Структура прокатного стана

Исходя из принятой терминологии и анализа процесса прокатки, можно сказать, что под классической прокаткой следует понимать процесс пластической деформации, при котором в очаг деформации энергия поступает непрерывно и бесконечно за счет сил трения между инструментом и поверхностью металла. При этом:

1. Из принципа бесконечности следует, что поверхностями, обеспечивающими энергетический поток, не могут быть торцовые, а только боковые поверхности.

2. Из принципа непрерывности, монотонности и бесконечности следует, что движение инструмента может быть только вращательным, а его поверхности - цилиндрическими.

3. Как известно, сила трения по закону Кулона определяется из выражения

Т = f × N,

где f – коэффициент трения;

N - сила, нормальная к поверхности трения.

Поэтому вращательное движение инструмента должно происходить под действием поля сил, действующих со стороны металла, находящегося в очаге деформации. При этом схема процесса прокатки будет иметь следующий вид (рис.9).

М_пр

Р y N

Т

М_пр

Рис.9. Схема процесса прокатки:

Р - сила прокатки; М_пр = Р ·y - момент прокатки

Тогда под прокатным станом следует понимать техническую систему, которая обеспечивает операцию прокатки путем непрерывного ввода энергии в металл через свободные боковые поверхности за счет сил трения.

Структурная схема технической системы «прокатный стан» может быть представлена в следующем виде (рис.10).

На рис.10 позицией 3 обозначен элемент системы, потребляющий энергию – очаг деформации. Под элементом 1 (см. рис.10) следует понимать первичный источник энергии.

I, U M, w

1 2

I₁ I₂ 3

I₃

Рис.10. Структурная схема технической системы «прокатный стан»

В современных системах «прокатный стан» - это электромеханический преобразователь – электродвигатель переменного или постоянного тока. Он преобразует энергию электрического тока I (напряжение U) в механическую энергию M, w (рис.11).

I M

U

w

[В]·[А]=[Вт]

[Н·м]· [1/с] = [ ]=[Вт]

Рис.11 Схема электромеханического преобразователя

По третьему закону Ньютона момент на валу электродвигателя М_дв возникает (а следовательно, развивается электрическая мощность на входе), если есть сопротивление вращению – момент сопротивления, которым является момент прокатки М_пр. Следовательно, под элементом 2 (см. рис.10) понимается некая подсистема, обеспечивающая за счет своих упругих свойств взаимодействие М_дв и М_пр.

Эту подсистему можно рассматривать и с других позиций. На выходе вала двигателя образуется поток механической энергии мощностью [Р] = [М_дв×w]. Этот поток должен достичь места потребления, которым является очаг деформации (элемент 3, см. рис.10).

В свою очередь, поток механической энергии распространяется через определенное пространство, обладающее необходимыми свойствами. Одним из таких свойств является упругость среды, характеризуемая своим модулем. Чем больше модуль упругости среды, тем выше плотность потока энергии [Mw/S].

Таким образом, из всего пространства можно выделить его определенную часть, обладающую специальными свойствами, благодаря которым эта часть пространства способна передавать энергию из одного места пространства в другое. Тогда энергетическим каналомили каналом будет называется часть пространства, обладающая определенными свойствами и способная передавать поток какой-либо энергии.

Процесс передачи энергии и ее преобразование называется процессом канализации или канализацией энергии.

Таким образом, под элементом 2 (см. рис.10) подразумевается канал для передачи механической энергии. Поток механической энергии в канале передается за счет упругих взаимодействий стержней, зубьев шестерен, валов, муфт и т.д., изготовленных из материалов с высоким модулем упругости, например металлов.

В процессе функционирования системы «прокатный стан» важным является управление потоком энергии. Управление этим потоком возможно, в принципе, в любой части системы.

Источник энергии (поз.1, см. рис.10) может управляться, например, путем изменения напряжения U на входе двигателя постоянного тока. Регулировать поток механической энергии несколько сложнее. В прокатном стане такое регулирование реализовано с помощью устройств позиционирования инструмента по отношению к обрабатываемому металлу. Этим достигается изменение поверхности взаимного контакта «металл – инструмент», а следовательно, и величины энергетического потока (рис.12).

S₁

H₀ S₂ h₁ h₂

S₁

Рис.12. Схема управления потоком энергии в очаге деформации

При изменении расстояния между валками происходит изменение количества контактной поверхности S₁ и S₂ и, следовательно, количество потребляемой энергии, что проявляется через величину деформации Dh=H₀ – h₁ (H₀ - h₂) .

Тот факт, что такое управляющее воздействие достаточно эффективно, на рис.10 показано сплошной линией, т.е. эффективная связь между элементами 3 и 4. В этой технической системе связь между элементами 1 и 4 недостаточно эффективна, что отражено пунктирной линией. В то же время для других систем с другой структурой связь 1–4 может быть достаточно эффективной.

Рассмотрим вопросы структуры технической системы.

Техническая система «прокатный стан» является начальным этапом декомпозиции первого уровня. При этом «техническая система» представляется элементами в виде однородных и неоднородных преобразователей. Один из способов ранжирования технических систем представлен в табл.1. Следует подчеркнуть, что представлен один из вариантов ранжирования. По данному разбиению прокатный стан является агрегатом, т.е. системой шестого ранга (см. табл.1), прокатная клеть – это машина (система 7-го ранга), состоящая из неоднородных и однородных преобразователей. К неоднородным преобразователям можно отнести:

а) подсистема 1 (см.рис.2) – электромеханический преобразователь (двигатель, система 8-го ранга);

б) подсистема 4 – преобразователь управляющей информации в энергию исполнения.

К однородным преобразователям относятся:

а) потребитель механической энергии – валковая система с металлом;

б) канал передачи энергии с вала электродвигателя на часть поверхности рабочих валков, которая образует очаг деформации (система 9-го ранга).