Прокатный стан Советский патент 1987 года по МПК E21B35/00 

Изобретение относится к прокатному производствуГ в частности к конструкции прокатных станов, и может быть использовано при производстве горячекатаных и холоднокатаных полос и листов.

Цель изобретения - повышение производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть путем уменьшения взаимного смеш,ения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долгоЬечности. элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок.

На фиг. 1 приведена схема прокатного стана с горизонтальной рабочей клетью; на фиг. 2 - схема сил, действуюп их на валковые системы; на фиг. 3 - схема сил, действуюш,их на рабочие и опорные валки в четырехвалковой рабочей клети.

Прокатный стан включает горизонтальную рабочую клеть, содержащую верхнюю 1 и нижнюю 2 валковые системы с верхним 3 и нижним 4 рабочими валками, каждый из которых имеет индивидуальный привод 5 и 6. Приводы 5 и 6 содержат электродвигатели 7 и 8 и трансмиссии, включающие зубчатые передачи 9 и 10 и соединительные валы 11 - 14. Валы 11 и 12 осуществляют передачу вращения от зубчатых передач 9 и 10 к рабочим валкам 3 и 4, а валы 13 и 14 передают вращение от электродвигателей 7 и 8 к зубчатым передачам 9 и 10.

При прокатке полос в рабочей клети прокатного стана в приводах 5 и 6 рабочих валков формируются мо.менты сил упругости а на рабочие валки 3 и 4 со стороны полосы 15 (см. фиг. 2) действуют усилия прокатки, равнодействуюидие Р которых смещены от оси вращения верхнего валка на величину /(, и нижнего валка - на величину /„. Параллельно оси прокатки на валки действуют усилия Т.

Уравнения движения валковых систем запишутся следующим образом

Л1у„„я-/И„р„

(1)

умрн (2,1

приведенные к оси вращения рабочих валков динамические моменты инерции соответственно верхней ,1 и нижней 2 валковых систем;

угловые ускорения соответственно верхнего 3 и нижнего. 4 рабочих систем;

моменты сил упругости в соединительных валах 11 и 12, примыкающих соответственно к верхнему и нижнему рабочим валкам;

моменты прокатки соответственно на верхнем и нижнем рабочих валках, равные,согласно фиг. 2

Л1„р,/ /. + Г.;(3)

М„рк / /„-5 о(4) где г - радиус рабочего валка.

Из условия равновесия полосыпод действием сил Р к Т нетрудно получить, что

Р(/в-/„)Г/г,(5)

где h - плечо сил Т.

Учитывая, что разность моментов прокатки на верхнем и нижнем рабочих валках пропорциональна разности их угловых скоростей ср„ и ф„, с учетом зависимостей (3) - (5) получим следующее выражение

Д2г+Л)С(ф„-ф„),(6)

где К. - коэффициент пропорциональности. Дифференцируя выражение (6) по времени, получим

(2/-+/г),(7)

где Т - производная усилия Т по времени t. Учитывая, что для большинства прокатных станов величины ,, и /IB практически равны, обозначив /IB и /le через /i и вычитая из выражения (1) выражение (2), с учетом зависимостей (3)-(5) и (7) получим следующее выражение:

-:Л(М М I

+ Ji (2r+/i)// Р

Начальное условие для уравнения имеет вид при 0.

Решая уравнение (8), получим

(8) (8)

5

0

(2лТ/ОЛ У в--Л,,„р . (9)

Таким образо.м, в случае неравенства моментов сил упругости Мупрв 5 - упрн на полосу и рабочие валки будут действовать усилия, стремящиеся переместить валковые системы вдоль оси прокатки и изогнуть поо лосу. Очевидно, что усилия, изгибающие передний конец раската, формируются в начале процесса прокатки полосы валками в относительно короткий промежуток времени. Внутри этого промежутка моменты сил упругости Л}у„рз и Му„р„ могут быть ап- 5 проксимированы функциями

(10) (И)

где Мупр J., Мугфн - значения производных по времени величин Мупрв и Мупр,, в момент .

В случае, когда амплитуды колебаний

моментов сил упругости по второй форме

5 колебаний существенно меньше амплитуд

по первой форме колебаний, .можно принять

fv,,pBli- o 4 i,;(12)

My,,p.,XiH,(13)

Му„рв1-1 0-г ; Му„р„ Му„р„к Оч ,

где Я,1в, )iw - первые частоты собственных крутильных колебаний участков «верхняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей и «нижняя валковая система - трансмиссия - якоря электродвигателей, соответственно, Гц; в, Л|| - коэффициенты пропорциональности, Н.м. Подставляя выражения (10) и (11) в

уравнение (9), с учетом соотношений (12),

(13), получим

КК к

)гг,.

(2г+/г)/,

(14)

Учитывая, что при К(,К величины А л л;Л„, из выражения (14) получаем, что в этом случае величина Т близка к нулю и, следовательно, усилия, изгибающие передний конец раската при прокатке его в рабочей клети, при минимальны.

Для станов с клетями, валковые системы 1 и 2 которых выполнены в виде двух рабочих 3 и 4 и двух опорных 16 и 17 валков (см. фиг. 3), в дополнение к усилиям Т в зоне контакта опорных и рабочих валков будут формироваться усилия, составляющие которых, параллельные оси прокатки и действующие на верхние и нижние валки, обозначим через Qg и Q,, соответственно. Эти силы перемещают и изгибают валковые системы в направлении оси прокатки. Для определения их запищем следующие уравнения движения рабочих и опорных валков:

- р вфрв упр в в Ц:в )

/опнфопн 0„/ ;

/,

р

Фри

м„

- „„„-Qi,r,

(15) (16) (17) (18)

где/о„в,/о:

/РВ, /р

Фон

-динамические моменты инерции соответственно верхнего 16 и нижнего 17 опорных валков;

-динамические моменты инерции соответственно верхнего 3 и нижнего 4 рабочих валков;

фон н - угловые ускорения соответственно верхнего и нижнего опорных валков; R - радиус опорного валка.

Примем, что /опв 4пн /оп, /рв /р„ /рПри отсутствии проскальзывания рабочих валков отйосительно опорных справедливы соотношения

Фопв гфрв;(19)

-фрн..(20)

Рещив уравнения (15) - (20) относительно QJ и QH, получим следующие выражения:

В

(22)

н и

Из выражений (21), (22) следует, что величины и направления составляющих Q и QH в общем случае не одинаковы и зависят от соотношений моментов сил упругости и моментов прокатки, действующих на верхний и нижний рабочие валки. В случае неравенства сил Qa и QH происходит взаимное смещение рабочих валков вдоль оси прокатки за счет их перемещения и изгиба, что приводит к изгибу переднего конца раската. Указанное смещение может быть охарактеризовано разностью Qe-QH , которая, как это следует из выражений (21), (22), (3), (4), (5) и (9), равна

0

Qe-QH- j§

-А,-1л

1)

- (Ч.р

I. и П и

-ЩМ,„

у:7р Н

))

(23)

25

30

35

40

45

50

55

Из последнего выражения следует, что чем меньще разность моментов сил упругости на верхнем и нижнем рабочих валках, тем меньще влияние сил Qg и (5„ на изгиб переднего конца раската.

Используя соотношения (10), (II) аналогично ранее проведенным выкладкам (12) - (14), можно показать, что уменьще- ние разности величин усилий QB -Q« и уменьшение усилия Т, а следовательно, снижение величины изгиба переднего конца полосы может быть достигнуто путем выравнивания первых частот крутильных колебаний систем «верхняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей и «нижняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей при одновременном уменьшении амплитуд колебаний моментов сил упругости по второй форме колебаний.

Для обеспечения cфopмyv иpoвaнныx условий соединительные валы трансмиссий рабочей клети следует выполнять с крутильными жесткостями, удовлетворяющими предлагаемым зависимостям.

Свободные крутильные колебания масс системы «нижняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей могут быть описаны уравнениями

Ф1н+Ф1н ф2н 0;(24)

в21,ф2н -Ф1И+Ф2Н+КФ2Н-фзн)0; (25)

взнфЗм-КФ2Н-фЗн) 0,(26)

где ф1н, ф2п, фзч- углы закручивания приведенных к оси вращения нижнего рабочего валка масс соответственно нижней валковой системы 2, зубчатой передачи 10 и якорей 8 электродвигателей, рад;

ф 1н, ф2н, фзк - вторые производные величин ф1ц, ф2« и фзн COOTветственно по безразмер- ному времени /ш рад;

/ - текущее время, с. Квадраты р первой и q второй безразмерных собственных частот крутильных колебаний системы являются корнями характеристического уравнения

5 -X + iT +)+ flX- M27,

82

Таким образом

lil IIE

V( 4f +|j - re)

(28) 15

Первая XIH и вторая 2Н (Гц) частоты свободных крутильных колебаний масс привода определяются из безразмерных частот по формулам

(29) (30)

;.|н Рл/С|и//1м/(2л);

2H 9VC l« //1н/(2я).

Для крутильной системы «верхняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей справедливы соотношения, аналогичные соотношениям (24) - (30).

Условие равенства первой частоты XIB свободных крутильных колебаний масс при- Еюда верхнего рабочего валка частоте А,|н с учетом соотношения (29) имеет вид

,15 р- Си//ц7(2п).(31)

Определяя из уравнения (31) первую безразмерную собственную частоту крутильных колебаний масс привода верхнего рабочего валка и подставляя полученную величину в характеристическое уравнение, записанное для этого привода, получим тождество, разрешая которое относительно крутильной жесткости СЗБ, имеем

(32)

Сгг Ок -взвХ

Ue

p &:+0-lf,(

Условие (32) обеспечивает равенство первой частоты колебаний привода нижнего рабочего валка одной из частот колебаний привада верхнего рабочего валка. Для получения условия, обеспечивающего совпадение первых частот колебаний, воспользуемся тем, что в соответствии с теоремой об изменении частот системы при наложении связей

АК е ы -:

(33)

Из аналогичного соотношения для при- йода верхнего рабочего валка с учетом равенства (31) имеем

iltei

С,,(1(34)

0

5

0

Выражение (32) в сочетании с условием (34) обеспечивает совпадение первых частот колебаний масс приводов верхнего и нижнего рабочих валков, что является необходимым условием для уменьшения величин усилия Т и разности Qg-Q.

При выборе конструктивных параметров приводов, обеспечивающие снижение амплитуд колебаний моментов сил упругости в соединительных валах 11 и 12 по второй форме колебаний сравнительно с амплитудами по первой форме, учтем следующее. При линейно растущих во времени от нуля до установившихся значений моментах прокатки, характерных для начального периода захвата металла рабочими валками, амплитуды колебаний моментов сил упругости в каждой из форм соотносятся друг с другом приблизительно как величины, обратно пропорциональные квадратам собственных частот. Поэтому при

/-2 и

Л|Н

28

--- 3

xf

(35)

(36)

амплитуды колебаний моментов сил упругости по первой и второй форме будут отличаться не менее, чем в три раза. С учетом демпфирования колебаний в результате внут.- реннего трения :эта разница становится еще больше.

Поскольку близость собственных частот в первой и второй формах колебаний приводит к росту динамических нагрузок, формирующихся в приводах во время переходного процесса при захвате металла валками, выполнение условий (35) и (36) обеспечивает снижение этих нагрузок и, следовательно, повышение долговечности эле.ментов приводов.

Подставляя в условие (35) значения Л:« и Л2н из соотношений (29), (30), с учетом выражения (28) получаем

взн(1

-e2H),H-i

(

2Н взи @Ш

, 3

Аналогично для привода верхнего рабочего валка имеем

езв(1+е2О-4-{У й-(в58-1)

3 (38)

Таким образом, получены зависимости

(32), (34), (37) и (38) адекватные заявляемым.

Прокатный стан (фиг. 1) имеет следующие характеристики: динамический момент инерции валковых систем 1 и 2:/ц,/1н 10 кг-. динамический момент инерции зубчатых передач 9 и 10: X 10 кг дина.мический момент инерции

якорей электродвигателей 7 и 8: 1,15 10° кг крутильные жесткости соединительных валов: вала 11 ,2X Х10 Н-м/рад; вала 12 С|н 10 Н м/рад; вала 13 , Н м/рад; вала 14 С 2н Н м/рад; передаточные отношения зубчатых передач .

Безразмерные динамические моменты инерции масс приводов равны

в2б е2« 3-10710 3,0;

e3,,,15- OVlO a:;72;

1+3+72 76.

Безразмерная крутильная жесткость соединительного вала 14 равна

|д,2,5-1,4-10710 й;8,8.

Квадрат первой безразмерной частоты собственных крутильных колебаний масс привода нижнего рабочего валка определяется по формуле (28) и равен

p.4-(i+ f -4f V(1 Ш

Подставляя полученные величины в правые части соотношений (34) и (32), получим

,88 (1-) ,7-10 ; Ш 10

...

о к п и и Jo / 1 п йй 10 2,5 0,88-27|-Q-7+7b-p( 1 -0,883-27,

2,7-10«

Сравнивая полученные величины со значениями Сц, и С-2е соответственно получаем, что соотношения (32) и (34) выполняются.

Подставляя исходные данные в левые части соотношений (37) и (38), имеем соответственно

1 4.-10° 72-(1+3)+2,5-. У--(76fll

2, 3 72-7б

10

9 7-1 П 72.(1+3)+2,,.(76-1)

2,5УЩ5г3 276

3,0

откуда следует, что для описанных крутильных систем соотношения. (37) и (38) выполняются.

Предлагаемый прокатный стан работает следуюш.им образом.

При захвате металла рабочими валками в их приводах формируются динамические моменты сил упругости, изменение которых во времени носит колебательный характер, причем первые частоты колебаний моментов в приводах верхнего и нижнего рабочих валков одинаковы, а вторые частоты отличаются от первых не менее, чем в 1,7 раза. Последнее обеспечивает эффективное снижение максимальных динамических моментов сил упругости в трансмиссиях при захвате металла и увеличение долговечности элементов приводов.

В результате указанного разнесения первой и второй частот амплитуды моментов сил упругости по второй форме колебан-ий малы по сравнению с амплитудами по первой форме. Благодаря этому уменьшаются уси- ЛИЯ, действуюшие параллельно оси прокатки в зоне контакта полосы и рабочих валков. Это обеспечивает уменьшение изгиба переднего конца полосы. Кроме того, у.меньшается взаимное смеш.ение или изгиб верхнего и

5 нижнего рабочих валков, что также приводит к уменьшению изгиба переднего конца полосы. Снижение изгиба переднего конца полосы позволяет увеличить скорость ее задачи в следуюш,ую клеть и таким образом, обеспечивает увеличение производительнос0 ти прокатного стана.

Для прокатного стана, содержаш,его че- тырехвалковую рабочую клеть, дополнительно к отмеченному эффекту уменьшается разница между усилиями, формируюшимися

5 в зонах контакта рабочих и опорных валков верхней и нижней валковых систем, так как в предлагаемой конструкции эти усилия, будучи близкими по величине, действуют в одном направлении, причем смена направления происходит практически одновременно.

0 Это также приводит к уменьшению взаимного смешения рабочих валков вдоль оси прокатки.

В конце прокатки при выходе полосы из рабочей клети имеют место динамические процессы, аналогичные описанным. Следова5 тельно, предлагаемая конструкция прокатного стана обеспечивает также уменьшение изгиба заднего конца полосы и, таким образом, реверсивного прокатного стана, повышение его производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть. Использование предлагаемой конструкции прокатного стана обеспечивает повышение производительности стана за счет увеличения скорости задачи металла в рабочую клеть, а также снижение динамических

5 нагрузок, возникающих в трансмиссиях при захвате раската валками, и увеличение долговечности элементов приводов.

Формула изобретения

0 Прокатный стан, включающий горизонтальную рабочую клеть, содержащую верхнюю и нижнюю валковые системы с рабочими валками, каждый из которых имеет индивидуальный привод в виде по меньшей мере одного электродвигателя и трансмиссии содержащей соединительные валы и зубчатую передачу, причем отдельные элементы привода верхнего рабоч его валка, например зубчатые передачи или электродвигатели.

0

9

расположены со смещением по длине линий приводов относительно таких же элементов привода нижнего рабочего валка, а соединительные валы трансмиссий выполнены с заданными соотношениями крутильных жесткостей, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет увеличения скорости задачи металла в клеть путем уменьшения взаимного смещения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок, соотношения крутильных жесткостей соединительных валов определяются следующими зависимостями:

C,6 C|Hp-- if,(l-,5

1,

Туг03&Х

i±0().

(.-TfH-)

взн(1+в2н), С ЧвгН-1

- 2,3;

25

1 02нвзнв.„

взе{1+в2Б).,) l. 2 3

«v1502 e3ee.B

е , - суммарная крутильная жесткость 30 соединительных валов, расположенных между рабочим валком и зубчатой передачей привода верхего рабочего валка, Н-м/рад;

CiH - суммарная крутильная жесткость

соединительных валов, располо- 35 женных между рабочим валком и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, Н-м/рад;

р - квадрат первой безразмерной час- . тоты собственных крутильных колебаний участка «нижняя валковая система - трансмиссия - якори электродвигателей, равный

()2И озн

„

V2 Узн У2«УЗН

1- приведенная к оси вращения рабочего валка безразмерная сум- 50 марная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, равная |л с нС2к/ С|к ;

- передаточное отношение зубчатой передачи привода нижнего рабочего валка;

55

-

0

5

0

5

5

0

5

10

Сзн - суммарная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода нижнего рабочего валка, Н-м/рад:

в2« - безразмерный динамический момент инерции зубчатой передачи нижнего рабочего валка, равный

/24 - приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции зубчатой передачи привода нижнего рабочего валка,

/1н - приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции нижней валковой системы,

03Н - приведенный к оси вращения рабочего валка безразмерный динамический момент инерции якорей электродвигателей привода нижнего рабочего валка, равный

вз« А/3 H//I н

/31 - динамический момент инерции якорей электродвигателей привода нижнего рабочего валка, кг

вдн - безразмерный суммарный динамический момент инерции масс- привода нижнего рабочего валка, равный вгн 1+в2н+взч;

/1в - приведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции верхней валковой системы,

- безразмерный суммарный динамический момент инерции масс привода верхнего рабочего валка, равный в28 1+02в- -взв;

028 - безразмерный динамический момент инерции зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка, равный ;

/le, - Г1риведенный к оси вращения рабочего валка динамический момент инерции зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка,

0зв - приведенный к оси вращения рабочего валка безразмерный дина- намический момент инерции якорей электродвигателей привода верхнего рабочего валка, равный 0зй 1/2,//1в;

L g - передаточное отношение зубчатой передачи привода верхнего рабочего валка;

/36 - динамический момент инерции якорей электродвигателей привода верхнего рабочего валка, кг-1Й ;

213 - суммарная крутильная жесткость соединительных валов, расположенных между электродвигателями и зубчатой передачей привода верхнего рабочего валка, Н-м/рад.

/J

Ocb прокатки

Напрабление прокатки.

W

Фаг. 1

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к конструкции прокатных станов, и наиболее эффективно может быть использовано при производстве горячекатаных и холоднокатаных полое и листов. Цель изобретения - повышение производительности за счет увеличения скорости задачи .металла в клеть путем уменьшения взаимного смеш,ения верхнего и нижнего рабочих валков вдоль оси прокатки и снижения изгиба переднего конца раската при одновременном повышении долговечности элементов приводов за счет снижения динамических нагрузок. Установлено оптимальное соотношение крутильных жесткос- тей соединительных валов приводов валков для схемы стана с взаимным осевым сдвигом элементов привода разных валков, при котором дополнительные динамические усилия в направлении оси прокатки, действуюшие на валки и изгибаюш.ие конец полосы, минимальны или близки к нулю. 3 ил. $ (Л оо ел СП 4 ОО

4

Фиг. 2

Пупр.

filZ. 3

,//5