Структура валковой системы

Сформулируем функцию валковой системы. Для этого проведем декомпозицию второго уровня по отношению к подсистеме 3, т.е. рассмотрим ее структуру на уровне «узел, пара деталей, деталь», т.е. системам 10, 11 и 12 рангов.

Валковый узел прокатной клети в классическом варианте представляет собой систему из двух одинаковых валков. Далее будет показано, что это совсем необязательно, и узел может иметь один валок, два, три, четыре валка и т.д.

На этом этапе декомпозиции рассматривается самый простой вариант симметричной продольной прокатки прямоугольного профиля.

Таблица 1

Ранжирование технических система типа «объект»

Ранг	Название системы	Пример
	Однородное вещество	Химический элемент (Fe, N2, O2)
	Неоднородное вещество	Сталь, углекислый газ СО2
	Однородная деталь при разделении	Проволока (при поперечном разделении), лист
	Неоднородная деталь (при разделении образует неодинаковые части)	Винт, валок
	Пара деталей	Валок – подшипник, рабочий валок – опорный валок
	Узел	Валок, подшипник, подушка
	Однородный преобразователь (совокупность узлов, позволяющая изменять энергию и вещество, не меняя их вида)	Редуктор, трансформатор
	Неоднородный преобразователь (совокупность узлов, позволяющая осуществить перевод энергии и вещества одного вида в другой)	Электростатический генератор, электродвигатель, тепловая машина
	Машина	Клеть прокатного стана
	Агрегат	Стан, автопоезд, локомотив, вагоны, рельсовый путь
	Предприятие	Завод
	Объединение	Комбинат
	Отрасль	Транспорт, металлургия
	Техника	Вся техника в целом
	Техносфера	Техника, люди, ресурсы, система потребления

Как уже было показано, валки, являясь инструментом, обеспечивают очаг деформации механической энергией непрерывно и монотонно. Последнее предполагает вращательное движение цилиндрической поверхности. В то же время под прокаткой мы понимаем процесс передачи энергии за счет сил трения, которые предполагают обязательное наличие нормальных сил (см. рис.3). То есть на валок должна действовать, с одной стороны, сила от деформируемого металла, с другой – уравновешивающая ее сила от внешнего к валковой системе устройства. Для этих целей на валке выделен участок поверхности (принцип специализации), который называется шейка.

Конструктивно оказалось выгодной неподвижность устройств, обеспечивающих компенсацию силы прокатки. Поэтому между подвижной поверхностью валка, шейкой и неподвижной системой необходимо некоторое устройство, функцию которого можно сформулировать следующим образом: передача воздействия силы с неподвижной на подвижную поверхность. Такое устройство в технике называется подшипник.Поэтому в рассматриваемой системе необходим узел «валок – подшипник», или (для обеспечения симметрии) «подшипник – валок – подшипник». Кроме того, валковый узел должен иметь возможность перемещения (цель управления) по отношению к неподвижной системе. Поэтому структуру валкового узла можно представить следующим образом: подвижная деталь по отношению к неподвижному устройству и неподвижная деталь по отношению к валку, т.е. подушка, два подшипника и валок (рис.13).

Р/2 Р/2

3

Р 3

2

q

1 5

Рис.13. Валковый узел:

1 – валок; 2 – подшипник; 3 – подушка; 4 – приводной конец

Для передачи энергии от трансмиссии (канала) к валку последний должен иметь определенную форму части валка, которая называется приводным концом. Таким образом, прокатный валок для случая листовой прокатки полосы прямоугольного сечения имеет следующие функциональные части (рис. 14).

Таким образом, структуру валка составляют специализированные элементы. В рассматриваемом случае их три – шейки валка для создания взаимодействия неподвижной подушки и подвижной поверхности валка, бочка валка, являющаяся одновременно инструментом, которая образует очаг деформации и воспринимает давление металла на валок q, от которого формируется сила прокатки F_пр.

2 2

Рис. 14. Структурная схема валка листового прокатного стана:

1 – бочка валка; 2 – шейка валка; 3 – приводной конец

И третий элемент – приводной конец, сечение которого имеет специальную форму, обеспечивающую передачу вращательного движения валку с другой вращающейся детали энергетического канала. Некоторые возможные варианты сечения приводного конца представлены на рис.15.

а б в г

Рис.15. Варианты сечения приводного конца:

а – квадрат; б – лопата; в – треф; г – шлиц

Рассмотренная выше структура валковой системы полностью определяется ее функцией. Такие валковые системы применяются для прокатки достаточно узких лент шириной В ~ 100 мм и толщиной 0,1 мкм. При расширении функции (увеличении функциональности) происходит изменение структуры сначала количественно, а потом качественно. Например, увеличение ширины проката В требует увеличения длины бочки. Следующим этапом изменения валка будет изменение геометрии его бочки. При прокатке широких полос происходит увеличение силы прокатки Т, которая приводит к заметному изгибу валков и искажает профиль очага деформации, а следовательно, и полосы (рис.16).

Р/2 Р Р/2 Р

Р Р=0

Р/2 Р Р/2

Р

Р

Рис.16. Схема компенсации профиля очага деформации

за счет начальной выпуклости валков

При листовой прокатке происходит изменение геометрических размеров металла не только по его толщине и длине, но и по ширине (уширение). Если возникает необходимость ограничить уширение (т.е. возникает необходимость в выполнении дополнительной функции), то это сразу же сказывается на структуре валковой системы. На бочке валка появляются специальные углубления – ручьи, которые ограничивают произвольное течение металла в ширину. Два противоположных ручья двух валков образуют калибр (рис.17).

Такая валковая система позволяет получить заготовку с достаточно сложной геометрией поперечного сечения. Подобная металлическая продукция называется сортовымизделием. На рис.18 представлены некоторые возможные варианты сортового проката.

Рис.17. Схема валка с ручьями:

D – диаметр бочки; d – диаметр шейки

Рис.18. Формы сечения сортовой продукции:

1 – круг; 2 – квадрат; 3 – шестигранник; 4 – полоса; 5 – лист;

6 – рессора; 7 – сегмент; 8 – овал; 9 – трехгранник; 10 – уголки;

11 – тавровая балка; 12 – швеллер; 13 – двутавровая балка; 14 – рельс; 15 – накладка для рельсов; 16 – подкладка для рельсов; 17 – автообод;

18 – бортовое кольцо; 19 – оконнорамный профиль; 20 – зетовый профиль; 21 – шпунт; 22 – лемех; 23 – шпора тракторная; 24 – башмак гусеницы трактора; 25 – бандаж колесный;. 26 – труба; 27 – колесо

Дальнейшее увеличение функциональности валковой системы происходит вследствие постоянно растущих требований к уменьшению толщины листового проката. Для того, чтобы рассмотреть возникающие в этом случае проблемы, обратимся к рис. 19. При нагружении валковой системы (поз.а, рис.19) силами F – F (поз.б, рис.19) происходит сплющивание валков в месте контакта. При нагружении по варианту вв основном деформируется полоса.

В случае г наблюдаем аналогичную ситуацию, когда полоса по отношению к диаметру валков «толстая». В случае д «тонкая» полоса приводит к усилению взаимодействия между валками и следовательно, к их сплющиванию. Таким образом, при сплющивании валков нарушается геометрия очага деформации, и прокатка затрудняется или вообще становится невозможной. Следовательно, можно сделать вывод, что прокатка тонких полос может осуществляться на валках меньшего диаметра. Значит, увеличение функциональности валковой системы (прокатка более тонких полос) требует уменьшения диаметра валков.

F F F F

F

F

F F

а б в г д

Рис.19. Схема взаимодействия «валок – валок», «валок – полоса»

при различных схемах нагружения

Следующим этапом является соединение требований по увеличению ширины полосы и уменьшению ее толщины. Решение этой задачи не может быть получено изменением количественных характеристик валковой системы: диаметров валков, прочности металла валков и т.д. Повышение функциональности возможно только за счет усложнения структуры валковой системы, введения опоры качения – опорного валка (рис. 20).

В этом случае происходит уточнение функции (специализация), что выражается в терминологии (например, «рабочий валок», что подчеркивает его функцию; и «опорный валок»).

Назначение опорного валка заключается в предотвращении (уменьшении) изгиба рабочего валка.

Рис. 20. Структура 4-х валковой системы

Особенно это важно при увеличении длины бочки рабочего валка при одновременном уменьшении его диаметра для обеспечения прокатки тонких полос.

Но увеличивать диаметр опорного валка можно лишь в определенных пределах, исходя из соображений, которые изложены в описании рис. 19. Опорный валок при больших соотношениях D_оп/ D_раб будет более «мягким», чем рабочий, и быстро будет изнашиваться.

Дальнейшее повышение функциональности валковой системы можно представить рис. 21.

1 2 3 2 1

Рис.21. Схема повышения структурности (усложнения)

валковой системы:

1 – первый ряд опорных валков; 2 – второй ряд опорных валков;

3 – третий ряд опорных валков

Станины рабочей клети

Как отмечалось выше, для функционирования валковой системы прокатного стана необходимо наличие другой системы, которая обеспечивает компенсацию силы прокатки. Эта система называетсястаниной прокатной клети (рис.22).

Рис.22. Схема станины рабочей клети

Она представляет из себя раму, состоящую из двух стоек и двух поперечин (траверс). Сила прокатки передается по следующей силовой цепи: бочка валка – шейка – подшипник – подушка – поперечины. Указанная сила прокатки будет растягивать стойки станины на некоторую величину D. По закону Гука это приведет к возникновению сил, действующих с противоположным знаком:

F = -kD,

где k – упругость стоек станины.

В результате этого взаимодействия изменится только начальный межвалковый зазор, который станет равным

h = h₀ + F_пр/C,

где С – модуль жесткости станины.

Здесь имеется явное противоречие. Для того, чтобы система (станина) функционировала, необходима некоторая деформация, которая отразиться на работе валковой системы. Межвалковый зазор увеличится и эффективность работы системы (энергетика) снизится (см.рис.12).

На рис.22 представлена одна станина. Вообще их две, и они образуют рабочую клеть.

Таким образом, можно определить основную функцию станин рабочей клети. Кроме этой функции, станина является устройством для позиционирования всех элементов клети (некоторые из них рассмотрим ниже).

При прокатке на клеть действуют внешние силы и моменты от привода стана и полосы, которые могут привести к несанкционированному ее перемещению. Для того, чтобы этого не произошло, станины закрепляются через анкерные болты к фундаменту. Это означает, что к станине добавляется некоторая масса. Этого увеличения достаточно, чтобы ускорение от действующих сил было минимальным: a = F/m, при m®¥ , а ® 0, т.е. значение скорости движения клети от действия внешних сил при V₀ = 0 было близким к нулю (V_t =V₀ + at® 0) и ее перемещение было бы минимальным.