройства;

V – линейная скорость металла;

I₁ – I₄ – станы однократного волочения;

I₁ – I₄ – станы многократного волочения

Первый вариант заключается в захвате свободного конца клещами и прямолинейном перемещении на определенную длину. Это дискретное волочение. Второй вариант – это так называемое бухтовое (непрерывное) волочение, когда тянущее усилие создается за счет силы трения, образующейся между вращающейся поверхностью тянущего барабана и боковой поверхностью проволоки (рис.44).

F₁

j w, М

F₂

Рис.44. Схема действия закона Эйлера при волочении

Величина этой силы определяется из закона Эйлера и равна

F₂ = F₁ · e^fj,

где f - коэффициент трения;

j - угол охвата, рад.

Как показывает опыт, угол охвата составляет 6p - 10p рад (3 – 5 оборотов), что достаточно для создания необходимой силы волочения. Как видно, для этой схемы нет ограничения по длине обрабатываемой проволоки.

Таким образом, элемент 2 (см. рис. 43) включает в себя вращающийся цилиндр, который называется тянущим барабаном (тянущей шайбой) волочильного стана.

Ось вращения тянущего барабана чаще всего расположена вертикально, хотя существуют волочильные станы с горизонтально расположенным барабаном.

Между источником энергии (элемент 1) и тянущим барабаном находятся, как правило, несколько редукторов, которые изменяют момент и скорость вращения тянущего барабана по сравнению с валом двигателя. Кроме того, меняется направление оси вращения. Например, горизонтально расположенный двигатель и горизонтально расположенный барабан. Кроме того, в состав канала передачи энергии 2 входит ступенчатый редуктор (коробка перемены передач) для ступенчатого регулирования скорости волочения. На основе вышеуказанных технических устройств может быть создана техническая система (агрегат) – волочильный стан однократного волочения, которая имеет вышеописанную структуру (рис. 43).

Наибольший интерес представляет стан многократного волочения, в котором, как в агрегате, будут объединены волочильные блоки (системы 7 ранга). Это объединение стало возможно благодаря разрешению противоречия: синхронизация скорости движения проволоки по стану при случайном изменении вытяжки.

Для этого необходимо решить задачу изменения скорости вращения вала электродвигателя в зависимости от изменения вытяжки по блокам многократного волочильного стана (реализация связи I₁ – I₄, см. рис.43), либо изменить скорость движения проволоки при постоянной скорости вращения тянущего барабана (реализация связи I₂ – I₄, см. рис.43).

При волочении, наряду с технологической вытяжкой (коэффициентом вытяжки m), определяемой из условия:

m = L_к/L₀,

где L_к – конечная длина; L₀ – начальная длина,

используется понятие кинематической вытяжки

i = V_n+1/V_n,

где V_n+1 – скорость вращения последующего барабана;

V₀ - скорость вращения предыдущего барабана.

Вследствие отсутствия управления подсистемой 3 (см. рис.43) технологическая вытяжка m в процессе волочения постепенно уменьшается со временем, так как из-за износа увеличивается диаметр волоки. При этом происходит знакопеременные изменения m из-за изменения диаметра проволоки (рис.45).

Идеальный вариант при волочении проволоки – это совпадение кинематической и технологической вытяжек (i = m). Однако m - величина переменная, поэтому необходимо изменять величину кинематической вытяжки. При этом возможны два варианта. Первый вариант заключается в соблюдении равенства i = m в каждый момент времени. Второй вариант – равенство выполняется для усредненных величин i_ср = m_ср, а в каждый момент времени может быть i > m либо i < m.

m i

Dm Di

tн Время t

Рис. 45. Изменение коэффициента вытяжки на волочильном блоке

В первом случае техническая реализация осуществляется путем управления источником энергии системы (подсистема 1, см. рис.43, связь I₄ – I₁). При этом возможно изменение скорости вращения двигателя постоянного тока или величины возбуждения электромагнитной муфты при использовании асинхронного двигателя (рис.46).

Управляющее воздействие формируется от сравнения натяжения проволоки на переходе от одного барабана на другой. Величина натяжения определяется по величине тока якоря двигателя на станах прямоточного типа либо с помощью специального реостата на станах петлевого типа (рис.47).

1

Н

w₂

w₁

w = const; w₂ = w₂ (Н)

Рис. 46. Схема регулирования скорости вращения

с помощью электромагнитной муфты:

1 - асинхронный электродвигатель; 2 - электромагнитная муфта

Рис.47. Схема регулирования скорости барабана натяжными роликами:

1 – натяжной ролик; 2 – управляющий рычаг; 3 – пружина; 4 – зубчатый сектор; 5 – шестерня; 6 – реостат; А, б – барабаны; В - волоки

Второй вариант реализуется на волочильных станах магазинного типа, а также станах со скольжением.

Станы магазинного типа

Станы магазинного типа получили название благодаря возможности изменять число витков проволоки на каждом барабане, т.е. создавать запас и расходовать проволоку в зависимости от соотношения кинематической и технологической вытяжек. При накоплении проволоки на барабане i³m, во втором случае i<m. Число витков на промежуточных волочильных барабанах изменяется через верхнюю часть барабана (рис.48) и ролик с обгонной шайбой (поводковое устройство).

Рис.48. Схема машины многократного волочения магазинного

типа с одинарными барабанами:

1 – промежуточный барабан; 2 – чистовой барабан; 3 – направляющий ролик; 4 – нижний направляющий ролик; 5 – поводковое устройство

Предыдущий барабан может принимать на себя (нижняя часть барабана) в единицу времени большее, одинаковое или меньшее число витков проволоки, чем отдавать ее последующему барабану (верхняя часть барабана) за то же время. Так как выполнить условие i = m при m = V практически невозможно на этих типах станов, то обычно волочение происходит при I ≤ m. При этом на предыдущем барабане создается запас витков, превышающий количество проволоки, которую может протянуть последующий волочильный блок. Нормальное волочение обеспечивается при m =(1,03 –1,05)i.

Как следует из рис.45, первоначально созданный запас проволоки будет уменьшаться вследствие износа волоки, и в предельном случае кинематическая вытяжка i превысит технологическую вытяжку m. При этом произойдет разрыв проволоки.

Таким образом, в станах магазинного типа происходит управление скоростью движения проволоки, которая является элементом энергетического канала. Мощность, которая развивается в этом канале, можно определить как произведение силы волочения F_в [H] на скорость движения проволоки V_вол [м/с], т.е

N = F_в V_вол [Н · м/с]

Таким образом, изменяя скорость движения проволоки, можно изменять величину мощности, развиваемую энергетическим каналом. Следовательно, связь I₂ – I₄ (см. рис.43) позволяет управлять подсистемой 2.

Станы со скольжением

Существуют волочильные станы (станы со скольжением), которые в отличие от станов магазинного типа, где реализуется условие m >i, работают при условии m < i. Причем это неравенство выполняется не только в среднем за достаточно большой промежуток времени, но и в каждый момент времени. При этом изменяется только соотношение i к m. Это означает, что окружная скорость тянущего устройства (тянущая шайба) всегда больше, чем скорость движения по нему проволоки, т.е. проволока проскальзывает по поверхности шайбы.

Причем при постоянной кинематической вытяжке i = const вследствие износа волоки технологическая вытяжка m постоянно уменьшается (Dm_ном) при постоянном колебании Dm (рис.49).

Проскальзывание проволоки относительно барабана находится в пределах 2% (начало волочения) – 8% (окончание волочения) Dm.

Таким образом, после каждого прохода проволока увеличивает свою длину на величину, равную коэффициенту вытяжки m. Поэтому линейная скорость вращения каждой последующей шайбы должна увеличиваться на величину m .

Увеличение линейных скоростей шайб происходит за счет увеличения их диаметра (рис.50).

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

В процессе волочения в энергетический канал оборудования включается деформируемый материал, что не наблюдается при прокатке. Это существенно снижает возможность энергетического обеспечения процесса волочения, что проявляется, например, через величину единичных обжатий.

Вытяжка

i

А

m_ном Dm В

Время , t

А = i/m_min » 0,98; B = i/m_max » 0,92

Рис.49. Соотношение кинематических и технологических вытяжек

во времени на одном волочильном блоке

Рис. 50. Схема заправки волочильного стана со скольжением

Отсутствие связи I₃ – I₄ (см. рис.43) показывает на невозможность оперативного управления процессом деформирования при волочении, т.е. параметр технологической вытяжки m, а следовательно, и диаметр проволоки задаются только в процессе настройки стана (наладочное управление) и определяются последующим износом волоки.

Управление энергетическим каналом требует постоянного слежения за энергопотреблением путем создания специальных механических систем, которые усложняют траекторию движения проволоки.

Пресса

Техническая система пресса, схема которого представлена на рис.51, предназначена для реализации процесса прессования. В отличие от прокатки и волочения, которые являются непрерывными процессами, прессование требует наличие заднего свободного конца заготовки и, следовательно, является дискретным. Поэтому мощность, развиваемая источником энергии и потребляемая в очаге деформации, имеет нелинейный характер. Эта нелинейность наглядно выражена в циклограмме (рис.51), которая представляет собой закономерность изменения силы прессования (мощности) во времени.

F (N)

F_max

F_cp

F_min t

t₁ t₂

t₁ - время рабочего хода (F = F_max);

t₂ - время холостого хода (F = F_min)

Рис.51. Циклограмма работы пресса

Необходимо ввести понятие средней силы (мощности) за цикл (t₁ + t₂), которая существенно меньше, чем максимальное значение. Следует отметить, что в ранее рассматриваемых процессах прокатки и волочения такого представления мощности нет.

Характер циклограммы работы пресса в некоторой степени определяет характер технологического процесса прессования. На рис.52 представлена структурная схема прессования.

Следует учитывать тот факт, что при составлении этой схемы элемент 2 (канал передачи энергии от источника к потребителю) представлен дополнительным компонентом (2б) – устройством, отражающим циклограмму работы пресса. Его функция – накопление (аккумулирование) энергии в паузах между рабочими ходами.

2б

1 2 3

2а

Рис.52. Структурная схема процесса прессования

Исходя из вышеприведенного анализа, можно сделать вывод, что элементом 1 является электродвигатель с постоянной скоростью вращения вала (отсутствует связь I₄ – I₁). Отсутствие оперативного управления параметрами очага деформации предполагает нулевое значение уровня связи I₄ – I₃ .

Как видно из рис.8, при прессовании инструмент (ползун) осуществляет прямолинейное перемещение под действием силы прессования (рабочий ход) и обратное прямолинейное перемещение, т.е. осуществляет возвратно-поступательное движение. Движение первичного источника энергии вала электродвигателя – вращательное. Поэтому в энергетическом канале должно присутствовать устройство – преобразователь движения, преобразующее вращательное движение вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение инструмента.

В зависимости от вида механизма, преобразующего вид движения, прессы (молоты) делятся на механические, гидравлические и пневматические.