Исследование условий работы и совершенствование метода расчета динамически нагруженных шарниров скольжения шпинделей прокатных станов

Актуальность работы. Одна из основных задач технологического производства заключается в повышении объема выпускаемой продукции. Достигается это повышение путем интенсификации использования технологического оборудования, в том числе и за счет сокращения процессов на обслуживание и ремонт. Условия работы оборудования в связи с этим становятся все более жесткими, так как в узлах и деталях машин, наряду со статическими, все чаще проявляются большие динамические нагрузки. Динамические процессы начинают оказывать значительное влияние на работоспособность оборудования, определяя тем самым его надежность и долговечность. Проектирование такого оборудования без тщательного анализа динамических процессов вызывает, как правило, значительное завышение его массы без какой-либо при этом гарантии на высокую эксплуатационную надежность. Потребность в динамическом анализе поведения приводов, таким образам, становится необходимым этапом процесса проектирования технологических агрегатов и их машин.

Шпиндели прокатных станов с шарнирами скольжения широко используются в нашей стране и за рубежом на крупных станах и ножницах прессового типа. Работа наиболее интенсивно изнашиваемых элементов шпинделей, таких как вкладыш или сухари, рассчитанных на 1,5−2 года эксплуатации, в реальных условиях ограничивается двумя-тремя месяцами. В силу этого постоянно предпринимаются попытки изменить конструкцию вкладышей или заменить шарниры скольжения на шарниры другого типа. В частности, на ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» шпиндели с шарнирами скольжения на некоторых клетях линии блюминг-НЗС были заменены на шарниры Гука с подшипниками качения. Однако большого эффекта реконструкция такого рода не дает, кроме того, не на всех клетях прокатных станов возможно заменить универсальные шпиндели на шпиндели с шарниром качения. Это невозможно прежде всего из-за того, что габариты шарнира с элементами качения больше размеров головки универсального шпинделя, они более трудоемки в изготовлении и эксплуатации, более чувствительны к динамическим нагрузкам, требуют более высокой точности в изготовлении и монтаже.

Отсюда задача повышения работоспособности шарниров универсальных шпинделей прокатного оборудования с парами трения-скольжения остается крайне актуальной. Решение этой задачи требует уточнения сути процессов, которые происходят в парах трения-скольжения шпинделей.

Цель работы — выявить процессы, которые протекают в зоне взаимодействия поверхностей пары трения лопасть — вкладыш шпинделя, оценить силовую картину нагружения вкладышей и разработать метод, позволяющий при более достоверном определении нагруженности вкладышей шпинделя обеспечить необходимую их работоспособность.

Задачи исследования. Для достижения указанной выше цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

— оценен по интенсивности износа существующий вид взаимодействия поверхностей трения лопасть — вкладыш шпинделей горизонтальной клети непрерывно-заготовочноко стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

— разработана модель волнового процесса в зоне контакта лопастьвкладыш универсального шпинделя;

— составлена динамическая модель привода прокатного стана, дающая возможность определять не только динамическую составляющую нагрузки на вкладыш, но и обеспечивающая исходными данными расчет в зоне трения волновых процессов;

— создано программное обеспечение реализации предложенного в работе метода и выполнен расчет нагрузки в зоне трения лопасть — вкладыш привода горизонтальной клети непрерывно-заготовочного стана ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»;

— определены при обработке результатов промышленного эксперимента величина и характер нагрузки, действующей в зоне трения лопасть — вкладыш шпинделя;

— выявлен характер частотно-амплитудной характеристики динамического процесса в зоне трения лопасть — вкладыш шпинделя прокатного стана и в самом теле шпинделя;

— оценена в рамках лабораторного эксперимента методом динамической фотоупругости волновая картина в зоне контакта вкладыша с элементами шпинделя своей цилиндрической и плоской поверхностями;

— выполнено сравнение результатов расчета нагрузок по предложенной в работе методике с экспериментальными данными и показана их адекватность.

Методы исследования. В работе были использованы методы физического эксперимента по замеру энергосиловых параметров оборудования, методы физического лабораторного эксперимента моделирования процессов взаимодействия поверхностей пар трения энергопередающих элементов привода машин методом динамической фотоупругости, а также методы математического моделирования динамических и волновых процессов в элементах привода машин.

Научная новизна. В процессе выполнения работы установлено, что в зоне трения лопасть — вкладыш головной части универсального шпинделя в процессе прохождения через нее механической энергии протекают интенсивные локальные динамические процессы;

— локальные динамические процессы формируют нагрузку, которая на порядок выше статической, то есть той, которая до настоящего времени принимается в расчетах этих пар трения;

— локальные динамические процессы являются процессами волнового типа, что вызывает неравномерное нагружение поверхностей пары трения лопасть — вкладыш шпинделя;

— локальные волновые процессы протекают с частотами, значительно отличающимися от частот, фиксируемых в это же время в теле шпинделя;

— возникаемые в результате волнового процесса в зоне трения нагрузки соответствуют той интенсивности износа пар трения шпинделя, которая в этих парах на практике и наблюдается;

— разработанный в диссертации метод учитывает статическую, динамическую и волновую составляющие нагрузки в энергопередающей паре трения и дает адекватные экспериментальным данным результаты.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанный метод и программное его обеспечение для ЭВМ позволяют проводить с высокой скоростью и достаточной точностью расчеты нагруженности пар трения скольжения универсальных шпинделей различных прокатных станов. Результаты исследования могут быть использованы в производстве (в конструкторских бюро, проектных институтах), в учебном процессе для курса «Оборудование прокатных цехов». Полученные в практике результаты исследований приняты для использования в проектном отделе ООО «ЕвразСервис-Сибирь», что позволит повысить работоспособность прокатного оборудования и увеличить межремонтный срок эксплуатации прокатного стана (приложение 6).

Основные положения, выносимые на защиту:

— в зоне трения элементов головной части универсального шпинделя энергопровода механической энергии прокатной клети действуют локальные по характеру и значимые по величине динамические процессы, нагрузка от которых больше чем на порядок превышает статическую;

— нагрузка в зоне трения шарниров шпинделей носит волновой характер, частота значимых мод колебаний которой более чем в два раза превышает частоту мод колебаний нагрузки, наблюдаемой в теле шпинделя;

— характер локального колебательного процесса в парах трения шпинделей зависит от формы контактирующих поверхностей и в большей степени проявляется на поверхности контакта плоских пар трения скольжения;

— метод, разработанный на основе модели волнового процесса в зоне трения лопасть — вкладыш универсального шпинделя, учитывает наличие в этой зоне наравне со статическими также и динамические, и волновые процессы и позволяет получать адекватную результатам промышленного эксперимента нагрузку.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (1997 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века» (1999 г.), на десятой (2000 г.), двенадцатой (2002 г.), тринадцатой (2003 г.), четырнадцатой (2004 г.) и шестнадцатой (2006 г.) региональных научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, на региональной научно-практической конференции «Технологические машины и оборудование» (2009 г.) и расширенных заседаниях кафедры механического оборудования металлургических заводов (2010 г., 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Одна работа опубликована в виде учебно-методического пособия с грифом учебно-методического объединения.