Экспериментальное исследование прочности станины рабочей клети стана дуо 160

Цель работы - ознакомиться с методикой проведения и провести при прокатке замеры давления металла на валки, на основании результатов эксперимента рассчитать напряжения в станине рабочей клети.

Краткие теоретические сведения.

Давление металла на валки при прокатке является важнейшим силовым параметром, знание его необходимо как при проектировании станов, так и при их эксплуатации.

При проектировании новых станов в зависимости от величины давления металла на валки определяют размеры станин, нажимных винтов и гаек, рабочих валков, подшипников и других деталей рабочей линии. Выбирая размеры деталей такими, чтобы расчетные напряжения в них не превышали допускаемые, можно сконструировать надежную в работе машину минимального веса.

В условиях эксплуатации прокатных станов знание давления металла на валки дает технологам возможность правильно рассчитывать калибровку последних и распределять обжатия по пропускам, что позволяет повысить производительность оборудования.

Экспериментальное определение давления металла на валки не только подкрепляет опытными данными расчеты, сделанные по теоретическим формулам, но и позволяет в некоторых случаях обходиться без расчетов вообще. Здесь необходимо указать на прокатку сталей и сплавов, новых марок, для которых еще нет данных о пределе текучести и коэффициенте трения, кроме того, на получение сложных и специальных профилей, для которых затруднен подсчет величины контактной поверхности, величины обжатия и т.д.

Замер давления металла на валки выполняют с помощью специальных стаканов (мессдоз), устанавливаемых под нажимные винты .

В период подготовки к исследованиям мессдозы (емкостные, индуктивные или с проволочными тензометрами) тарируют на прессе.

При прокатке в калиброванных валках, кода положение полосы по длине бочки известно, для определения давления металла можно пользоваться одной мессдозой, так как

или

Если мессдозы установлены под два нажимных винта, что в ряде случаев необходимо (например, при прокатке на гладкой бочке или в калибре, ширина которого превышает поперечные размеры полосы) то давление металла на валки будет равно сумме реакций, замеренных мессдозами,

Среднее давление

где Р - давление металла на валки; - площадь контактной поверхности металла с валками. Она является величиной, обобщающей данные о давлении металла на валки, полученные экспериментальным путем. Величины среднего удельного давления обычно представляют в виде кривых зависимости

я

где - длина дуги захвата;

- средняя высота раската.

Отношение учитывает степень деформации металла и геометрические размеры очага деформации и, следовательно, при неизменных значениях коэффициента внешнего трения, прочностных свойств прокатываемого металла и схемы напряженного состояния, зависимость среднего удельного давления от этой величины должна иметь достаточно обобщающий характер. По этим кривым можно определить для соответствующей стали при переходе на новую схему обжатий, подсчитав предварительно .

Напряжения в станинах рабочей клети могут быть определены с помощью наклеенных датчиков, протарированных домкратом, балочкой или рассчитаны по замеренным реакциям давления металла на валки.

В сечениях станины закрытого типа (рис.4.1) напряжения определяются реакцией давления металла на валки (Р_л или Р_п) и возникающим под действием реакции, статически неопределимым, моментом М₀. При этом стойки станины будут испытывать напряжения растяжения

где Р_i - реакция давления металла на валки; F - площадь поперечного

сечения стойки; и напряжения изгиба ,

где М₀ - реактивный момент;

W₂ – момент сопротивления стойки.

Поперечины будут испытывать максимальные напряжения в середине длины

Статически неопределимый момент М₀ вычисляется по формуле Верещагина

где l₁, l₂ - длины поперечин и стоек; I₁, I₂ - моменты инерции их сечений.

Рис.4.1 Станина стана дуо «160»

Порядок выполнения работы.

Работа выполняется на стане дуо «160», оснащенном измерительной установкой для экспериментального определения давления на валки. Студентам необходимо:

1. Ознакомиться с оборудованием и аппаратурой для экспериментального определения давления металла на валки стана дуо «160».

2. Настроить на работу измерительную аппаратуру.

3. Подготовить 4 стальных образца , снять с них геометрические размеры.

4. Произвести прокатку образцов с различными обжатиями, записывая при этом на ПЭВМ показания мессдоз, фиксирующих изменение давления металла на валки при прокатке. Замерить толщину и ширину образцов после прокатки.

5. Произвести обработку полученной информации и определить Рл, Рп, Робщ.

6. Определить и занести в таблицу:

а) обжатие каждой полосы (фактическое) Δh,

б) длину дуги захвата ,

в) контактную поверхность ,

г) среднюю высоту полосы ,

д) отношение .

7. Вычислить при прокатке полос средние удельные давления и построить зависимость

8. По максимальной реакции определить напряжения в поперечинах и стойках станины, подсчитав предварительно ее геометрические параметры: F₂, W₁, W₂, I₁, I₂.

Выводы.

Сделать выводы относительно запаса прочности станин рабочей клети. Материал станин – СЧ 18-36.

Таблица 4

№ п/п

h0, мм

b0, мм

h1, мм

b1, мм

Δh

Pперевалки эксперим, Н

Pприв эксперим, Н

P∑ эксперим, Н

pср, МПа

l, мм

Hср, мм

l/Hср

bср, мм

Контрольные вопросы

1. Каково назначение станины прокатной клети?

2. Какой тип станины рабочей клети имеет стан дуо 160?

3. Из каких частей состоит станина закрытого типа?

4. На какие виды напряжений рассчитываются стойки станины?

5. На какое напряжение рассчитывается поперечина станины?

6. Каков коэффициент запаса прочности станины?

7. Из какого металла изготавливаются станины?

8. Из чего изготовлена станина стана дуо 160?

9. Как в данной работе определяется контактное давление металла на валки?

10. Как определяется средняя высота полосы в очаге деформации?

11. Какую практическую информацию дает анализ зависимости ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАБОЧЕЙ КЛЕТИ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ.

Цель работы – исследование и экспериментальное определение упругой деформации станины рабочей клети, упругого сжатия рабочих валков и других деталей клети при холодной прокатке.

Краткие теоретические сведения.

Одно из главных направлений развития современного прокатного производства - увеличение точности размеров получаемого проката. Применение проката повышенной точности позволяет значительно уменьшить потери металла, затраты на последующую обработку, а также открывает возможности для более широкого использования автоматизации технологических процессов в машиностроительной, метизной и других отраслях промышленности, использующих прокат.

Колебания размеров проката в значительной степени определяются упругими деформациями элементов рабочей клети в период прохождения металла между валками. Поэтому вопросам повышения жесткости рабочих клетей прокатных станов в настоящее время уделяется большое значение.

Точность размеров полосы, выходящей из валков, определяется суммарной упругой деформацией всех элементов рабочей клети, воспринимающих усилие прокатки.

В данной работе разделим всю упругую деформацию рабочей клети на три части: упругое сжатие валков, упругая деформация станины, упругая деформация прочих элементов (подшипников, подушек, нажимных винтов, гаек и т.д.) Такое разделение преследует цель - определение доли этих элементов в общей деформации рабочей клети.

Требуемая жесткость рабочей клети в основном зависит от заданного допуска на толщину прокатываемой полосы и от изменения давления на валки при прокатке, вызванного непостоянством механических свойств металла, исходной толщины полосы и т.д.

В результате колебания величины усилия прокатки зазор между валками будет соответственно изменяться на величину

(1)

где К_общ - коэффициент податливости рабочей клети в целом;

ΔР - колебание величины усилия прокатки.

Для подсчета жесткости данной станины необходимо определить деформацию , которая будет складываться из следующих трех величин

(2)

, и - деформация поперечин от изгибающих моментов ( ), от поперечных сил ( ), удлинение стоек ( ).

Величина равна стреле прогиба обеих поперечин (верхней и нижней), согласно теореме Кастильяно, определяется по формуле

(3)

где - длина поперечины по нейтральному полотну,

М₂ - изгибающий момент в стойке,

Р' ≈ 0,5 · Р - усилие на нажимном винте (то есть на одной станине),

I₁, - момент инерции поперечного сечения поперечины.

(4)

- длина стойки,

1₂ - момент инерции поперечного сечения стойки.

Аналогично определяется величина

(5)

- площадь сечения поперечины,

G - модуль сдвига, к = 1,2 (для прямоугольного сечения поперечины). Удлинение стоек:

(6)

F₂ - площадь поперечного сечения стойки.

Практически упругую деформацию станины можно измерить с помощью несложного приспособления, в котором в качестве измерительного элемента используется индикатор (рис.5.1).

Рис. 5.1. Установка индикатора для замера упругой деформации станины.

При холодной прокатке тонкой ленты заметной становится величина упругого сжатия валков Δ_в и прокатываемой полосы Δ_п. За счет этой деформации уменьшается обжатие полосы за проход и увеличивается контактная поверхность.

Формулы для расчета этих величин основаны на теории упругого контакта, разработанной Герцем. Из известных формул следует упомянуть формулы Хитчкока и А.И. Целикова. По А.И. Целикову для подсчета величин Δ_в и Δ_п можно использовать следующие формулы

(7)

(8)

q - усилие на единицу ширины контакта (ширины полосы),

E₁ и ν₁ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала валка,

E₂ и ν₂ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала полосы.

Практически Δ_в и Δ_п измеряются с помощью одновременной прокатки стальной полосы и рядом - мягкой свинцовой полоски. Разность толщин этих полос после прокатки дает суммарную величину Δ_в + Δ_п.

Оборудование и инструмент.

Эксперименты проводятся на лабораторном стане дуо «160». Для измерения упругой деформации рабочей клети используется индикатор часового типа, с ценой деления 0,001 мм. Для измерения толщины полосы до и после прокатки используется микрометр. Кроме того, для подсчета упругих деформаций элементов рабочей клети необходимо знать усилие прокатки. Это измерение производится с помощью тензометрических мессдоз.(см.лабораторную работу №4).

Порядок проведения работы.

Для проведения исследования используются стальные образцы толщиной 2,5 - 3,0 мм, шириной 30- 50 мм и длиной 200 мм. Кроме того, для исследования используются свинцовые образцы сечением 3,0x3,0 мм² и длиной около 300 мм. Перед прокаткой тщательно измеряется толщина и ширина образцов.

Четыре стальных образца прокатываются с разными обжатиями в пределах от 10 до 50%. Одновременно с ними прокатываются свинцовые полоски. При прокатке образцов регистрируются усилие прокатки Р₁, Р₂ и Р_∑ и деформация станины f_{стан. экспер} в рабочей клети.

По размеру стального и свинцового образцов после прокатки определяется величина упругой деформации валков и полосы.

f_{в. экспер}=h_1сталь-h_{1вместе свинец}

f_{кл. экспер}= h_1сталь-h_{1отдельно свинец}

f_{проч. экспер}= f_{кл. экспер}- f_{в. экспер}- f_{стан. экспер}

По формулам (2) - (6) подсчитываются теоретические значения деформации станины f_∑ и сравниваются с f_{стан. экспер}, значения упругой деформации, валков и полосы. Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицу 1.

Где h₀ –начальная высота стальной полосы,

h₁ – конечная высота стальной полосы,

Δh – абсолютное обжатие стальной полосы,

b₀ – начальная ширина полосы (сталь),

f_{проч. экспер} – деформация прочих элементов (подушки, подшипники, нажимные винты), из эксперимента,

f_{кл. экспер} – деформация всей клети в целом,

f_{в. экспер} – деформация валков, из эксперимента,

f_{стан. экспер} - деформация станины по индикатору

h_{1отд.свинец} – высота свинцовой полосы после прокатки, измеренная в том месте, где свинец прокатывался отдельно от стали,

h_{1вм.свинец} - высота свинцовой полосы после прокатки, измеренная в том месте, где свинец прокатывался вместе со сталью,

P_1прив – усилие прокатки приходящееся на один нажимной винт (мессдозу) со стороны привода,

P_2перев - усилие прокатки приходящееся на один нажимной винт (мессдозу) со стороны перевалки,

P_∑ - суммарное усилие прокатки,

f₁, f₂, f₃ и f_∑ - деформация отдельных элементов и суммарная деформация всей станины определяемая по формулам приведенным в данной работе.

Строятся графики зависимости и , вычерчивается диаграмма деформации отдельных элементов рабочей клети для максимального обжатия (ε ≈ 50%, f_{кл. экспер}=100% ), на которой выделяется деформация рабочей клети, упругое сжатие валков и полосы и деформация прочих элементов рабочей клети.

Содержание выводов.

В выводах необходимо оценить деформации отдельных элементов рабочей клети в общей упругой деформации всех ее элементов и указать пути повышения жесткости рабочей клети.

Контрольные вопросы

1.Что такое жесткость прокатной клети?

2.Какие меры принимаются для увеличения жесткости клети и увеличения точности готового проката?

3.Что такое упругая деформация детали прокатной клети?

4.Как экспериментально определяется упругая деформация станины?

5. Как теоретически определяется упругая деформация станины?

6. С какой целью во время проведения эксперимента ведется одновременная прокатка стальных и свинцовых полос?

7. Как экспериментально определяется упругая деформация валков?

8. Как теоретически определяется упругая деформация валков?

9. Как экспериментально определяется упругая деформация рабочей клети в целом?

10. Как экспериментально определяется упругая деформация “прочих” элементов клети?

11. Как теоретически определяется упругая деформация полосы?

12.Почему в построенной диаграмме деформации отдельных элементов рабочей клети упругая деформация “прочих” элементов имеет достаточно большую величину?

13. Какую оценку жесткости рабочей клети стана дуо 160 можно дать на основе проведенного эксперимента?

14.Как выглядит стрела прогиба стоек и поперечин станины под нагрузкой во время прокатки?

Экспериментальные данные

Теоретические расчеты

№обр.

h0 ст

b0 ст

h1 ст

Δhст

fв

fстан

fпроч

fклети

h1отд свинец

h1вм свинец

P1 прив

P2 перев

P∑

f1

f2

f3

f∑

Таблица 5

Список литературы

1. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов. Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1987.- 480с.

2. Колесников А.Г., Яковлев Р.А. Расчет и исследование напряжений и деформаций станин прокатных станов. Учебное пособие/ Под ред. В.И.Борисова.- М.: Издательство МГТУ им. Баумана,2005- 55с.

3. Колесников А.Г., Яковлев Р.А. Механизмы и устройства рабочих клетей прокатных станов. Учебное пособие.- М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2008.- 63с.

4. Целиков А.И., Полухин П.И., Гребеник В.М. и др. Машины и агрегаты для производства и отделки проката. Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1981.-576с.