Устройства для регулировки положения валков

Валки устанавливаются в вертикальной плоскости с помощью нажимных механизмов.

Нажимные механизмы с приводом от электродвигателя через глобоидные червячные передачи применяют на станах, где скорость перемещения валков из-за необходимости точной регулировки толщины проката невелика.

Основными элементами нажимного механизма являются нажимные винты и гайки (рис. 13).

Нажимные винты воспринимают силу прокатки, приходящуюся на рабочий валок, и передают ее через нажимные гайки станинам.

Нажимные гайки — наиболее изнашивающиеся детали нажимного механизма изготовляют из литой бронзы. Для экономии бронзы гайки

выполняют составными: наружные бандажи делают из высокопрочного чугуна, модуль упругости которого близок к модулю упругости бронзы.

Резьбу нажимных винтов подвергают поверхностной закалке и шлифуют. Шаг резьбы нажимных винтов вдвое меньше шага резьбы дистанционных винтов и направление нарезки на винтах противоположное.

Внутренний диаметр резьбы нажимного винта определяют в зависимости от максимальной силы прокатки:

,

где — допускаемое напряжение на сжатие винта.

Нажимные винты изготовляют из кованой стали, предел прочности которой = 600...750 МПа. Как правило, принимают пятикратный запас прочности и = 120...150 МПа.

Расчетный диаметр винта сравнивают с данными ГОСТа и принимают ближайшее большее значение из стандартного ряда.

Диаметр нажимной гайки и ее высоту принимают из следующих выражений:

;

,

где — наружный диаметр резьбы нажимного винта.

Для приведения во вращение нажимного винта к верхнему его концу прикладывают крутящий момент, рассчитываемый по формуле

,

где — сила, действующая на нажимной винт; — коэффициент трения в пяте; — диаметр пяты нажимного винта; — средний диаметр резьбы винта; — угол подъема резьбы; — угол трения в резьбе; , ( — коэффициент трения в резьбе между винтом и гайкой). При нормальной смазке резьбы , тогда .

Во время паузы между проходами, когда на нажимной винт не действует сила прокатки, но действует сила со стороны устройства уравновешивания верхнего валка, силу определяют как

,

где — сила, действующая на одну подушку валка со стороны механизма уравновешивания; — сила, равная весу уравновешиваемых деталей (верхний валок, его подушки и нажимной винт).

Между сферической пятой и подпятником, а также в резьбовом соединении нажимного винта и гайки обязательно образуются зазоры, для исключения которых предусмотрено уравновешивающее устройство (рис. 14).

С помощью этого устройства верхний рабочий валок удерживается в подвешенном состоянии над нижним валком, и подушки верхнего валка всегда плотно прижаты к торцам нажимных винтов. Гайка уравновешивающего устройства вмонтирована в траверсу, соединяющую левую и правую половины станины.

Для уравновешивания верхнего валка применяют также грузовые, гидравлические и пружинные устройства, причем последние используют в том случае, когда перемещение валка невелико.

Механизмы осевой установки служат для перемещения калиброванных рабочих валков в горизонтальной плоскости с целью выравнивания калибров. Обычно нет надобности в осевой регулировке валков с гладкой бочкой.

Механизмы осевой установки бывают одно- и двусторонними, прижимными и рычажными (рис. 15).

Двусторонние прижимные механизмы применяют для установки валков с текстолитовыми подшипниками. Как правило, подшипниковые опоры фиксируются со стороны перевалки валков, а опоры со стороны привода выполняются «плавающими» с учетом температурных деформаций. Такие механизмы обеспечивают прижатие подушек друг к другу через валок, что достигается с помощью болтов, прижимающих подушки с внешней стороны через фланцы или откидные планки.

Общие недостатки прижимных двусторонних механизмов — наличие большого числа болтов, необходимость обслуживания клети с обеих сторон, малая жесткость, отсутствие самоустановки подушек.

Поэтому наибольшее распространение получили односторонние рычажные механизмы, которые обеспечивают фиксацию и осевую установку валка через подушку с одной стороны для горизонтальных клетей и сверху — для вертикальных клетей. Такие механизмы применяют в случае установки валков на подшипниках качения или ПЖТ, когда валок зафиксирован на подушке с неприводной стороны в обоих направлениях.

Подушка с фланцами, установленная в направляющих пазах станины клети, фиксируется рычагами через шарнир относительно станины. Положение рычагов регулируют соединительными тягами, одна из которых работает на растяжение, а другая — на сжатие. На фланцах подушки на уровне оси валка имеются сферические элементы, предназначенные для создания более благоприятных условий ее самоустановки. В последнем случае рычаги выносят выше или ниже уровня валков. Осевые силы при прокатке передаются на станину упорными подшипниками, установленными в регулируемой подушке с фланцами.

Станины

Станины соединяют в единое целое отдельные устройства и механизмы рабочей клети прокатного стана. В середине станины предусмотрено окно для установки подушек валков. Внизу станина имеет приливы (лапы) с отверстиями под болты для крепления к плитовинам.

Различают станины закрытого и открытого типов, а также составные (рис.16).

Закрытая станина представляет собой сплошную раму, а открытая имеет съемную верхнюю поперечину, которая крепится клиньями, пальцами или с помощью цапф. При одинаковых размерах закрытые станины имеют более высокую жесткость, чем открытые. Однако основным их недостатком является более трудоемкая смена валков с подушками, осуществляемая с боковой стороны. Кроме того, при наличии валков с буртами, необходимыми для прокатки фасонных профилей, требуется увеличение проема станины, что повышает габаритные размеры и массу клетей и снижает их жесткость. Открытые станины обеспечивают более удобную замену валков (перевалку) и не требуют увеличения проема для валков с буртами, но, как отмечалось, обладают меньшей жесткостью. Поэтому закрытые станины применяют, главным образом, в непрерывных и последовательных сортовых станах для прокатки простых профилей. В остальных случаях предпочтение отдают открытым станинам.

Составные станины выполняют по-разному, однако наиболее перспективны составные станины из стоек и поперечин в виде сегментов, называемых ригелями, обмотанных по контуру с определенной силой высокопрочной металлической лентой. Как правило, станина является незаменяемой деталью рабочей клети прокатного стана, разрушение которой влечет длительные простои и значительные убытки. Станины прокатных станов должны не только иметь достаточную прочность, но и обладать необходимой жесткостью, поскольку деформации станин наряду с деформациями других деталей рабочей клети изменяют раствор валков, что ухудшает качество проката. Поэтому станины рассчитываются на прочность и жесткость.

Станину закрытого типа, состоящую из двух одинаковых стоек и двух поперечин, рассматривают как жесткую статически неопределимую раму с прямыми или скругленными углами. В закрытых станинах прокатных станов, у которых для изменения раствора перемещается только верхний валок, сечение верхней поперечины ослаблено отверстием для нажимной гайки. По этой причине площади поперечных сечений верхней и нижней поперечин подбирают так, чтобы момент инерции верхней поперечины был больше момента инерции нижней поперечины в 1,2 — 1,4 раза. Такое соотношение обеспечивает требуемый запас прочности станины.

Расчет закрытых станин на прочность осуществляют по методам А.И. Целикова, А.А. Королева, а также по графоаналитическому методу.

Метод А.И. Целикова основан на использовании теоремы Кастильяно, формулируемой следующим образом: перемещение точки приложения обобщенной силы по направлению ее действия равно частной производной от потенциальной энергии деформации по этой силе. Для определения перемещения (линейного или углового) в точке, где по условию задачи внешнее усилие (сила или момент) отсутствует, необходимо приложить фиктивную обобщенную силу. Далее следует написать из выражения для потенциальной энергии деформации от всех сил, включая и фиктивную, следует взять производную по фиктивной силе. В полученном выражении для обобщенного перемещения фиктивную нагрузку необходимо принять равной нулю.

Рассмотрим станину произвольной формы, симметричную относительно вертикальной оси (рис.17). Со стороны нижней подушки на нижнюю поперечину и со стороны нажимного винта на верхнюю поперечину станины действуют вертикальные силы , равные силе, воспринимаемой шейкой рабочего валка при прокатке (для станин листовых станов ).

Согласно теореме Кастильяно при подсчете потенциальной энергии упругой деформации станины учитывают лишь деформацию изгиба:

,

где — длина нейтрального волокна станины от среднего сечения поперечины станины до рассматриваемого сечения ; — изгибающий момент, — осевой момент инерции сечения .

В расчетах станин такое упрощение вносит погрешность не более 5 %.

Предположим, что среднее сечение нижней поперечины при нагружении станины не поворачивается (защемлено). Под действием силы в углах жесткой рамы возникнут статически неопределенные моменты. Статически неопределенный изгибающий момент , действующий в среднем сечении верхней поперечины, находят, исходя из потенциальной энергии упругой деформации одной половины станины.

Искомое значение определяем по формуле

. (2)

Чтобы найти по этому уравнению , необходимо выражать через переменную .

Пример 3.Имеется прямоугольная закрытая станина с длинами верхней и нижней поперечин , и длинами стоек . Известны площади поперечных сечений , , , а также осевые моменты инерции площадей сечений , , поперечин и стоек (рис. 18). Требуется найти напряжения в элементах станины.

Решение: Учитывая, что для поперечин , а для стоек , по уравнению (2) определяем :

т. е.

.

Эпюра моментов строится по уравнению

Для прямоугольной станины с одинаковыми моментами инерции поперечин, т. е. симметричной относительно вертикальной и горизонтальной осей, определяем при допущении, что :

.

Момент в стойке после преобразований

.

Рассмотрим напряжения, возникающие в середине верхней поперечины и стойке станины при нагружении (табл. 2)

Таблица 2

Напряжения в элементах прямоугольной закрытой станины

Элемент станины	Волокно
Наружное	Внутреннее
Поперечина	(растяжение)	(сжатие)
Стойка		(растяжение)

Примечание: , — моменты сопротивления изгибу для поперечных сечений по внутренним и наружным волокнам (табл. 3)

Таблица 3

Геометрические характеристики плоских сечений

Сечение	Площадь	Осевой момент инерции	Момент сопротивления изгибу

Примечание. — диаметр круглого наружного поперечного сечения ; — внутренний диаметр поперечного сечения ; — ширина прямоугольного поперечного сечения ; — длина прямоугольного поперечного сечения ; — площадь поперечного сечения ; — момент сопротивления изгибу для площади поперечного сечения

Напряжения наружного и внутреннего волокон для каждого элемента станины должны быть меньше допускаемых .

Метод А.А. Королева основан на разрезании станины на четыре свободные 2-опорные балки — две поперечины и две стойки. Это необходимо для определения статически неопределимых моментов (рис. 19).

Для учета влияния жестких углов в соединениях поперечин со стойкой к концам и отрезанной балки прикладываются фиктивные моменты и , после чего система становится статически определимой.

Из курса сопротивления материалов известно, что угол наклона касательной к изогнутой оси в точке опоры балки (угол поворота поперечного сечения балки) равен опорной реакции от фиктивной моментной нагрузки, деленной на жесткость балки:

,

где — осевой момент инерции площади поперечного сечения балки.

Угол поворота торцевого сечения верхней поперечины выражается разностью, поскольку прогиб от вертикальной силы Y и от фиктивных моментов направлены в противоположные стороны:

.

Это относится и к нижней поперечине:

Вертикальная стойка станины длиной изгибается внутрь окна станины фиктивными моментами и .

Фиктивные опорные реакции

;

.

Углы поворота торцевых сечений стойки

; .

Поскольку опоры и в углах жесткой рамы принадлежат как поперечинам, так и стойке, углы поворота торцевых сечений должны быть равны между собой, т. е. ; .

Моменты, действующие в верхних и нижних углах жесткой рамы

; ,

где ; .

Кривые (рис. 20) показывают, как возрастает отношение моментов с увеличением параметра .

Пример 4. Рассчитать на прочность закрытую станину рабочей клети стана 2000 холодной прокатки. Станина изготовлена из литой стали марки 35Л (предел прочности ) и имеет значительные закругления в углах для уменьшения концентрации напряжений. На каждую поперечину станины действует сила 17 МН. Известны форма и размеры опасных поперечных сечений станины (рис. 21).

Площади поперечных сечений (табл. 4)

;

;

.

Осевые моменты инерции поперечных сечений

;

;

где — координата центра тяжести площади сечения ;

,

где — статический момент площади сечения относительно оси ;

.

Моменты сопротивления поперечных сечений изгибу

;

;

,

.

Длина нейтрального волокна верхней и нижней поперечин станины

;

.

Длина стойки станины по нейтральному волокну

;

.

Статически неопределимый момент

Напряжения в опасных сечениях станины

;

;

.

Таблица 4

Напряжения в элементах закрытой станины с закруглениями в углах

Сечение	Геометрические характеристики	Напряжение, , МПа	Запас прочности,
	0,96	0,115	0,192	38,5	15,6
	0,68	0,041	0,096	17,3	34,7
	1,29	0,19	0,275	30,1	19,9
	0,8	0,067	0,133	—	—

Примечание: — запас прочности, — площадь поперечного сечения; — осевой момент инерции площади поперечного сечения; — момент сопротивления изгибу для площади поперечного сечения

Условие прочности выполняется для всех элементов станины, так как расчетные коэффициенты запаса прочности больше допускаемого .

;

;

.

Наиболее слабым местом станины является нижняя поперечина.

Графоаналитический метод применяется для расчета закрытой станины сложной формы. Это метод приближенного интегрирования. Нейтральное волокно станины от точки А до точки B разбивается на 11…16 участков (рис. 22).

Знаки интегралов в (3) заменяются конечными суммами

Числитель этого выражения можно представить графически площадью под кривой , построенной в координатных осях, ординатой которых является текущее значение , а абсциссой — текущее значение суммы членов . В целом данная площадь образуется суммой площадок, каждая из которых равна текущему значению произведения . Значение равно средней ординате площади под кривой . Момент в любом сечении представляется эпюрой моментов, имеющей начало координат в точке , отстоящей от первоначальной оси абсцисс на расстоянии .

Расчет можно сократить путем предварительного построения эпюры моментов от единичной силы , которая для получения окончательной эпюры моментов умножается на величину . Средняя ордината площади под кривой , соответствующая этой эпюре моментов от единичной силы, численно равна плечу относительно сечения станины, где момент равен нулю.

Расчет станины открытого типа на прочность выполняется с учетом того, что верхняя поперечина (крышка) соединена со стойками наружным замком, который не препятствует стойкам деформироваться внутрь станины от действия силы на нижнюю поперечину (рис. 23).

Деформируясь внутрь станины, стойки зажимают подушку верхнего валка. Силу , действующую на стойку станины со стороны подушки, определяют из условия: прогиб стойки станины равен зазору между подушкой и стойкой :

Если прогиб стойки меньше величины зазора , сила не возникает. Из-за износа деталей величина не является постоянной. Поэтому стойки станины рассчитывают из условия максимальной силы , возникающей, когда , а поперечины станины, наоборот, — при условии, что .

В составной станине изгибающие моменты, возникающие в ригелях, не передаются стойкам, что значительно повышает их устойчивость в сжатом состоянии. Расчет составных станин на прочность сводится к расчету на растяжение ленты и сжатие стоек.

Жесткость станины определяется через расчет ее упругой деформации :

. (3)

При изменяющейся во время прокатки силе , упругая деформация станины может оказаться столь значительной, что прокатанная полоса будет иметь разнотолщинность больше допусков размеров по толщине. Кроме того, недостаточная жесткость станины может привести к заметным колебаниям при переходных процессах, обусловленных захватом полосы валками.

Рассмотрев прочностные расчеты станин различных типов, перейдем к порядку определения прогибов. Упругая деформация станины в вертикальном направлении является суммой деформаций прогиба верхней и нижней поперечин, а также деформации растяжения стойки станины (см. рис. 19):

,

где

;

;

определяют из (3).