Рабочие клети и их приводы

Основное оборудование прокатных станов

Рабочая клеть прокатного стана состоит из двух литых станин, сверху соединенных траверсами, внизу каждая станина своими лапами опирается на плитовины, которые крепятся к фундаменту анкерными болтами (рис. 1).

Основным технологическим инструментом прокатного стана являются рабочие валки, для регулировки их положения клети оснащают нажимными механизмами, уравновешивающими устройствами и механизмами осевой установки и фиксации. На входе и выходе из рабочей клети к станинам крепятся столы с линейками, направляющими заготовку. Под нажимные механизмы устанавливают устройства, предохраняющие от перегрузок.

Различают 2-валковые (дуо), 3- (трио), 4- (кварто), и многовалковые рабочие клети, реверсивные и нереверсивные. Рабочие клети колесопрокатных, бандажепрокатных, шаропрокатных, осепрокатных и других станов специального назначения в настоящем учебном пособии не рассматриваются.

Рабочую клеть стараются спроектировать как можно менее металлоемкой для облегчения всей конструкции прокатного стана и экономии материала, но при этом как можно более жесткой для улучшения качества выпускаемого металлопроката. Увеличение общей жесткости рабочей клети за счет укрупнения поперечных сечений всех деталей, воспринимающих нагрузку при прокатке, не всегда приводит к достижению обозначенной цели. Так, при увеличении диаметра рабочего валка повышается его жесткость и уменьшается прогиб при прокатке, но при этом сильнее сплющивается бочка валка от контакта с прокатываемым металлом.

Ниже перечисляются варианты одновременного изменения диаметра бочки рабочего валка и площади поперечного сечения стойки станины, позволяющие достичь наибольшей жесткости клети

Диаметр бочки рабочего валка , % ……………… 100; 120; 156; 120

Поперечное сечение стойки станины , % ……… 100; 100; 100; 120

Жесткость рабочей клети , % ……………………. 100; 111; 117; 115

Масса рабочей клети , % ……………………….. 100; 122; 148; 136

Расчетные значения относительной жесткости клети в зависимости от соотношения длины и диаметра бочки при различных значениях отношения произведения длины бочки на длину верхней поперечины станины к площади верхней поперечины станины показывают, что максимальная жесткость клети достигается при = 1,4 (рис. 2).

Жесткость клети также повышается при увеличении отношения диаметра шейки к диаметру бочки рабочего валка . Так, при использовании подшипников жидкостного трения (ПЖТ) без конической втулки цапфы проседание бочки валка уменьшается в 3,0 – 3,5 раза при отношении . Дальнейшее увеличение не дает существенного уменьшения деформаций.

Жесткость рабочей клети можно повысить сразу на 25…30 % (без увеличения ее массы), если верхний и нижний рабочие валки прижать друг к другу с силой, превышающей силу прокатки. Тогда предварительная нагрузка устранит зазоры в соединениях. Такие предварительно напряженные клети (ПНК) целесообразно применять в чистовых группах.

ПНК оснащают механизмами для регулирования раствора валков по показаниям измерителя размеров полосы, что резко снижает разнотолщинность проката.

Для горячекатаных листов толщиной 4…10 мм поле допусков по существующему стандарту составляет 10…25 % толщины. Применение быстродействующих нажимных механизмов с системами автоматического регулирования раствора валков позволяет уменьшить это поле в 3 раза, т.е. расход металла на равновеликую площадь листов снижается на 6 %. Экономия металла за счет сокращения положительного поля допусков и использования отрицательного для мелкосортных профилей составляет 2 %, а для среднесортных — 1 %.

У бесшовных труб поле допусков на толщину стенки достигает 12,5…15 % номинальной толщины стенки. Если эту разность уменьшить вдвое, экономия металла составит 6,8 %.

При прокатке листов шириной более 1000 мм для уменьшения поперечной разнотолщинности и улучшения планшетности проката станинные рабочие клети оснащаются гидромеханическими устройствами принудительного изгиба рабочих и опорных валков. Эти устройства, создающие дополнительные напряжения в элементах рабочей клети, включаются только после захвата валками переднего конца полосы и выключаются по завершении прокатки. Клети с гидромеханическими устройствами для принудительного изгиба валков не относятся к классу ПНК.

Бесстанинные ПНК с жесткой стяжкой подушек (рис. 3) широко применяются на сортовых станах, имеют примерно в 3 раза меньшую массу и в 4 раза большую жесткость, чем станинные ненапряженные клети.

Дальнейшее усовершенствование ПНК связано с применением в них ПЖТ для восприятия радиальной нагрузки, а также гидростатических упорных подшипников для восприятия осевой нагрузки.

Гидростатические упорные подшипники имеют преимущества перед подшипниками качения по жесткости и надежности при высоких скоростях. При этом достигается гораздо более высокое предварительное напряжение. Так, радиальная жесткость ПНК 370 примерно в 7 раз выше, чем у станинных клетей. Применение гидростатических упорных подшипников позволяет увеличить осевую жесткость в 12 раз.

Привод клети или нескольких клетей прокатного стана, вращающий рабочие или опорные валки, называется главным. Он может быть электрическим или гидравлическим. Ручные приводы используются только в небольших станках для проката олова, свинца и других мягких цветных металлов.

Различают индивидуальные и групповые электроприводы (рис. 4).

У индивидуального электропривода каждый рабочий валок имеет собственный электродвигатель (мотор-редуктор), но при этом необходима система синхронизации вращения валков. В случае группового электропривода один электродвигатель вращает все валки, но тогда необходима шестеренная клеть или редуктор - шестеренная клеть.

Режим работы электроприводов может быть нереверсивным, реверсивным и периодическим. Наиболее распространен нереверсивный режим, при котором каждый рабочий валок вращается только в одном направлении. Реверсивный режим работы состоит в том, что после прохода заготовки каждый рабочий валок меняет направление своего вращения на противоположное. Особенность периодического режима работы состоит в том, что прокатка заготовки рабочими валками осуществляется не на всех ее участках.

К конструированию и расчету главного электропривода приступают после того, как спроектирована рабочая клеть прокатного стана, рассчитаны скорость, сила и момент прокатки.

Узлы валков

Вращающиеся рабочие валки как основной технологический инструмент прокатного стана, пластически деформируют (обжимают) металл заготовки, при этом они воспринимают силу прокатки, действующую со стороны металла, и передают ее на подшипниковые опоры валков. От качества рабочих валков зависит качество готового проката, поэтому их значимость в производстве металлопроката первостепенна.

Узел валков, например клети кварто, включает рабочие и опорные валки, установленные в подшипниках, и подушки (рис. 5).

Прокатываемый лист обжимается рабочими валками, его толщина уменьшается, но при этом лист вытягивается по длине. Рабочие валки имеют относительно небольшой диаметр, в связи с чем при прокатке они могут сильно прогибаться, поэтому их подпирают опорные валки.

Различают цельные и составные (бандажированные) рабочие валки. Последние представляют собой конструкцию, состоящую из стальной оси и накладываемого на нее бандажа из износостойкого материала.

Валки бывают гладкими для прокатки листа и профилированными (сортопрокатными) соответственно для прокатки профилей. Каждый валок имеет бочку, две шейки, один или два приводных конца (рис. 6).

Определяющей характеристикой рабочей клети являются размеры рабочих валков — диаметр и длина бочки. Бочка — рабочая часть валка, деформирующая прокатываемый металл. На бочке профилированного валка имеются ручьи. Номинальный диаметр бочки является основным параметром валков сортопрокатных станов. Диаметры бочек выбирают с учетом допустимого угла захвата прокатываемой заготовки (полосы) рабочими валками ; при прокатке сортового металла .

Диаметр бочки по дну ручья должен удовлетворять следующему условию

,

где — обжатие прокатываемой заготовки.

Отношение номинального диаметра бочки к ее диаметру по дну ручья принимают не более 1,4 во избежание слишком большого снижения точности. Отношение длины бочки к ее номинальному диаметру равно 2,2…3,0 для черновой клети и 1,2…2,0 для чистовой. В целях повышения жесткости клетей принимают как можно меньшие значения отношений . Окончательно длину бочки уточняют, исходя из наиболее оптимального размещения ручьев.

Форма ручья на бочке профилированного рабочего валка соответствует форме проката. Калибры, образуемые ручьями, по форме можно разделить на две большие группы: простые и фасонные. К калибрам фасонной формы относятся ящичные, квадратные, ромбические, шестигранные, овальные, ребровые овальные, круглые и др. Кроме того, калибры могут быть открытыми и закрытыми. Если линия разъема валков проходит через калибр, он называется открытым, если же линия разъема находится вне пределов калибра — закрытым (рис. 7).

Бочки рабочих валков периодически перетачиваются. При этом удаляются множественные поверхностные дефекты, ухудшающие качество проката, а у профилированных валков восстанавливаются первоначальные размеры ручьев.

Для удержания полосы или листа от осевого перемещения применяют специальные профилировки валков. Например, при горячей прокатке тонких листов на стане кварто рабочие валки выполняют вогнутыми до 0,5 мм, а опорные — цилиндрическими. При холодной же прокатке тонких листов, наоборот, валки делают выпуклыми. Однако эти и любые другие профилировки должны обеспечивать не только правильное положение раската в валках в процессе деформации, но и минимальную поперечную разнотолщинность.

Шейка — опорная часть валка, на которой устанавливается подшипник. Ее стараются делать как можно большего диаметра, чтобы увеличить прочность валка и распределить силу прокатки на большую площадь. Шейки бывают не только цилиндрическими под подшипники качения или под подшипники скольжения с текстолитовыми вкладышами, но и конусными под ПЖТ.

Диаметр шейки под подшипник скольжения с текстолитовыми вкладышами, плохо выдерживающими большие давления при прокатке, выбирают следующим образом:

,

а диаметр шейки под подшипник качения — из следующего ряда: 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 220, 240, 260, 280, 300, 320, 340, 360, 380, 400, 420, 440, 460, 480, 500, 530, 560, 600, 630, 670, 710, 800, 850, 900, 950 мм.

Длину шейки принимают равной ее диаметру, т.е. .

Приводной конец диаметром и длиной — соединительная часть валка, связывающая его с электроприводом. Диаметр приводного конца обычно на 10…15 мм меньше диаметра шейки.

Приводной конец может иметь шпоночные канавки, лыски и шлицы, быть как круглого поперечного сечения, так и квадратного. Нередко приводной конец выполняют в виде трефа или лопасти. Трефовый конец рабочего валка соединяется со шпинделем с помощью валковой муфты, а лопастной конец с вкладышами скольжения сам выступает в качестве элемента шарнира, что исключает валковую муфту. По сравнению с лопастным трефовое соединение имеет большой недостаток: технологические трудности при изготовлении трефа.

Для изготовления рабочих валков используется как сталь, так и чугун. Для горячей прокатки производят литые и кованые стальные валки, а для холодной — только кованые. В общем количестве валков горячей прокатки доля стальных кованых валков составляет около 20 %, в то время как доля литых (стальных и чугунных) — 75…80 %. Литые валки дешевле кованых, легче изготавливаются, но менее прочные.

Применение в составных валках бандажей из высокопрочных материалов, возможность замены изношенных бандажей при многократном использовании оси снижают металлоемкость и дают большой экономический эффект. Хорошо зарекомендовали себя в работе составные валки с чугунными бандажами и стальными осями.

После назначения основных геометрических размеров, рабочий валок рассчитывают на прочность и упругую деформацию от действия силы прокатки со стороны металла заготовки и крутящего момента со стороны привода.

Пример 1. Рассчитать на прочность и жесткость гладкий рабочий валок стана дуо с размерами бочки и шейки , , если прокатываемый лист имеет ширину , а интенсивность силы прокатки (нагрузки), равномерно распределенной по ширине листа равна (рис. 8). Известна также величина крутящего момента , приложенного к приводному концу рабочего валка при прокатке.

Решение. Под воздействием силы прокатки гладкий рабочий валок прогибается, что может привести к браку (разнотолщинности), особенно при прокатке тонкого листа.

Расчетная схема валка представляет собой 2-опорную балку АВ с равномерно распределенной «по прямоугольнику» нагрузкой , которую можно заменить сосредоточенной силой прокатки , приложенной посередине балки. Линии действия реакций подшипниковых опор , приложенных в точках и , проходят через середину ширины подшипников и совпадают с осями нажимных винтов.

Бочку рабочего валка рассчитывают на изгиб, пренебрегая касательными напряжениями от крутящего момента, и строят эпюру изгибающих моментов.

Максимальный изгибающий момент будет в срединном (опасном) сечении по длине бочки валка:

.

Условие прочности бочки валка по нормальным напряжениям при изгибе:

,

т. е. максимальное нормальное напряжение , возникающее при изгибе в опасном сечении бочки валка, не должно превышать допускаемого нормального напряжения в этом же сечении, принимаемого исходя из пятикратного запаса прочности , где — предел прочности материала валка. В зависимости от материала принимают значения допускаемых напряжений из представленных в табл. 1.

Таблица 1

Результаты, полученные при испытании образцов на растяжение-сжатие

Материал рабочего валка	, МПа	, МПа
Кованая легированная сталь	140…150	700…750
Кованая углеродистая сталь	120…130	600…650
Литая углеродистая сталь	100…120	500…600
Легированный чугун	80...100	400…500
Чугун	70…80	350…400

Шейку валка рассчитывают на совместное действие изгибающего и крутящего моментов. Максимальный изгибающий момент в шейке валка будет в опасном сечении, где шейка переходит в бочку:

.

Максимальное нормальное напряжение, возникающее в опасном сечении шейки валка при изгибе,

,

где — момент сопротивления опасного сечения шейки валка изгибу.

Максимальное касательное напряжение, возникающее в опасном сечении шейки валка при кручении,

,

где — момент сопротивления опасного сечения шейки валка кручению (полярный момент).

Условие прочности шейки для стальных валков записывают на основе четвертой (энергетической) теории прочности: результирующее напряжение не должно превышать допускаемого напряжения (см. табл. 1)

.

Условие прочности шейки для чугунных валков записывают на основе теории предельных состояний Мора:

.

Приводной конец рабочего валка рассчитывают только на действие крутящего момента (табл. 2).

Таблица 2

Формы приводных концов рабочих валков

Название	Эскиз	Формула расчета на кручение
Треф
Лопасть

Примечание: , МПа — напряжение, возникшее на конце рабочего валка ;

, МПа — допускаемое касательное напряжение; — коэффициент формы приводного конца; — размер по лыскам приводного конца

Во всех случаях максимальные касательные напряжения , возникшие от приложения к концу рабочего валка крутящего момента , не должны превышать допускаемых касательных напряжений (см. табл. 1).

Далее рассчитывают упругую деформацию рабочего валка.

В сопротивлении материалов прогиб упругой балки определяют по теореме Максвелла – Мора или теореме Кастильяно. Согласно А.И. Целикову, наибольший прогиб посередине рабочего валка определяется путем суммирования прогиба от действия изгибающих моментов и прогиба от действия поперечных сил:

(1)

где — модуль Юнга и модуль упругости материала рабочего валка при сдвиге, для стальных валков МПа, МПа, для валков из легированного чугуна МПа, МПа, — момент инерции площади поперечного сечения бочки валка, , — момент инерции площади поперечного сечения шейки валка, .

При холодной прокатке допускается наибольший прогиб валка , а при горячей — .

Пример 2. Рассчитать на прочность и жесткость профилированный рабочий валок сортового стана с размерами бочки , и шейки , прокатывающий заготовку круглого поперечного сечения (рис. 9). Известны сила прокатки и величина крутящего момента , приложенного к приводному концу рабочего валка.

Решение.Расчетная схема профилированного валка представляет собой 2-опорную балку , нагруженную сосредоточенной силой прокатки , которая приложена в середине калибра на расстоянии до оси одного из нажимных винтов. Это расстояние меняется в зависимости от того, в каком калибре осуществляется прокатка. Опорные реакции и в точках и неодинаковы по величине: . Если на бочке валка несколько ручьев, необходимо найти силы прокатки и проверить расчетом прочность валка в каждом калибре.

Максимальный изгибающий момент в бочке валка при прокатке в соответствующем калибре

.

Максимальный изгибающий момент в шейке валка

.

Наиболее неблагоприятным случаем в отношении прочности шейки валка является прокатка в крайнем калибре со стороны приводного конца валка, когда шейка валка подвержена изгибу и кручению одновременно с наибольшими значениями силовых факторов.

В остальном проверочный расчет прочности сортового валка аналогичен расчету прочности листового гладкого валка стана дуо (см. пример 1).

Определение упругой деформации сортовых валков сводится к установлению величины раскрытия калибра, т.е. раскрытия калибра увеличения его размеров в направлении линии действия силы прокатки. Раскрытие калибра определяется значениями прогибов валков от действия изгибающих моментов и поперечных сил. Знание упругой деформации валков необходимо для установления зазора между буртами валков при настройке клети. Зазор между буртами валков должен быть больше значения упругой деформации клети и износа валков.

Формула для определения прогиба валка при прокатке заготовки в калибре получена на основании теоремы Максвелла — Мора:

где — площадь опасного сечения шейки валка, ; — площадь опасного сечения бочки валка по дну ручья, .

Когда сила прокатки одинакова во всех калибрах, можно воспользоваться формулой (1), приняв, что прокатка осуществляется в среднем калибре и (это наиболее неблагоприятный случай прокатки в отношении прочности и жесткости валка). Тогда прогиб валка

Раскрытие калибра от упругой деформации двух валков равно . Ниже приведена зависимость суммарного прогиба двух валков от отношения для валков с размерами , при прокатке в среднем калибре, когда сила прокатки = 0,6 МН (рис. 10).

Таким образом, рабочие валки сначала рассчитывают на прочность, жесткость, а также на усталостную долговечность, после чего для них подбирают подшипники скольжения или качения, причем размеры подшипников в радиальном направлении в плоскости действия нагрузок, а, следовательно, и грузоподъемность ограничены расстоянием между шейками валков.

Подшипники скольжения конструктивно выполняются двух типов: закрытые и открытые.

Подшипники скольжения закрытого типа, ПЖТ, получили в прокатке наиболее широкое распространение. При любых скоростях вращения рабочего валка и силах прокатки между шейкой рабочего валка и подшипником всегда сохраняется масляная пленка, благодаря чему шейка валка как бы плавает в масляном слое подшипника. Состояние жидкостного трения обеспечивается герметичностью конструкции подшипникового узла с обработанными до зеркального блеска поверхностями трущихся деталей. Коэффициент трения в ПЖТ весьма мал (0,001…0,005), износа трущихся поверхностей практически нет, срок эксплуатации ПЖТ составляет 10 … 20 лет. Указанные показатели значительно выше, чем у роликовых подшипников качения. Кроме того, ПЖТ способны воспринимать большие удельные давления и сохранять высокую точность при высоких скоростях прокатки.

В прокатных станах применяют также подшипники скольжения открытого типа с текстолитовыми или металлическими вкладышами (рис. 11).

Текстолит состоит из слоев хлопчатобумажной ткани, пропитанных фенолформальдегидной смолой и спрессованных в горячем состоянии в пресс-формах.

Текстолитовые подшипники необходимо охлаждать, чтобы они работали при температуре не выше 60…80 , так как при более высокой температуре начинается их интенсивное разбухание и в дальнейшем обугливание.

Подшипники из текстолита характеризуются чрезвычайно малым коэффициентом трения (в 10 — 20 раз меньшим, чем бронзовые), который при больших скоростях вращения почти равен коэффициенту трения роликовых подшипников. Коэффициент трения бронзовых подшипников — 0,06…0,10; роликовых — 0,002… 0,005; текстолитовых — 0,004…0,006.

Основные вкладыши устанавливают в соответствии с направлением силы прокатки. Под шейкой верхнего валка для восприятия его массы при холостом ходе предусмотрен дополнительный вкладыш. В подшипниках нижнего валка вкладыши над шейками отсутствуют: шейки сверху закрыты защитным кожухом.

Текстолитовый вкладыш может быть изготовлен как отдельно, так и вместе с фланцем как единое целое (рис. 12).

Основной недостаток текстолитовых подшипников заключается в их малой жесткости, что затрудняет настройку стана и получение проката требуемой точности.

Подшипники качения могут быть шариковыми, роликовыми или игольчатыми; в качестве валковых опор часто применяются двухрядные сферические подшипники качения и четырехрядные роликоподшипники. Для восприятия осевых нагрузок на одном или двух концах валка устанавливают радиально-упорные подшипники качения.

При конструировании прокатных станов подшипники качения подбирают из числа стандартных по условным формулам. Ниже излагается методика выбора подшипников, принятая отечественными стандартами и Международной организацией по стандартизации (ИСО).

Основной характеристикой подшипника является — динамическая грузоподъемность, зависящая от материала, размеров и конструкции подшипника и эмпирически связанная с ресурсом работы подшипника:

— для шариковых подшипников;

— для роликовых подшипников.

где — ресурс (долговечность), млн. оборотов; – эквивалентная нагрузка на подшипник.

Различают подбор подшипников по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания) и по статической грузоподъемности для предупреждения остаточных деформаций.

При выборе типоразмера подшипника для заданных условий работы должны быть учтены следующие факторы: величина и направление нагрузки (радиальная, осевая или комбинированная); характер нагрузки (постоянная, переменная, вибрационная или ударная); частота вращения внутреннего кольца подшипника; необходимая долговечность, выраженная в часах или миллионах оборотов; температура, влажность и запыленность окружающей среды и т.п.

Выбор подшипника проводят в следующей последовательности: сначала намечают тип, определяют типоразмер подшипника, удовлетворяющий величине и направлению действующих нагрузок, частоте вращения и требуемому сроку службы, а затем назначают класс точности подшипника с учетом особых требований к точности вращения узла. Если таковых нет, принимают нормальный класс точности.

Затем, учитывая требуемый срок службы, рассчитывают необходимую динамическую грузоподъемность, после чего конкретизируют по каталогу типоразмер подшипника и его габаритные размеры.

Расчет и выбор подшипников опор прокатных валков имеет свои особенности. Радиальная нагрузка от силы прокатки воспринимается основным, а осевая — вспомогательным подшипником. Основной подшипник обычно четырехрядный с коническими или цилиндрическими роликами, а вспомогательный — радиально-упорный или упорный. Если в узле установлены несколько одинаковых равномерно нагруженных подшипников, то его динамическую грузоподъемность определяют следующим образом:

— для шариковых подшипников;

— для роликовых подшипников,

где — число подшипников.

К конструкции подшипниковых узлов предъявляют такие требования как удобство и быстрота сборки-разборки узла; высокие радиальная и осевая жесткости; посадка деталей без зазоров. Кроме того, в подшипниковых узлах должны быть предусмотрены уплотнения для предотвращения вытекания смазки.