2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Описание конструкции стана продольной прокатки труб
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.
СПП включает в себя входную сторону, рабочую линию стана и выходную сторону. Входная сторона СПП содержит две пары задающих роликов и вводную проводку. Рабочая линия СПП состоит из главного привода и рабочей клети. Выходная сторона СПП содержит центрователи прокатного стержня, упорно – регулировочный механизм, транспортные ролики для выдачи прокатанной трубы и транспортные ролики для перемещения прокатного стержня.
Техническая характеристика стана продольной прокатки труб
Гильза, получаемая на прошивном стане:
наружный диаметр 168 мм
толщина стенки 12…22 мм
длина, наибольшая 6 метров
Труба, выходящая со станов продольной прокатки
наружный диаметр 100…168 мм
толщина стенки, наименьшая 3,5 мм
длина, наибольшая 30 метров
Диаметр бочки валка 630 мм
Усилие металла на валок, наибольшее 1100 кН
Момент прокатки, наибольший 184 кНм
Частота вращения рабочих валков 80…130 об/мин.
Рабочая клеть стана продольной прокатки труб представляет собой стальную станину закрытого типа, в которой установлены два рабочих валка. Рабочая клеть стана продольной прокатки изображена на рисунке 2.1.
1 – станина; 2 –верхний валок; 3 – нижний валок; 4 – нажимной механизм;
5 – лимб для отсчета раствора валков; 6 – скоба для подъема рабочей клети
Рисунок 2.1 – Рабочая клеть стана продольной прокатки
Перемещение верхнего рабочего валка осуществляется от нажимного механизма с червячными двухступенчатыми редукторами. Нижний рабочий валок установлен неподвижно и опирается на нижнюю поперечину станины через сменную планку.
Рабочие валки установлены в четырехрядных роликовых конических подшипниках. Для надежной герметизации подшипниковых узлов, в торцовых крышках установлены комбинированные уплотнения. Уплотнение подшипникового узла состоит из лабиринта, образованного проточками в торцовых крышках и втулках и сдвоенной установки резиновых манжет. Смазывание подшипников и уплотнений производится пластичной смазкой, подаваемой от централизованной системы смазки.
Рабочие валки имеют возможность осевого регулирования с помощью механизма осевой регулировки. Механизм осевой регулировки состоит из восьми рычагов, восьми тяг и четырех стяжек. Крышки подушек рабочих валков со стороны перевалки стана снабжены выступами. За эти выступы зацеплены захваты рычагов. Сведение одной пары рычагов и разведение другой пары рычагов стяжками обеспечивает совпадение калибров валков.
Привод рабочей клети состоит из электродвигателя постоянного тока мощностью N=3200 кВт, шестеренной клети и зубчатых шпинделей.
Соединение вала электродвигателя с входным валом шестеренной клети осуществляется моторной зубчатой муфтой. Шестеренная клеть осуществляет разделение крутящего момента, получаемого от электродвигателя на два валка рабочей клети.
Корпус шестеренной клети состоит из трех частей, в разъемы которых уложены шевронные шестерни. Шевронные шестерни вращаются в подшипниках скольжения.
Передача крутящего момента от выходных валов шестеренной клети на рабочие валки осуществляется зубчатыми шпинделями. Зубчатые шпиндели компенсируют несоосность соединяемых валов, которая возникает при настройке вертикального положения рабочих валков.
Грязь и вода с окалиной отводятся в траншею смыва окалины по специальной системе желобов, расположенных вдоль оси прокатки, перед редукторами и двигателями.
2.2 Литературный, патентный обзор и анализ конструкций машин, аналогичных проектируемой
В литературном источнике [4] рассматривается конструкция выходной стороны современного трубопрокатного стана. Выходная сторона современного трубопрокатного стана изображена на рисунке 2.2. На выходной стороне трубопрокатного стана установлен прокатный стержень 1 с короткой оправкой, удерживаемый упорно – регулировочным механизмом 3, роликовыми центрователями и рычагами перехватчика 2. Каретка упорно – регулировочного механизма опирается на гидравлический цилиндр 4.
1 – прокатный стержень; 2 – перехватчик; 3 – упорно – регулировочный механизм; 4 – опорный гидравлический цилиндр
Рисунок 2.2 – Выходная сторона современного трубопрокатного стана
Устаревшие конструкции выходной стороны трубопрокатных станов имеют упирание хвостовика прокатного стержня в головку упорно – регулировочного механизма. При этом при настройке стана перед встречей очередной трубы, в системе оправка – стержень – упорно-регулировочный механизм, появляются осевые зазоры, по причине которых, при входе металла в валки, оправка имеет неопределенное положение. Кроме того, при выборе зазоров в процессе прокатки, наблюдаются значительные удары прокатного стержня в упорную головку. Перечисленные факторы отрицательно влияют на стабильность захвата гильзы, что вызывает повышенную разностенность передних концов труб.
Современный способ установки стержня с оправкой в начальный момент прокатки позволяет стабилизировать положение оправки в момент задачи трубы, что обусловливает уменьшение разностенности передних концов труб. При задаче металла в валки, прокатный стержень удерживается рычагами перехватчика стержня и, одновременно с этим сжимается продольными усилием от гидравлического цилиндра, на который опирается каретка упорно – регулировочного механизма.
Перед прокаткой прокатный стержень предварительно напрягают сжимающим усилием от упорно – регулировочного механизма с гидроприводом, одновременно зажимающего стержень за хвостовик. Таким образом, в системе оправка – стержень – упорно-регулировочный механизм выбираются зазоры и стержень испытывает сжимающие напряжения. В момент захвата гильзы валками стержень нагружается осевым усилием прокатки, но за счет предварительного напряжения стержня нагрузкой, близкой усилию прокатки, положение оправки в очаге деформации в осевом направлении остается постоянным.
Рассмотренная выходная сторона трубопрокатного стана имеет некоторое усложнение конструкции, в то же время позволяет стабилизировать условия захвата гильзы, что повышает качество получаемых труб.
Авторское свидетельство №764755 СССР «Механизм перехвата оправочного стержня» Серман Б.А., Кудрявцев А.Н., Виноградов Ф.Т. [5].
«Изобретение относится к трубопрокатному производству, в частности к устройствам для перехвата оправочного стержня в станах для прокатки труб на короткой оправке. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при прокатке бесшовных горячекатаных труб на трубопрокатных станах продольной прокатки с осевой выдачей заготовок. В станах продольной прокатки труб значительные потери производственного времени связаны с необходимостью демонтажа при перевалке стана существующих конструкций устройств для перехвата оправочного стержня»
На рисунке 2.3 изображена конструкция механизма перехвата оправочного стержня, на рисунке 2.4 – вид сбоку, на рисунке 2.5 – продольный разрез механизма.
«Известно устройство для центрирования оправочного стержня трубопрокатного стана с осевой выдачей гильз содержащее корпус, установленный на заднем столе стана с возможностью принудительного перемещения в осевом направлении от привода, внутри которого расположены ролики, а на торцовой стенке шарнирно закреплен механизм перехвата в виде захватывающих рычагов-клещевин, связывающей их между собой синхронизирующей рычажной системы и привода сведения (разведения) клещевин.
1 – корпус; 2 – верхняя ось; 3 – верхний захват; 4 – нижняя ось; 5 – нижний захват; 7 – цилиндр сжатия захватов; 9, 10 – опора; 11 – рычаг; 12 – цилиндр поворота корпуса; 13 – упор
Рисунок 2.3 – Конструкция механизма перехвата оправочного стержня
Рисунок 2.4 – Вид сбоку механизма перехвата оправочного стержня
Рисунок 2.5 – Продольный разрез механизма перехвата оправочного стержня
При настройке очага деформации, при смене оправок или валков корпус приводом осевого перемещения отодвигается от рабочей клети, вместе с корпусом перемещаются и рычаги-клещевины справочного стержня, освобождая очаг деформации. Направляющие заднего стола, по которым перемещается корпус известного устройства, расположены в зоне высоких температур и под воздействием воды и окалины интенсивно изнашиваются, что приводит к заклиниванию корпуса при его перемещении. Кроме того, в стане для продольной прокатки, задний стол которого связан с клетью на уровне оси прокатки, не решается проблема обслуживания устройства, так как при осевом перемещении корпуса клещевины и само устройство не выводятся из труднодоступной зоны.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является механизм перехвата стержня, включающий корпус, размещенные в нем верхнюю и нижнюю оси, несущие захваты, связывающие их синхронизатор и силовой цилиндр их сведения. При подаче давления в поршневую полость силового цилиндра сведения (разведения) захваты сводятся на стержень, удерживая его от перемещения. При необходимости пропуска трубы давление подается в штоковую полость силового цилиндра и захваты разводятся. Захваты все время находятся по обе стороны от оси стержня.
Такая конструкция устройства затрудняет обслуживание, ремонт и замену захватов; что приводит к дополнительным потерям времени и снижает производительность стана, особенно при размещении механизма вблизи рабочей клети, мешая перевалке.
Целью изобретения является обеспечение удобства обслуживания механизма путем подъема корпуса над осью стержня.
Это достигается тем, что механизм перехвата оправочного стержня снабжен стационарными опорами, в которых концами установлена верхняя
ось с возможностью поворота, и приводом поворота корпуса в виде цилиндра, шарнирно связанного с рычагом, жестко закрепленным на верхней оси, при этом обе оси жестко связаны с корпусом. Такое конструктивное выполнение позволяет сократить потери времени на замену захватов, смазку устройства и его ремонт, так как при повороте корпуса механизм выводится из трудно обслуживаемой зоны.
В корпусе 1 механизма перехвата жестко закреплены верхняя ось 2, на которой шарнирно установлен верхний захват 3, и нижняя ось 4, на которой, шарнирно установлен нижний захват 5; соединяющий их между собой синхронизатор 6, силовой цилиндр 7 их сведения (разведения), установленный на верхнем захвате и шарнирно связанный через рычаг 8 с нижним захватом. Верхняя ось выступающими концами опирается на стационарные опоры 9 и 10, смонтированные вне корпуса, и на ней жестко закреплен рычаг 11, шарнирно связанный с цилиндром 12 привода поворота корпуса. Стационарный упор 13 удерживает корпус в рабочем положении.
Механизм работает следующий образом. При подаче давления в поршневую полость силового цилиндра 7 сведения (разведения) захваты 3 и 5, поворачиваясь на осях 2 и 4, сводятся на оправочный стержень, удерживая его 5 от перемещения, При необходимости пропуска трубы давление подается в штоковую полость силового цилиндра 7 и захваты разводятся. Во время работы механизма цилиндр 12 поворота корпуса 1 под давлением в его штоковой полости через рычаг 11 и ось 2 верхнего захвата прижимает корпус к стационарному упору 13. При перевалке клети или замене захватов оправочный стержень удаляется из стана. Давление подают в поршневую полость поршневого цилиндра 12 поворота корпуса, который через рычаг 11 и ось 2 поворачивает корпус против часовой стрелки так, 20 что захваты занимают почти вертикальное положение, выходя при этом из трудно обслуживаемой зоны.
Наиболее эффективно использование предлагаемого механизма перехвата при размещении его вблизи клети продольной прокатки, когда захваты располагают внутри клети. В этом случае поворотом корпуса, кроме улучшения условий обслуживания, достигается сокращение потери времени на перевалку валков, поскольку захваты быстро выводятся из клети, освобождая необходимое пространство»
Авторское свидетельство №950457 СССР «Устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня» Серман Б.А., Петров Ю.В., Виноградов Ф.Т., Четырбок Н.Ф., Гриншпун А.И. [6].
«Изобретение относится к трубопрокатному производству, а точнее к устройствам для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня в станах для прокатки труб на короткой оправке, и может быть использовано при прокатке бесшовных горячекатаных труб на трубопрокатных станах продольной прокатки с осевой выдачей заготовок.
На рисунке 2.6 изображено устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня при зажиме стержня, на рисунке 2.7 – устройство в режиме пропуска трубы, на рисунке 2.8 – поперечный разрез устройства.
1 – корпус; 2, 3 – рычаг; 4, 5 – захват; 6 – серьга; 7 – синхронизирующая тяга; 8 – цилиндр сжатия захватов; 9 – ползун; 10 – прокатный стержень; 11 – направляющая; 12 – кулиса; 13 – цилиндр осевого перемещения; 14 – тяга
Рисунок 2.6 – Устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня, при зажиме стержня
Рисунок 2.7 – Устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня, при пропуске трубы
Рисунок 2.8 – Устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня
«Известно устройство для удержания и осевого перемещения оправочного стержня, содержащее гидрозажимы оправочного стержня, несущую их каретку, ее гидропривод возвратно – поступательного перемещения и систему управления. Система управления известного устройства сложна и недостаточно надежна в работе из-за большого количества механических соединений и звеньев электрических и гидравлических цепей, работающих в условиях высоких температур. Кроме того, вследствие значительной массы перемещаемых частей каретки с размещенными на ней гидрозажимами невозможно обеспечение достаточного быстродействия устройства.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня, содержащее корпус, установленные на нем несущие рычаги с захватами, синхронизирующие рычаги, привод сведения захватов и цилиндр осевого перемещения. В известном устройстве цилиндр осевого перемещения связан с корпусом, который установлен на плоских направляющих. Использование известного устройства для перемещения оправочного стержня после прокатки каждой трубы, когда время срабатывания устройства входит в цикл прокатки и, таким образом, сокращает производительность трубопрокатного стана в целом, невозможно, так как масса перемещаемых частей в этом устройстве весьма значительна, вследствие чего динамические нагрузки, возникающие в элементах устройствах, ограничивают его быстродействие, что является причиной увеличения цикла прокатки труб; кроме того, открытые направляющие, по которым перемещается корпус, подвержены интенсивному износу в связи с невозможностью достаточно эффективной защиты их от воздействия воды и окалины. Поэтому долговечность и надежность устройства в условиях работы современных агрегатов с производительностью 300-360 труб в час недостаточна.
Устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня
трубопрокатного стана состоит из корпуса 1, установленных на нем несущих рычагов 2 и 3, захватов 4 и 5; шарнирно соединенных с несущими рычагами серьгами 6, синхронизирующего звена 7, привода 8 сведения (разведения) захватов, полого ползуна 9, охватывающего оправочный стержень 10 с зазором и установленным в корпусе с возможностью осевого перемещения, например, вдоль направляющей 11, кулисы 12, шарнирно соединяющей ползун с цилиндром осевого перемещения 13 и тяг 14, соединяющих шарнирно ползун с захватами.
Устройство работает следующим образом. При прохождении трубы через зону захватов 4 и 5 несущие рычаги 2 и 3 разводят приводом 8. Затем включают цилиндр осевого перемещения 13, который через кулису 12 смещает ползун 9 в крайнее левое положение, полностью перекрывая направляющую 11 от воздействия воды и окалины. Тяги 14 отклоняют захваты 4 и 5 навстречу движению трубы. Перед задачей в валки стана очередной трубы сводят захваты на стержень 10 приводом 8, а цилиндром через кулису воздействуют на ползун, вызывая его перемещение по направляющей. Вместе с ползуном перемещаются и связанные с ним тягами 14 захваты 4 и 5, поворачиваясь относительно несущих рычагов 2 и 3 и увлекая за собой оправочный стержень до упора его в головку упорно регулировочного механизма, чем обеспечивается строго заданное положение оправочного стержня, а следовательно, и закрепленной на нем оправки в очаге деформации. После захвата трубы валками стана несущие рычаги 2 и 3 разводятся приводом 8 и цилиндр осевого перемещения 13 возвращает все элементы в исходное положение.
Предложенное устройство для перехвата и осевого перемещения оправочного стержня трубопрокатного стана по сравнению с известным повышает надежность и долговечность при увеличении быстродействия устройства за счет резкого сокращения массы перемещаемых частей и возможности защиты трущихся поверхностей от воздействия воды и окалины. Устройство позволяет надежно обеспечить постоянное местоположение оправки в очаге деформации перед прокаткой, что улучшает условия захвата гильзы рабочими валками. Вследствие этого достигается снижение процента недоката, повышается ритмичность работы и производительность стана и всего агрегата, в состав которого он входит»
2.3 Обоснование выбора конструкции и основных параметров проектируемой машины
В выпускной квалификационной работе спроектирован механизм удержания прокатного стержня, обеспечивающий установку оправки по оси калибра валков станов продольной прокатки труб ТПА-140.
Известно, что вид несоответствия «внутренняя риска труб» и значительный износ калибра нижнего валка образуется на станах продольной прокатки в результате неравномерности распределения напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации. Неравномерность напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации обусловлена незамкнутостью калибра, в результате происходит образование продольной складки металла между внутренней поверхностью трубы и оправкой по границе контакта металла с оправкой, с последующим образованием «внутренней риски».
В настоящее время при производстве горячекатаных труб на ТПА-140 большой объем брака составляет брак по «висячей риске». «Висячая риска» — вид дефекта, выражающийся в сочетании глубоких порезов, царапин и большой разностенности переднего конца труб. Такие дефекты не устраняются закатыванием на раскатном стане – трехвалковом стане поперечно – винтовой прокатки.
При анализе возможных причин массового брака, было выявлено, что при отсутствии металла в рабочей клети, прокатный стрежень прогибается под собственным весом и оправка ложится на калибр нижнего валка. На рисунке 2.9 изображено положение оправки в очаге деформации.
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. Для скорости прокатки 1 м/с, при неопределенном положении оправки имеем дефекты переднего конца трубы на длине до 1,5 метров. При установившемся режиме прокатки применение каких – либо устройств, определяющих положение прокатного оправки в очаге деформации не требуется: оправка центрируется по оси калибра валков за счет равномерного распределения давления металла.
1 – положение оправки в очаге деформации при вхождении металла в валки; 2 – положение оправки в очаге деформации при установившемся режиме
Рисунок 2.9 – Положение оправки в очаге деформации
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.
На рисунке 2.10 изображена ситуация с прогибом прокатного стержня на станах продольной прокатки ТПА-140.
Рисунок 2.10 – Прогиб прокатного стержня под собственным весом
Механизм удержания прокатного стержня предлагается установить на выходной стороне рабочей клети стана продольной прокатки труб на расстоянии от оси рабочих валков в 1 метр.
Удержание прокатного стержня осуществляется все время при отсутствии металла в валках, а также время, за которое происходит захват металла валками. При выходе переднего конца трубы из валков, осуществляется раскрытие захватов, и прокатываемая труба проходит на выходную сторону стана. После завершения процесса прокатки, захваты сжимаются на стержне, при этом осуществляется процесс стягивания прокатанной трубы со стержня выдающими роликами. На рисунке 2.11 изображена установка механизма удержания прокатного стержня на выходной стороне стана продольной прокатки труб.
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.
1 – рабочие валки стана продольной прокатки труб; 2 – прокатный стержень; 3 – станина механизма удержания прокатного стержня; 4 – захваты прокатного стержня; 5 – рычажный механизм; 6 – приводной пневматический цилиндр
Рисунок 2.11 – Установка механизма удержания прокатного стержня на выходной стороне стана продольной прокатки труб
Сжатие и раскрытие захватов осуществляется через рычажный механизм с приводом от пневматического цилиндра. Для исключения контакта трубы с захватами, происходит их раскрытие на величину 250 мм. Пневматический цилиндр обеспечивает необходимое быстродействие срабатывания механизма.
Привод механизма удержания прокатного стержня состоит из пневматического цилиндра, имеющего диаметр поршня 180 мм, установленного на стойке. Сжатие захватов осуществляется при втягивании штока цилиндра, раскрытие – при выдвижении штока цилиндра.
Нормальное состояние механизма – постоянно сжатые захваты, периодически производится раскрытие захватов для пропуска трубы через механизм. Таким образом, постоянно осуществляется подача сжатого воздуха в штоковую полость пневматического цилиндра для сжатия захватов. Подача сигнала ля переключения подачи сжатого воздуха для разжима захватов, осуществляется от фотоэлектрического датчика, фиксирующего вхождение переднего конца трубы в рабочую клеть.
При установке фотоэлектрического датчика за валками, имеется вероятность утыкания переднего конца трубы в нераскрывшиеся захваты по причине задержек в линии управления (задержка в распределителе) или задержек при срабатывании механизма (инертность механической системы). Поэтому, предлагается установить фотоэлектрический датчик перед валками, применив в системе управления настраиваемое реле времени, которое обеспечит удерживание прокатного стержня в начальный момент прокатки и обеспечит раскрытие захватов перед передним концом трубы.
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.
Установка механизма поддержки прокатного стержня на выходную сторону стана продольной прокатки позволит устранить причину брака по «висячей риске».