Конструкция печного выталкивателя стана 2850 ОАО 'АМЗ'

Введение

В прокатном производстве для придания необходимой пластичности заготовке перед горячей прокаткой ее необходимо нагреть. Среди всех нагревательных печей широкое применение получили методические печи с торцевой подачей заготовки. В таких печах для загрузки и выдачи заготовки на рольганги применяют толкатели и выталкиватели различной конструкции, которые приводятся в движение от электродвигателя или пневматического или гидравлического цилиндров.

1.      ОБЗОР ВНОВЬ ВВОДИМЫХ И РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ЛИСТА В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ

Листовые станы горячей прокатки предназначены для получения листов толщиной 3-50 мм. Толстолистовые станы обычно состоят из 1-2 клетей дуо и кварто с длиной бочки валков 3500-5500 мм, иногда с установленными перед ними дополнительными клетями, имеющими вертикальные валки для обжатия боковых кромок. Для прокатки полос наибольшее применение получили широкополосовые непрерывные или полунепрерывные станы, состоящие из 10-15 клетей кварто с длиной бочки валков 1500-2500 мм и нескольких клетей с вертикальными валками. Весь прокатываемый материал сматывается в рулоны по 15-50 т. Эти станы значительно более производительны, чем толстолистовые, поэтому они используются также и для прокатки толстых листов (4-20 мм), которые изготовляются путём разматывания рулонов и их последующей разрезки. Со стороны выхода прокатанного металла из валков устанавливаются выходные рольганги и большое количество др. вспомогательного оборудования для последующей обработки проката и его транспортирования: у толстолистовых станов - правильные машины, ножницы, печи для термической обработки и т.д., а у широкополосовых станов - моталки для сматывания полос в рулоны, конвейер для транспортирования рулонов и оборудование для разматывания рулонов, их правки и разрезки на карточки (листы).

Стан «2000» Магнитогорского металлургического комбината.

Непрерывный широкополосный стан 2000 предназначен для производства горячекатаных полос толщиной 1,2-16 мм, шириной 700-1850 мм, сдернутых в рулон массой до 45 т из стали углеродистой обыкновенного качества по ГОСТ 380, качественной конструкционной по ГОСТ 1050 и низколегированной по ГОСТ 19282. В качестве исходной заготовки на стане 2000 используются поступающие из ККЦ непрерывнолитые слябы толщиной 250 мм, шириной 750-1850 мм, длиной 4,8-12,0 м и массой 7-43,3 т.

НШПС 2000 состоит из участка загрузки слябов, участка нагревательных печей, черновой и чистовой групп клетей, промежуточного рольганга между ними, а также уборочной линии стана.

Участок нагревательных печей состоит из четырех методических печей с шагающими балками, загрузочного рольганга перед каждой печью, сталкивателей слябов, приемного рольганга, приемников слябов из печей. Производительность каждой печи 460 т/ ч.

Черновая группа клетей состоит из вертикального окалиноломателя, клети дyo, пяти универсальных клетей квapтa. Из которых три последние объединены в непрерывную подгруппу. Промежуточный рольганг оснащен тепловыми экранами типа энкопанель и устройствами разделки недокатов.

Чистовая группа стана включает летучие ножницы, чистовой роликовый окалиноломатель, семь клетей кварто, оснащенных гидронажимными устройствами, осевой сдвижкой рабочих валков и системами противоизгиба. Все межклетевые промежутки оснащены устройствами ускоренного охлаждения прокатываемых полос. 3а последней клетью стана начинается отводящий рольганг с душирующими устройствами перед каждым участком моталок.

Технологический процесс прокатки на стане 2000 заключается в следующем. Слябы из отделения непрерывной разливки стали ККЦ поступают в отделение приема литых слябов, которое предназначено для передачи их на стан 2000 и проведения выборочной зачистки дефектных слябов, а также взятия проб для макроанализа.

Для нагрева слябов до температуры прокатки 1200-1300⁰ С на стане 2000 применяются методические печи с шагающими балками. Под печи состоит из шести рядов неподвижных (стационарных) и четырех рядов подвижных (шагающих) балок, имеющих испарительное охлаждение.

Cтан «2850» Ашинского металлургического завода.

Стан «2850» был пущен в эксплуатацию в 1950 году. По составу оборудования и технологическому процессу он морально и физически устарел по отношению к числу лучших современных толстолистовых станов.

Все оборудование стана расположено в двух пролетах - на двух линиях прокатки. Схема расположения основного оборудования представлена на рис. 1

В состав стана входят три нагревательные методические печи, правильная роликовая машина, гильотинные ножницы для обрезки торцовых частей, двое ножниц для обрезки боковых кромок и карман для готовой продукции со сбрасывающим устройством [6].

Исходной заготовкой для прокатки листов являются слитки и слябы. Основные размеры слитка I и V типа представлены на рис. 1 а, б.

Нагревательные печи имеют боковую выдачу нагретых слитков и слябов. Выдача производится специальными выталкивателями типа приводной тележки. Таким образом, процессы подачи и выдачи слитков и слябов из печи должны быть строго синхронизированы, в противном случае можно вывести из строя выталкиватель и даже разрушить стенку нагревательной печи.

Установленный на печах механизм для поворота слитков и способ транспортировки их по наклонному рольгангу в виде желоба не являются лучшим решением вопросов.

Рис. 1. Схема расположения основного оборудования на стане трио «2850»:

-методические печи №1,2,3; 2-поворотный механизм; 3-прокатная клеть с подьемно-качающими столами; 4-рольганг; 5-шестеренная клеть; 6-электродвигатели; 7-правильная машина; 7-инспекторские столы №1,2; 9-разметочная машина; 10-гильотинные ножницы; 11-боковые ножницы; 12-клеймовочная машина; 13-листоукладчик.

Рис.2. Основные размеры слитков: а- слиток 1-го типа, б- слиток 5-го типа.

Рабочая клеть стана "2850". Подъемно-качающиеся столы (далее ПКС) имеют большую массу, что приводит к использованию мощного и сложного оборудования. Затруднена настройка ПКС. ПКС имеют явно недостаточную длину, вследствие чего получается очень большой угол наклона относительно линии прокатки, особенно при прокатке по нижнему горизонту. Значительный уклон ПКС при подаче раската в клеть по нижнему горизонту часто приводит в первых проходах к произвольному скатыванию металла к валкам и захвату его до того, как раскат установлен в необходимое положение относительно валков.

Валки стана установлены на подшипниках скольжения. Материал подшипников - текстолит. Основным недостатком подшипников скольжения является их значительная упругая деформация и низкое допустимое удельное давление. Поэтому применение данного вида подшипников не может обеспечить необходимую точность прокатываемых профилей.

Стан «2850» не имеет систем автоматического регулирования толщины прокатываемых листов

Также рабочая клеть имеет малую жёсткость, а это сказывается на точности прокатки и на геометрии листа.

Листоправильная машина. Используемая листоправильная машина имеет 7 горизонтально расположенных роликов, диаметр ролика 360 мм. Данная листоправильная машина имеет низкую жесткость, что в свою очередь снижает качество и точность правки.

Ножницы торцевой резки. Для порезки торцевых кромок листа применяются ножницы гильотинного типа. Данный тип ножниц является крайне неудачным так как при порезке задней кромки, происходит изгиб заднего торца листа верхним ножом, по сечению лист получается "серповидным". Это приводит к затруднению при соединении торцов листов, а приводит к уменьшению стоимости продукции.

Участок по порезке сутунки находится во II пролете цеха, где сосредоточен основной комплекс оборудования и механизмов по разметке, порезке, клеймовке и складирования толстого листа. Также здесь находится участок по порезке толстого листа.

Вследствие этого на участке листоотделки постоянно загромождены проходы прокатанными листами и пакетами сутунки, что снижает в свою очередь темп порезки сутунки и толстого листа, а также ухудшает условие труда и технику безопасности рабочего и ремонтного персонала.

2.      ОБЗОР И АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗАГОТОВОК В НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Для перемещения заготовок в нагревательной печи различают следующие конструкции. В печах с торцевой загрузкой заготовок используют толкатели, при боковой разгрузке - выталкиватели. Также возможно перемещение заготовок в печи с помощью шагающих балок.

По способу передачи толкающего усилия различают следующие конструкции толкателей и выталкивателей: реечные, винтовые, фрикционные. Для привода выталкивателей преимущественно используют электрический привод, но иногда применяют на этих установках гидравлический и пневматический приводы.

Фрикционный выталкиватель применяют для выдачи из печи горячих слитков, выталкиваемых штангой в торец. Во фрикционном выталкивателе ход штанги достигает 5 м и более при скоростях до 1 м/с. Толкающее усилие не превышает 5 кН.

Винтовой толкатель подаёт в печь заготовки, продвигает их по ходу печи и выгружает через окно выдачи. Применяется обычно только при небольших усилиях проталкивания заготовки (до 500 кН) вследствие низкого КПД винтовой пары. Гайка относительно быстро изнашивается (срок службы около 2-х лет). Она сложна в изготовлении, так как имеет большие размеры и требует точной обработки.

Значительно надёжнее и долговечнее реечные толкатели и выталкиватели, которые применяют при усилиях проталкивания заготовок до 2…2,5 МН. Реечные выталкиватели имеют обычно более сложный редуктор, поскольку он должен обеспечить большее передаточное число.

Шагающие балки, имеющие поступательно-возвратное движение с одновременным подъемом и опусканием могут совершать движения вверх и вниз, вперед и назад. При движении вверх подвижные балки приподнимают заготовки над неподвижными на высоту 100 мм. При движении вперед заготовки перемещают по печи на 450 мм. При этом первая со стороны выдачи заготовка выталкивается подвижными балками из печи, а очередная заготовка, находящаяся ранее на загрузочном столе, вносится в печь. При движении балок вниз заготовки укладываются на неподвижную часть пода, оказываясь перемещенными вперед на один шаг, при этом подвижные балки опускаются ниже уровня пода также примерно на 100 мм.

При движении назад подвижные балки устанавливаются в положение, из которого они вновь могут захватить в печь очередную заготовку. Интервал времени между окончанием каждого движения шагающих балок и началом следующего составляет 0,5 с. Таким образом, с помощью шагающих балок выполняются все основные операции по загрузке, перемещению по печи и выгрузке заготовок.

3.      АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫТАЛКИВАНИЯ ЗАГОТОВКИ ИЗ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ СТАНА 2850 ОАО «АМЗ».

На ОАО «АМЗ» в ЛПЦ №1 для выдачи заготовки из методической печи при боковой загрузке используется выталкиватель на приводной тележке (рис.1).

Данный выталкиватель не очень удобен в эксплуатации, поскольку имеет существенные недостатки:

·        большие габариты;

·        масса такого выталкивателя больше по сравнению с другими конструкциями выталкивателей;

·        сложность конструкции;

·        повышенное энергопотребление.

Техническая характеристика выталкивателя:

·        Усилие толкания =120000Н;

·        Скорость передвижения тележки

·        Рабочий ход тележки =6700мм.

4.      ВЫБОР КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРИВОДА ВЫТАЛКИВАТЕЛЯ

Как уже было сказано основным недостатком винтовых выталкивателей является низкий КПД винтовой пары. Фрикционные выталкиватели обладают меньшим толкающим усилием, а применение шагающих балок на ОАО «АМЗ» невозможно, так как появляется необходимость изменения всей конструкции печи.

По указанным причинам наиболее предпочтительным является конструкция реечного выталкивателя. Кинематическая схема реечного выталкивателя представлена на рис.1.

Рис.4. Кинематическая схема привода

- электродвигатель; 2 - МУВП; 3 - колодочный тормоз; 4 - редуктор; 5 - комбинированная предохранительная муфта; 6 - штанга; 7 - шестерня приводная; 8 - ролик опорный; 9 - ролик направляющий.

прокат лист заготовка выталкиватель

Исходные данные для проектирования:

·        масса заготовки - 2700 кг;

·        рабочий ход штанги - 6700мм;

·        скорость толкания - 0,44 м/с.

5.      ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДА [1]

Максимальную мощность привода выталкивателя определяют по усилию и скорости толкания:

 (1)

где η - КПД привода,

η=; (2)

;

.

Номинальная мощность двигателя определяется по формуле:

 (3)

где  - перегрузочная способность двигателя, λ = 2…2,5.

Задаваясь числом зубьев шестерни (Z=30), её модуль определяется из расчета прочности зубьев на изгиб по формуле, мм:

 (4)

где P - окружное усилие шестерни, соответствующее толкающему усилию, Н;

 b/m = 10-12 - коэффициент ширины реечного зацепления по модулю зацепления (b - длина зуба рейки, мм);

коэффициент, учитывающий форму зуба, ;

 допускаемое напряжение изгиба с учётом характера нагружения и срока службы передачи, ;

коэфициент нагрузки:

, (5)

, [2, рис.3.3.];

[2, рис. 3.5.];

[2, стр. 45].

Допускаемое напряжение изгиба определяется по формуле:

 (6)

где  предел выносливости при отнулевом цикле изгиба, МПа,

;

 коэффициент, учитывающий нестабильность свойств материала зубчатых колёс при вероятности неразрушения 99 %,

;

коэффициент, учитывающий способ получения заготовки зубчатого колеса (для поковок и штамповок ; для проката ; для литых заготовок ). [1,стр. 9].

Определённый по формуле, модуль округляют по ГОСТ 9563-60 и находят диаметр делительной окружности шестерни.

 (7)

Длина зуба рейки определяется из условия:

 (8)

Ширину шестерни  принимают больше ширины рейки примерно на 5…10 мм.

Общее передаточное число привода равно отношению числа оборотов выбранного электродвигателя () к числу оборотов реечной шестерни ():

 (9)

 (10)

где скорость толкания, ;

 диаметр начальной окружности шестерни, =360 мм.

Необходимо подобрать двухступенчатый цилиндрический редуктор со следующими параметрами:

;

;

.

Проверка прочности зубьев шестерни, находящейся в зацеплении с рейкой [7]:

Напряжение сдвига в поверхностном слое:

 (11)

Напряжение изгиба у основания зуба:

 (12)

Шестерня изготовлена из кованной легированной стали марки 40ХНА, для которой .

6.      РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИНЫ.

6.1 Расчет штанги выталкивателя [1]

Штангу проверяем на прочность по максимальному напряжению от совместного действия рабочего усилия сжатия и изгиба. Изгиб, как правило, вызван внецентренным приложением усилия сжатия со стороны толкающей линейки или усилия в зубчатой передаче со стороны привода.

 (13)

где усилие выталкивания заготовки;

поперечное сечение штанги,

изгибающий момент, эксцентриситет;

осевой момент инерции сопротивления при изгибе.

допускаемое напряжение;

предел текучести материала, .

Условие соблюдается.

Условие устойчивости штанги по Эйлеру:

 (14)

модуль упругости, ;

момент инерции, 0,0005 ;

коэффициент безопасности, ;

коэффициент привидения, , [1, рис.8];

расстояние между опорами, 2000 мм.

Условие соблюдается.

6.2    Расчет прогиба штанги выталкивателя

Рис.5. К расчету штанги выталкивателя на прогиб

Прогиб консольной балки с рассчитывается по следующей формуле:

 (15)

момент инерции, 0,0005 ;

модуль упругости, ;

м;

.

6.3    Расчет штанги выталкивателя на изгиб

Рис.6. К расчету штанги выталкивателя на изгиб

 (16)

изгибающий момент,

осевой момент инерции сопротивления при изгибе,

Условие соблюдается.

.

6.4   

.5      Расчет вала на прочность

Рис.7. К расчету вала на прочность

;

;

.

;

;

.

;

;

.

;

;

.

Результирующий изгибающий и эквивалентные моменты:

 (17)

;

Диаметр опасного сечения вала:

 (18)

6.6    Расчет оси направляющих роликов на прочность

Рис.8. К расчету оси на прочность

Диаметр опасного сечения:

6.7    Расчет шпоночного соединения

Рис.9. Эскиз шпоночного соединения

Диаметр вала под колесо: ;

Длина ступицы колеса: ;

По этим данным выбираем шпонку:

Длина: конструктивно принимаем ;

Ширина: ; деталь: ;

Расчет шпонки на смятие:

 (19)

;

;

Шпонка выбрана правильно

6.8    Расчет подшипниковых узлов[3]

6.8.1 Подбор подшипников качения для опор вала зубчатого колеса

Диаметр посадочной поверхности вала: =140мм;

Частота вращения кольца подшипника: ;

Так как , то подбор подшипников качения осуществляется и по статической грузоподъемности, и по динамической грузоподъемности.

)        Подбор подшипников качения по статической грузоподъемности.

 (20)

где статическая грузоподъемность,  (для подшипника 7328), [5, таблица 15];

эквивалентная динамическая нагрузка:

, (21)

максимальная радиальная нагрузка:

Следовательно, ;

коэффициент радиальной статической нагрузки,

осевая нагрузка, =0.

2)      Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности.

Для радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами:

 (22)

где V-коэффициент вращения, V=1 при вращении внутреннего кольца;

коэффициент безопасности, =1,5 [3, таблица 7.6];

температурный коэффициент, =1,05, [4, стр.233].

.

Расчетный скорректированный ресурс подшипника:

 (23)

где коэффициент надежности, =1(вероятность безотказной работы 90%,[3, таблица 7.7]);

коэффициент зависимости от особых свойств подшипника,

=0,6(для роликовых радиально-упорных);

динамическая грузоподъемность;

показатель степени,  (для роликовых подшипников).

6.8.2 Подбор подшипников качения для опорных роликов

Диаметр посадочной поверхности вала: =140мм;

Частота вращения кольца подшипника: ;

Так как , то подбор подшипников качения осуществляется и по статической, и по динамической грузоподъемности.

)        Подбор подшипников качения по статической грузоподъемности.

Для радиальных шариковых подшипников:

где статическая грузоподъемность,  (для подшипника 128), [5, таблица 4];

2)      Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности.

Для радиальных подшипников с короткими цилиндрическими роликами:

где V-коэффициент вращения, V=1 при вращении внутреннего кольца;

коэффициент безопасности, =1,5 [3, таблица 7.6];

температурный коэффициент, =1,05, [4, стр.233].

Расчетный скорректированный ресурс подшипника:

где коэффициент надежности, =1(вероятность безотказной работы 90%,[3, таблица 7.7]);

коэффициент зависимости от особых свойств подшипника;

=0,7 (для шариковых радиальных подшипников);

динамическая грузоподъемность;

показатель степени,  (для роликовых подшипников).

6.8.3 Подбор подшипников качения для направляющих роликов

Диаметр посадочной поверхности вала: = 30 мм;

Частота вращения кольца подшипника: ;

Так как , то подбор подшипников качения осуществляется и по статической грузоподъемности, и по динамической грузоподъемности.

)        Подбор подшипников качения по статической грузоподъемности.

Для роликовых радиально-упорных подшипников:

где статическая грузоподъемность,  (для подшипника 2007113, [5, таблица 15]);

эквивалентная динамическая нагрузка, ,

максимальная радиальная нагрузка:

2)      Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности.

Для роликовых радиально-упорных:

,

где V-коэффициент вращения, V=1,2 при вращении внешнего кольца, [3, стр. 112];

коэффициент безопасности, =1,5 [3, таблица 7.6];

температурный коэффициент, =1,05, [4, стр.233].

.

где коэффициент надежности, =1(вероятность безотказной работы 90%,[3, таблица 7.7]);

коэффициент зависимости от особых свойств подшипника;

=0,6(для роликовых с короткими цилиндрическими роликами);

динамическая грузоподъемность, (для подшипника 2007113, [5, таблица 15]);

показатель степени,  (для роликовых подшипников).

6.9    Расчет винта, соединяющего рейку и штангу на срез

 (24)

;

поперечное усилие на один винт (конструктивно примем количество винтов - 10 штук);

число плоскостей среза,

допускаемое напряжение на срез, для стали 30ХГСА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Паршин В.С., Спиридонов В.А.Толкатели заготовок для металлургических печей. - Екатеринбург: УГТУ, 2005. - 39с.

.        Устиновский Е.П. Проектирование передач зацеплением с применением ЭВМ: Компьютеризированное учебное пособие с программами расчета передач. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 192 с.

.        Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для студ. техн. спец. вузов / П.Ф.Дунаев, О.П.Леликов. - 8-е изд. перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 496 с.

.        Чернавский С.А., Ицкович Г.М. Проектирование механических передач. - М.: Машиностроение, 1976. - 608с.

.        Подшипники качения: справочник - каталог / под ред. В.Н. Нарышкина, Р.В.Коросташевского. - М.: Машиностроение, 1984. -280 с.

.        Производство толстолистового проката на стане «2850». Технологическая инструкция ТИ 123-1П, ГЛ 1-2000(Ю.И. Ловягин, З.Х Шакиров) - Аша; Ашинская типография Челябоблуприздата, 2000-120с.