В станах Рокрайта и пильгерных

Работая по такому же принципу, как и пильгерный, стан Рокрай­та конструктивно отличается от него. Как уже упоминалось, у этого стана станина, несущая пару валков, совершает возвратно-поступатель­ное движение. Калибры, близкие по форме к пильгерным, закреплены в так называемом мосту. Вращение валков осуществляется при помощи ше­стерен, насаженных на концы шеек валков и находящихся в зацепле­нии с зубчатыми рейками, которые неподвижно прикреплены к фунда­менту по обеим сторонам станины. Шейки валков вращаются в под­шипниках, изготовленных из антифрикционных сплавов.

С продвижением станины вперед начинают вращаться валки, накатывающиеся на трубу, надетую на коническую оправку.

Подача трубы перед началом каждого рабочего хода валков осуществляет­ся крейцкопфом в направлении прокатки на постоянную для каждого хода величину, причем в отличие от пильгерных станов оправка не имеет поступательного движения.

Фиг.107. Распределение сил при качении тяжелых цилиндров: а – по горизонтальной плоскости; б – по наклонной плоскости

Прежде чем перейти к разбору взаимодействия сил в стане Рокрайта по аналогии со станом Краузе(фиг. 105), рассмотрим случай равномерного качения тяжелых цилиндров под действием внешних сил (фиг. 107, а и б).

Если цилиндр катится без скольжения (1-й случай) и нормальное давление равно (фиг. 107, а), то для обеспечения вращения цилиндра необходимо преодолеть пару сил (уравнение 150), а условие рав­новесия для этого случая определяется уравнением

(164)

где — приводная сила для 1-го случая;

—радиус цилиндра;

— коэффициент трения качения.

Из уравнения (164) имеем:

Во втором случае, когда цилиндр катится по наклонной плоскости, сила, нормального давления N направлена перпендикулярно к наклон­ной плоскости, а условия равновесия моментов почти аналогичны усло­виям в первом случае, за исключением того, что < на величину .

Условия равновесия моментов во втором случае будут:

где , а — приводная сила для 2-го случая.

Следовательно

(165)

Рассматривая взаи­модействие сил между валками и трубой в ста­не Рокрайта, представим себе верхний валок на­катывающимся на трубу благодаря перемещению станины, оказывающей давление на ось валка.

Шестерня верхнего валка находится в за­цеплении с шестерней нижнего валка, рядом с которой насажена еще одна шестерня такого же диаметра, связанная с рейкой, закрепленной неподвижно сбоку ста­нины.

Таким образом дав­ление шатуна пе­редается станине, а от последней — каждому из валков, приводимых во вращение при помощи зубчатых шестерен и реек.

Фиг. 108. Схема взаимодействия сил в стане системы Рокрайта

Равнодействующая элементарных давле­ний , направленная по радиусу (фиг. 108), про­водит через точку А, близко расположенную к началу дуги захвата (примерно на расстоянии 2/3 от линии центров валков), так как процесс прокатки осуществляется в калибре с пере­менным радиусом и точка приложения равнодействующей смещается от линии центров валков.

Сила в свою очередь вызывает возникновение сил трения валка о металл, равнодействующая которых Т проходит по касательной к валку в направлении его движения.

Равнодействующая общего давления Р валка на металл опреде­ляется из слагающих и Т и располагается в плоскости, перпендику­лярной к образующей конической насадки.

Итак, на валок действует система сил, препятствующих его пере­мещению. К ним необходимо отнести: силы сопротивления трения вал­ка о трубу и трубы о насадку, а также силы сопротивления, вызывае­мые деформацией металла.

Силы, затрачиваемые на деформацию металла, можно свести к па­ре сил, равных по величине равнодействующей Р с плечом а, момент которой:

(166)

Момент сопротивления валков, вызванный деформацией металла, может преодолеваться моментом приводной силы с плечом , не учи­тывая трения в зубьях передачи к валкам (реек и шестерен), а также сил трения в подшипниках и других частях стана.

Уравнение для суммы моментов:

откуда

(167)

Обозначая, как и в стане Краузе, силу тяги станины или давления туна через , сопротивление рейки через , сопротивление трения в шейках валков и на салазках клети через , можем составить уравнение равновесия сил:

(168)

где - проекция равнодействующей общего давления на горизонтальную плоскость;

— сила сопротивления трению на рейках;

( — сопротивление трению на шейках; —сопротивление трению в

салазках станины).

В свою очередь

= ( —коэффициент трения на шейках валков),

= ( — вес станины; — коэффициент трения скольжения в салазках станины).

В условиях практики можно принимать для роликовых подшипников валков =0,0015 — 0,0035; для салазок станин (сталь по стали) = 0,1—0,25.

Обычно считают [96], что усилие, передаваемое шестерней валка на рейку, колеблется в значительных пределах, причем в случае наличия трения между валками и трубой (нормальные условия работы) это усилие имеет минимальную величину, а при отсутствии их достигает максимума и равно половине усилия, развиваемого шатуном.

Мгновенные центры вращения валка, когда последний катится по линии центров тяжести сечений калибра трубы, проходят по этой же линии (точка С), и вращение валков осуществляется со скольжением в точке А. Следовательно, скорость валка в точке В больше удвоенной скорости передвижения клети по салазкам

На основании изложенного можно из условий равенства работы в единицу времени определить силы, действующие на шатун и рейку, и трение валка о металл трубы

(169)

Усилие на рейке меньше половины усилия, передаваемого шатуном.

Пользуясь уравнением (167) или значением момента Т (Т — равнодействующая касательных усилий, — радиус валка), можно со­ставить уравнение, дающее условие, которое необходимо для осуществления процесса прокатки:

(170)

Из этого уравнения определяем коэффициент трения валка о трубу:

(171)

По Безклубенко [96] =0,02.

Обозначая через Р равнодействующую давления оправки на трубу, равную и противоположную равнодействующей общего давления валка на металл, через Т — величину силы трения скольжения трубы по поверхности оправки, равную и противоположную равнодействующей касательных усилий, и учтя при этом влияние углов наклона оправки и конуса, — составляем уравнение равновесия сил, действующих на трубу, проектируя эти силы на направление прокатки (фиг. 109).

Фиг. 109. Действие сил на трубу и оправку

Таким образом на трубу действуют силы: а) равнодействующая радиальных давлений валка , приложенная в точке В; б) сила трения валка о металл ; в) давление оправки на трубу Р ; г) сопро­тивление скольжению трубы по поверхности оправки .

Уравнение этих сил, спроектированных на горизонтальную пло­скость, можно написать так:

(172)

Из этого уравнения видно, что давление валка и оправки на трубу направлено вправо, а сила трения валка о металл и сопротивление скольжению трубы по оправке — влево от оси валков. Результирую­щая К представляет собой усилие, передаваемое на трубу и частично на зажим в патроне. Решив уравнения (172), можно убедиться, что большая часть неуравновешенного давления К , направленного влево воспринимается на участке САВ валком, и незначительная часть на участке оправкой.

На оправку в свою очередь действуют силы: а) давление метал­ла трубы, нормальное к образующей поверхности оправки, и б) реак­ция сил трения трубы по оправке.

Составляем уравнение равновесия действующих сил на оправку:

Преобразуя это уравнение, получаем:

(173)

С уменьшением угла наклона оправки сила, растягивающая ее на участке , увеличивается и оправка с большей силой действует на металл трубы, помогая работе валков, в то время как весьма незна­чительные усилия, передаваемые на зажим, имеют место главным об­разом в начале процесса прокатки до соприкосновения трубы с оправ­кой. При соприкосновении трубы с оправкой усилие .

При подсчете мощности мотора на станах Рокрайта необходимо прежде всего определить момент на шестернях клети:

(174)

где — момент, потребный для осуществления деформации ( );

—суммарный момент трения:

— момент трения на оправке;

— момент трения в калибрах (пропусках).

Для приведения этого момента к валу мотора необходимо учесть к. п. д. всех звеньев передаточного механизма:

(175)

где —общий коэффициент, равный произведению к. п. д.;

— к. п. д. муфты;

— к. п. д. шестерен редуктора;

— к. п. д. кривошипно-шатунной передачи;

— к. п. д. катков;

— к. п. д. рейки;

— к, п. д. зубчатых шестерен клети.

Задавшись передаточным числом , определяем крутящий момент на валу мотора:

(176)

где М' — момент, потребный для осуществления деформации и пре­одоления трения на оправке и в калибрах

Прежде чем подсчитать момент на валу мотора , необходимо учесть момент холостого хода

М хх. =М к + М м", причем М —мо­мент, затрачиваемый на преодоление динамических усилий при движении рабочей клети, а М м" – момент на валу мотора потребный для преодоления трения в цапфах:

(177)

где — вес клети, равный 5—7 т;

—коэффициент трения качения, равный 0,01 (по Баху);

—коэффициент трения скольжения, равный 0,1;

— радиус цапфы, равный 50—60 мм.

Сила тяги

где — диаметр катка.

Зная силу тяги и скорость перемещения клети , определяем мощность, затрачиваемую на передвижение клети:

(178)

Определяем момент М м" через момент трения в цапфах валков:

где — вес двух валков;

(179)

где — передаточное число и — общий к. п. д.

Теперь определяем мощность, затрачиваемую на валу мотора на преодоление трения в цапфах валков:

(180)

где — число оборотов вала мотора.

И, наконец, находим мощность холостого хода:

(181)

На основе приведенного легко определить общий момент М м и выбрать тип мотора.

Помимо указанных выше особенностей пильгерных станов, кото­рыми они отличаются от станов Рокрайта, необходимо отметить, что на пильгерных станах рабочие валки, вращающиеся от мотора при по­мощи передач, характерных для обычной рабочей линии сортовых или листовых станов, помещаются в рабочих клетях, прикрепленных к фун­даменту. Подача гильзы трубы, сидящей на дорне, осуществляется специальным устройством — форголлером в направлении, противопо­ложном прокатке (движению рабочих валков). После каждой подачи (фиг. 110) отжатая передним конусом часть металла сначала раскаты­вается на обжимном участке рабочего валка (с ), затем перехо­дит на полировочный участок (с ), назначением которого является сглаживание неровностей поверхности трубы, возникающих при про­катке.

.

Фиг. 110. Схема взаимодействия сил на валках пильгер­ных станов

Отсутствие экспериментального материала по определению удель­ного давления в пильгерных станах с весьма сложным процессом де­формации и различными принципами калибровки, существенно влияю­щими на характер распределения сил, осложняет задачу изучения взаимодействия сил в процессе прокатки на валках с переменным радиусом и наличием целого ряда дополнительных сопротивлений (трение металла трубы о поверхность валков, трение трубы о дорн, трение при возвратном ходе форголлера и др.), значительно влияющих на вели­чину приводного момента.

Наличие в пильгерных станах больших сопротивлений трению и динамических усилий (ударов) при захвате гильзы трубы валками дает основание предполагать, что точка приложения равнодействующей об­щего давления значительно перемещается от ее среднего положения в сторону начала захвата на расстояние, соответствующее при­мерно 2/3 , в то время как в отдельные моменты она может прибли­жаться к положению, соответствующему , когда плечо равнодей­ствующей приводного момента равно

Подобно тому как это имеет место в станах Рокрайта, в пильгер­ных станах равнодействующая элементарных давлений , направленная по радиусу, проходит под углом, равным 2/3 , к линии центров валков и, оказывая давление на трубу, вызывает силу трения, направ­ленную в сторону движения валков.

Равнодействующая Р общего давления определяется из слагаю­щих и Т, но ввиду наличия осевого давления со стороны форголлера, она направлена не по вертикали, а под углом к оси валков. Та­ким образом и плечо равнодействующей общего давления увеличивается с до на величину, соответствующую углу , зависящую от дав­ления со стороны форголлера.

Обозначая действие валков на трубу силами и Т, уравнение рав­новесия горизонтальных проекций всех сил, действующих на трубу можно написать так:

Согласно этому уравнению горизонтальная проекция силы Т боль­ше проекции силы , т. е. равнодействующая общего давления метал­ла на валок имеет наклон в сторону, противоположную направлению прокатки. Горизонтальная проекция этой равнодействующей равна силе .

Если эту силу отнести к центру валков, то

(182)

т.е. боковое давление X на подшипники верхнего валка будет равно половине давления со стороны форголлера.

Момент, необходимый для вращения валка,

где а — плечо равнодействующей, определяемое с учетом давления форголлера а > а.

Выражая момент через составляющие (вертикальное и горизон­тальное давление) и X, спроектированные на плоскость, перпендику­лярную к направлению равнодействующей, получаем:

(183)

Уравнение (183) показывает, что чем больше давление форголле­ра, тем больший момент требуется для вращения валков.

Давление металла трубы на дорн и горизонтальное усилие , препятствующее перемещению трубы, определятся как слагающие рав­нодействующей общего давления Р, спроектированной на вертикаль­ную и горизонтальную плоскости.

Первая из них

(184)

где — угол между равнодействующей общего давления и вертикалью.

Усилие, противодействующее перемещению трубы:

(185)

Таким образом, зная общее давление металла на валок, легко опре­делить все зависящие от него силы и получить полное представление об их взаимодействии в процессе прокатки на пильгерных станах. Но как уже упоминалось выше, до сих пор еще мало изучен вопрос определе­ния общего и удельного давлений металла на валки при данном про­цессе.

Обращаясь к опытным данным Лобковица [97], относящимся к прокатке буровых труб диаметром 5—12" с сопротивлением разрыву 58— 65 кг/мм , мы на фиг. 111 имеем сопоставление минимальных и максимальных давлений на один валок, хотя автор подчеркивает, что эти данные относятся к слу­чаям, когда решающее значение имеют диаметр валков и их ка­либровка, температура прокатки и способ работы подающего ап­парата.

Фиг. 111. Давление металла на валок пильгерстана (по Лобковицу)

Кривые, приведенные на фиг. 111, показывают максималь­ные и минимальные давления на валок, причем по утверждению Лобковица колебания величины давления, при совершенно одина­ковых условиях, в пределах до 100% являются обычными.

Слишком большие колебания пиковых давлений, которые на­блюдал Лобковиц, Емельяненко [98] объясняет наличием сильных уда­ров в первый момент захвата гильзы валками, обусловливаемых живой силой удара всей системы движущихся частей форголлера, которая за­висит от конструкции подающего аппарата и квалификации машиниста пильгерстана.

По утверждению Емельяненко давление на валок следует рассмат­ривать в три периода: 1) в начале захвата гильзы валками, 2) при соприкосновении гильзы с рабочим конусом и 3) при соприкосновении гильзы с полировочной частью валка.

Если станы снабжены форголлерами новейших конструкций, удары отсутствуют. При определении давления в первый период в старых подающих аппаратах по утверждению Емельяненко следует пользовать­ся диаграммой Лобковица, а также определять расчетным путем дина­мические усилия. Во втором периоде прокатки давление металла на валок определяется обычным способом и, наконец, в последний пери­од прокатки трубы давление на валки является составляющим усилия, необходимого для перемещения движущихся частей форголлера при обратном ходе.

В подтверждение сказанного можно привести диаграммы (фиг. 112) определения удельного давления по дуге захвата на валках пиль­ных станов (по материалам инж. Яковлева [99]).

Эти диаграммы получены на специальной месдозе, установленной на пильгерном стане, прокатывающем буровые трубы диаметром 5—12".

Фиг. 112. Распределение удельного давления по дуге захвата в пильгерных станах (по материалам инж. Яковлева)

Точка А (вначале) соответствует моменту захвата валков, точка В (в конце) — моменту освобождения трубы калибром, причем расстояние между ними показывает продолжительность прокатки.

Кривая на фиг. 112, а показывает, что в первый момент давление резко возрастает, затем так же резко понижается, на некотором участке остается почти постоянным, затем сначала круто, потом более плавно идет вниз до первоначального давления. Кривая на фиг. 112, б имеет лишь тенденцию к пику в начале прокатки, не достигая столь большой высоты как на фиг. 112, а. Наконец, на фиг.112, в показана кривая давления, переходящая в пик в конце прокатки.

Первая из этих кривых (фиг. 112, а) характеризует условия, имею­щие место на эксплоатируемых в настоящее время станах. Она свиде­тельствует о значительных напряжениях в прокатываемом материале и, следовательно, о больших нагрузках на прокатную установку; тре­тья кривая характеризует правильную работу клети; заметный к кон­цу периода пик свидетельствует о не совсем удачном переходе с кону­са в калибр.

Нисходящая часть всех трех кривых характеризует момент, когда отжатый материал достигает боковых частей калибра и, заполняя его, оказывает усиленное сопротивление боковому смещению. Неотрегулированность работы пневматического подающего аппарата вызывает не­равномерное продвижение трубы.

Зная общее и удельное давление и пользуясь приведенным выше методом анализа взаимодействия сил между валком, гильзой и дорном, можно определить момент, необходимый для преодоления сопротивле­ния, вызываемого деформацией и различными видами трения, имеюще­го место при пильгерном процессе прокатки:

(186)

где — момент, затрачиваемый на чистую работу прокатки;

Мв — момент трения в шейках валка;

Мк — момент трения в калибрах;

Мф — момент возвратного хода форголлера.

Обычно для определения чистой работы деформации в условиях сортового и листового производства пользуются формулой Финка, даю­щей наиболее точные результаты. Однако в данном случае применение указанной формулы весьма затруднительно и мы воспользуемся форму­лой крутящего момента, полученной (для одного валка) при анализе взаимодействия сил в процессе деформации. Эта формула учитывает не только чистую работу, но и сопротивление трению, имеющее место при прокатке (в калибрах на дорне, в шейках и на форголлере):

где а — плечо равнодействующей, значительно большее плеча а, соответствующего углу .

Если бы взаимодействие сил при деформации прокатки на пильгерном стане полностью соответствовало сортовому или листовому про­изводству, то 'величину момента для одного валка можно было бы на­писать так:

(187)

Допуская, что , а , придем к формуле крутящего момента, рекомендованной И. М. Павловым:

Это уравнение аналогично упрощенному уравнению Баюкова (в нем величина опережения, входящая в точное уравнение, принята равной нулю). По утверждению Павлова оно дает результаты, равнозначные результатам, получаемым по точной формуле Баюкова, и потому, как более простое, рекомендуется для пользования при подсчетах.

Таким образом

где — угол, соответствующий положению критического сечения.

Но наличие в пильгерных станах дополнительного трения сопротивления форголлера при обратном ходе и более повышенного трения в калибрах безусловно вызывает увеличение общего момента деформации, который в данном случае уже имеет плечо, равное не а, а а , соответствующее 2/3

Принимая величину момента чистой деформации за 100%, на основании экспериментальных данных Емельяненко можно утверждать, что суммарная работа, потребная на преодоление всех остальных сопротивлений, составляет не менее 35—40% от работы чистой деформации (на сопротивление трения металла о калибр 25—30%, на сопротивление трения в шейках 2—2,5%, на сопротивление форголлера 1,5-2%), не считая затраты энергии на преодоление сопротивлений, вызываемых ударами при задаче материала и трение трубы о дорн.

На холостой ход затрачивается примерно около 10% энергии.