Оглавление
РЕФЕРАТ
Перечень листов графических документов
ВВЕДЕНИЕ
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Описание технологии прокатки труб на трубопрокатном агрегате ТПА – 140
1.2 Литературный обзор и анализ аналогичных технологических процессов
1.3 Технологические расчеты
1.3.1 Расчет усилия и момента прокатки
2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Описание конструкции стана продольной прокатки труб
2.2 Литературный, патентный обзор и анализ конструкций машин, аналогичных проектируемой
2.3 Обоснование выбора конструкции и основных параметров проектируемой машины
3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Расчет усилия, развиваемого пневматическим цилиндром механизма удержания прокатного стержня
3.2 Расчет требуемого диаметра пневматического цилиндра
3.3 Прочностные расчеты основных узлов и деталей машины
3.3.1 Расчет на прочность приводного рычага
3.3.2 Расчет на прочность оси приводного рычага
3.4 Прочностные расчеты унифицированных деталей и узлов машины
3.4.1 Расчет удельного давления на втулку приводного рычага
4 ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИНЫ
4.1 Правила технической эксплуатации стана продольной прокатки труб. Техническое обслуживание и ремонты
4.2 Монтаж и демонтаж машины
4.3 Смазка узлов машины
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка выпускной квалификационной работы выполнена на 59 листах, содержит 17 иллюстраций, 3 таблицы, 12 использованных литературных источников.
Ключевые слова: горячекатаные трубы; стан продольной прокатки труб; прокатный стержень; механизм удержания прокатного стержня.
В выпускной квалификационной работе спроектирован механизм удержания прокатного стержня, размещенный на выходной стороне стана продольной прокатки труб ТПА-140, обеспечивающий установку оправки по оси калибра валков.
Удержание прокатного стержня осуществляется парой захватов, расположенных в вертикальной плоскости. Конструкция и ход захватов обеспечивают удержание всего типоразмера применяющихся на стане прокатных стержней – Ø70…Ø121 мм.
Внедрив технологию прокатки с механизмом удержания прокатного стержня, сводится к минимуму количество несоответствующей продукции по виду «внутренняя риска». При этом также уменьшится поперечная разностенность на трубах за счет точного центрирования оправки в очаге деформации.
В технологической части пояснительной записки приводится описание технологического процесса прокатки труб на ТПА-140, выполнены технологические расчеты усилия и момента прокатки в рабочей клети стана продольной прокатки труб.
В конструкторской части проекта описывается конструкция рабочей клети стана продольной прокатки труб и приводится литературный и патентный обзор конструкций выходной стороны станов продольной прокатки труб.
В расчетной части проекта выполнен расчет требуемого усилия на штоке пневматического цилиндра сжатия захватов прокатного стержня, расчет требуемого диаметра пневматического цилиндра, выполнены прочностные расчеты приводного рычага и оси механизма удержания прокатного стержня.
ВВЕДЕНИЕ
Трубопрокатный агрегат 140 (ТПА–140) предприятия ПАО «Синарский Трубный Завод» предназначен для получения бесшовных горячекатаных труб диаметром от 73 до 168 мм с толщиной стенки от 5 до 20 мм из углеродистых и легированных марок стали. В процессе производства труб используется литая заготовка круглого сечения диаметром от 120 до 150 мм при длине от 1500 до 12000 мм.
Стан продольной прокатки (СПП) труб предназначен для раскатки толстостенных гильз, полученных на прошивном стане, в черновую трубу. Установка станов продольной прокатки в составе ТПА-140 содержит две рабочие клети, расположенные с шагом 34 метра – так называемый «стан – тандем». Прокатка труб ведется на короткой удерживаемой оправке.
В настоящее время при производстве горячекатаных труб на ТПА-140 большой объем брака составляет брак по «висячей риске». При анализе возможных причин массового брака, выявлено, что при отсутствии металла в рабочей клети, прокатный стрежень прогибается под собственным весом и оправка ложится на калибр нижнего валка. При вхождении металла в рабочие валки, происходит контакт торца гильзы и оправки, лежащей на калибре нижнего валка. В результате контакта и последующего подбрасывания оправки гильзой, появляются различного рода дефекты.
Причиной прогиба прокатного стержня является отсутствие в непосредственной близости к валкам какой – либо опоры прокатного стержня. Первая пара роликов центрователя находится на расстоянии 3 метра от оси рабочих валков. Существующий перехватчик прокатного стержня не обеспечивает подъем провисающего прокатного стержня.
Задачей выпускной квалификационной работы является проектирование механизма удержания прокатного стержня, обеспечивающего размещение оправки стана продольной прокатки труб по оси калибра валков.
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Описание технологии прокатки труб на трубопрокатном агрегате ТПА – 140
Трубопрокатный агрегат ТПА–140 предназначен для получения бесшовных горячекатаных труб диаметром от 73 до 168 мм с толщиной стенки от 5 до 20мм из углеродистых и легированных марок стали. В процессе производства труб используется непрерывно литая заготовка круглого сечения диаметром от 120 до 160 мм, разрезанная на длины то 1,5 до 4 метров. Схема трубопрокатного агрегата ТПА-140 изображена на рисунке 1.1.
Поступающая в цех заготовка в виде горячекатаных штанг длиной от 3 до 10 метров складируется на внутреннем цеховом складе заготовки. Заготовки сортируются по диаметру и марке стали в карманах. Заготовка со склада транспортируется электромостовыми кранами на линии раскроя. В холодное время года заготовку подогревают горячей водой в ванне нагрева заготовок.
Резка заготовки на мерные длины (раскрой) производится на двух линиях, имеющих в своем составе ножницы холодной резки усилием 16 МН.
Необходимая длина заготовки достигается установкой подвижного упора ножниц и колеблется в пределах от 1500 до 3850мм в соответствии с технологической инструкцией. Для контроля объемов производства на участке резки заготовки установлены весы, поштучно взвешивающие заготовки. Раскроенная заготовка с помощью подводящего рольганга кольцевой печи, подается к загрузочной машине, которая укладывает заготовку на подину кольцевой нагревательной печи.
Подина кольцевой печи рассчитана на укладку заготовок, в зависимости от их длины и заданной производительности печи, в один или два ряда. Поворот пода печи синхронизирован с работой загрузочной и выгрузочной машины с помощью приборов автоматики и осуществляется только после того, как хобот загрузочной машины уложит на подину заготовку.
Нагретая заготовка извлекается из печи машиной выгрузки и укладывается на отводящий рольганг кольцевой печи. По рольгангу нагретая заготовка перемещается к зацентровщику, выполняющему центровку заготовок перед прошивкой.
Зацентровщик с пневматическим приводом выбивает коническую лунку на переднем торце заготовки, которая облегчает процесс прошивки в начальный неустановившийся период прошивки.
Зацентрованная заготовка по наклонной решетке скатывается наприемный стол прошивного стана, откуда пневматическим толкателем задается в валки прошивного стана.
Прошивной стан ТПА-140 – двухвалковая клеть поперечно-винтовой прокатки с грибовидными валками. В очаге деформации осуществляется прошивка круглой заготовки в толстостенную гильзу. Прошивка трубной заготовки производится на неподвижной удерживаемой оправке.
Стержень неподвижной оправки упирается в стакан упорно-регулировочного механизма, открытие которой не допускает замок. Продольный изгиб стержня от осевых усилий, возникающих при прокатке, предотвращается закрытыми центрователями, оси которых параллельны оси стержня. Удаление гильзы с выходной стороны стана производится при откидывании замка упорно – регулировочного механизма.
Гильза, с выходной стороны прошивного стана поступает на рольганг с качающейся решеткой и транспортируется на участок станов продольной прокатки. Гильзы, имеющие дефекты или заниженную температуру, удаляются из рабочей линии ТПА-140 в карман брака.
Поступающая с прошивного стана гильза последовательно раскатывается на станах продольной прокатки №1 и №2. Задача прошитой гильзы в рабочие валки СПП1 и СПП 2 осуществляется при помощи задающих роликов. Подача гильз к станам продольной прокатки производится без задержек, не допускается их остывание (температура гильз перед задачей их в стан продольной прокатки №1 должна быть не ниже 1000°С). В случае длительной задержки и охлаждения гильзы в станы не задаются, а выбрасываются в карманы. Перед задачей гильзы в валки стана продольной прокатки №1 внутрь ее забрасывается пищевая поваренная соль помола №1 по ГОСТ 138030 в количестве от 30 до 50 граммов. Кантовка трубы перед задачей ее в стан продольной прокатки №2 должна производиться на 60–90° поворотной секцией рольганга перед станом.
Стан продольной прокатки №1 и №2 состоит из двухвалковой клети, валки которой приводятся во вращение через шестеренную клеть от общего электродвигателя.
После станов продольной прокатки раскатанная труба подается рольгангом на входную сторону параллельно установленных обкатных станов. Наличие двух параллельно установленных станов обусловлено их меньшей, чем у станов продольной прокатки, производительностью.
Обкатные станы производят дальнейшую раскатку труб, а также для улучшения качества их поверхности. Процесс обкатки осуществляется в трехвалковом стане поперечно-винтовой прокатки на плавающей оправке с небольшим обжатием по стенке.
Прокатанная на обкатных станах труба транспортируется на рольганг перед чистовыми прокатными станами ТПА-140 – редукционным и калибровочным. Труба, транспортируемая по этому рольгангу, может быть передана на редукционный или калибровочный станы.
Направляемая на прокат труба проходит предварительный нагрев в станции индукционного нагрева установленной на входной стороне чистовых станов. Применение данной стадии обусловлено необходимостью подогрева остывшей трубы во время предыдущих стадий прокатки с целью снижения усилия и момента прокатки.
На калибровочном стане, как правило, преимущественно прокатываются трубы диаметром от 89 до168 мм, а на редукционном стане от 73 до 102 мм.
Подогретая в индукционной печи труба калибруется в девяти клетьевом калибровочном стане. Данный стан имеет в своем составе девять двухвалковых клетей с индивидуальным приводом.
Все клети калибровочного стана имеют одинаковую конструкцию, но первая и последняя имеют, соответственно, вводную и выводную проводку. Привод с регулируемой частотой вращения расположен по обе стороны стана и состоит из редукторов, электродвигателей, муфт и плитовин. В соответствии с технологической инструкцией, прокатку могут вести с числом клетей менее девяти. Для этого неиспользуемые клети заменяются вставками-проводками цилиндрической формы.
При прокатке труб с наружным диаметром 73…102 мм, чистовая прокатка производится на двадцати клетьевом редукционном стане.
Для задачи трубы в редукционный стан, она снимается с рольганга перед калибровочным станом при помощи перекладывателя, скатывается по передаточной решетке на рольганг перед индукционной печью, где производится подогрев трубы перед прокаткой. Данный стан редуцирует трубы с натяжением. Клети редукционного и калибровочного стана расположены друг к другу под углом 90˚ и под 45˚к горизонту.
Рабочие клети калибровочного и редукционного станов – двухвалковые. По конструкции рабочие клети редукционного стана аналогичны рабочим клетям калибровочного стана.
После редуцирования труба попадает на рольганг за редукционным станом. Туда же, при помощи винтового холодильника, с рольганга за калибровочным станом попадает труба, прокатанная на калибровочном стане. При помощи данного рольганга она транспортируется к барабанному сбрасывателю с винтовым холодильником.
Барабанный сбрасыватель предназначен для приема труб с подводящего рольганга и транспортировке их к цепному холодильнику. Конструкция барабанного сбрасывателя представляет собой трансмиссионный вал с насаженными на него зубчатыми барабанами, образующими длинные желоба, вращающиеся совместно с валом.
Винтовая секция холодильника предназначена для приема горячих труб с барабанного сбрасывателя, охлаждения и дальнейшей их транспортировки с выдачей на цепную секцию. Цепной холодильник перемещает трубы тяговыми цепями. Охлажденные трубы с цепного холодильника выдаются на участок отделки с помощью подъемных рольгангов. Участок отделки производит правку труб в роликовых правильных машинах РВК 600×3 и нарезку труб в размер в соответствии с выполняемым заказом на плазменных установках.
Далее, в зависимости от требуемой группы прочности, трубы проходят термообработку для получения высоких механических свойств. Термическая обработка заключается в нагреве труб в роликовой проходной печи до определенной температуры. Закалка труб производится орошением труб водой в закалочных секциях.
1.2 Литературный обзор и анализ аналогичных технологических процессов
В литературном источнике [1] представлен трубопрокатный агрегат (ТПА) с непрерывным станом по производству горячекатаных труб диаметром 30-102 мм с толщиной стенки 3-8 мм. В качестве заготовки используются штанги диаметром 140 мм и длиной 9-12 метров. ТПА 30-102 установлен на Первоуральском Новотрубном Заводе (ПНТЗ). На рисунке 1.2 представлена схема расположения оборудования ТПА 30-102 с непрерывным станом.
1 – загрузочные решетки заготовки; 2 – рольганги; 3 – нагревательные секционные печи; 4 – ножницы для резки заготовок в горячем состоянии; прошивка заготовок; 5 – прошивной стан; 6 – непрерывный девятиклетьевой стан; 7 – извлекатель оправки; 8, 9 – линия охлаждения и смазки оправок; 10 – пила отрезки заднего конца труб; 11, 12 – подогрев трубы в индукторе; 13 – одиннадцати клетьевой калибровочный стан; 14 – девятнадцати клетьевой редукционный стан; 15 – летучая дисковая пила; 16 – холодильник
Рисунок 1.2 – Схема расположения оборудования ТПА 30-102 с непрерывным станом
Перед прокаткой производится нагрев штанг в параллельно установленных секционных печах до температуры 1200…1250 ºС. На выходной стороне печей производится резка штанг на заготовки длиной 1,5 …3 метра, после чего заготовки передаются на входную сторону прошивного стана.
Перед прошивкой на переднем торце заготовки выполняется центровочное отверстие под оправку прошивного стана. Центровка производится пневматическим зацентровщиком. Зацентрованная заготовка выбрасывателем передается на решетку перед прошивным станом, по которой скатывается в приемный желоб с крышкой прошивного стана.
Прошивной стан состоит из двухвалковой клети поперечно-винтовой прокатки и выходной стороны. С помощью вталкивателя заготовка задается в валки прошивного стана. В очаге деформации осуществляется прошивка круглой заготовки в гильзу. Прошивка ведется на короткой неподвижной оправке, стержень которой удерживается в центрователях и упорно – регулировочном механизме выходной стороны стана.
После прошивки гильзы передаются на входную сторону непрерывного девяти клетьевого стана.
Непрерывный стан предназначен для прокатки черновых труб с толщиной стенки 2,5…9,0 мм. Непрерывный стан является главным агрегатом ТПА 30-102, предназначен для продольной раскатки прошитых толстостенных гильз в тонкостенную черновую трубу на длинной цилиндрической свободно плавающей оправке. Стан состоит из девяти последовательно расположенных двухвалковых клетей с постепенно уменьшающимися размерами калибров. Для равномерного обжатия трубы по окружности, каждая клеть повернута по отношению к предыдущей на 90°. Все клети однотипные, и каждая приводится во вращение от индивидуального привода через комбинированный редуктор.
Прокатанные трубы с оправками передаются цепным транспортером на ось стержнеизвлекателя. Головка оправки проходит через люнет извлекателя и захватывается тяговой цепью, а труба при извлечении оправки упирается в кольцо люнета. После стержнеизвлекателя черновая труба поступает на пилу для обрезки заднего конца.
Получение готовых труб производится в чистовых станах ТПА 30-102: одиннадцати клетьевом калибровочный стане и в девятнадцати клетьевом редукционном стане. Перед прокаткой в калибровочном и редукционном станах, трубы подвергаются индукционному нагреву.
После редуцирования трубы поступают на реечный холодильник. Холодильник состоит из системы подвижных и неподвижных реек. Подвижные шагающие рейки совершают движения от приводов вертикального и горизонтального перемещения. При ходе подвижных реек прокат снимается с неподвижных и перемещается на величину шагания.
Трубы с разгрузки реечного холодильника собираются на роликах транспортного рольганга, имеющих ширину 1 м в однослойные пакеты по 16…24 штук. Весь поток труб участка горячего проката передается на линии отделки горячекатаных труб, содержащих правильные машины с косорасположенными роликами, трубоотрезные станки и линии сдачи готовых труб.
Прокатка труб в непрерывном стане является одним из наиболее прогрессивных методов, позволяющих получать трубы высокого качества, достичь высокой производительности оборудования и осуществлять комплексную автоматизацию операций прокатки и отделки труб.
1.3 Технологические расчеты
1.3.1 Расчет усилия и момента прокатки
Исходные данные для расчёта:
гильза, выходящая из прошивного стана Dг=158 мм
толщина стенки гильзы sг=16,5 мм
диаметр трубы, выходящей из первого автомат – стана Dавт1=149 мм
толщина стенки трубы после первого автомат – стана sавт1=13,5 мм
диаметр трубы, выходящей из второго автомат – стана Dавт2=147 мм
толщина стенки трубы после первого автомат – стана sавт2=11 мм.
Усилие прокатки складывается из усилия при обжатии без оправки и из усилия обжатия на оправке. Схема очага деформации при раскатке труб в стане «тандем» на короткой удерживаемой оправке изображена на рисунке 1.3.
Полное усилие прокатки на неподвижно удерживаемой оправке [2]
Р=р1F1+p2F2, Н
где р1 и p2 – среднее давление в очаге деформации, соответственно на
участках редуцирования l1 и обжатия l2 стенки;
F1 и F2– горизонтальные проекции площадей контактных поверхностей,
Соответственно на участках редуцирования и обжатия стенки.
Рисунок 1.3 – Схема очага деформации при раскатке труб в стане «тандем» на короткой удерживаемой оправке
Для упрощения расчетов принимаем, что на участках l1и l2 ширина контактной поверхности одинакова и примерно равна ширине калибра.
Полное радиальное усилие прокатки
где ss – сопротивление деформации металла при температуре прокатки,
для cтали 30 ГОСТ 1050-88 при температуре t=1000˚С, sS=37 МПа [3];
dср – средний диаметр гильзы на участке l1, dср =156 мм;
h– коэффициент, учитывающий влияние внешних зон
где l–длина очага деформации
Rmin – радиус валков по дну калибра
где Dв–диаметр бочки валка автоматического стана, Dв=630 мм.
Среднее давление в очаге деформации на участке редуцирования
Среднее давление в очаге деформации на участке обжатия стенки
где n – показатель формы очага деформации
где µ – коэффициент трения металла о валок, для горячей прокатки,
µ=0,3[2];
l2 – длина участка обжатия
где φ – угол конусности оправки, φ =12°;
l0 – длина цилиндрического участка оправки, l0=20 мм=0,02 м.
Среднее давление в очаге деформации на участке обжатия стенки
Длина участка редуцирования
l1= l – l2= 46,3-24= 22,3 м
Средняя ширина контактной поверхности
где α – угол выпуска калибра валка, α =30°.
Полное радиальное усилие прокатки
Осевое усилие прокатки
Крутящий момент на одном валке с учетом осевого усилия