Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задач исследования 9
1.1. Современное развитие способов и технологии прокатки рельсов 9
1.2. Конструкции универсальных рабочих клетей 23
1.3. Расположение оборудования и технология прокатки на современных рельсобалочных станах 28
1.4. Методы расчета калибровок валков 32
1.5. Исследования процесса прокатки рельсов в универсальных калибрах 34
1.6. Современные методы и пакеты программ моделирования процессов пластической деформации металлов 41
1.7. Выводы. Определение цели и задач диссертационной работы 43
2. Разработка методов расчета режимов прокатки рельсов в универсальных калибрах 46
2.1. Калибровка валков и режим обжатий 46
2.2. Условия захвата раската валками 49
2.3. Последовательность расчета рационального режима обжатий при прокатке рельса в универсальных калибрах 52
2.4. Расчет рационального скоростного режима прокатки рельсов 55
2.5. Выводы 63
3. Компьютерное моделирование процесса прокатки рельсов в универсальных клетях 65
3.1. Методика моделирования 65
3.2. Моделирование условий входа рельсового раската в универсальный калибр 72
3.3. Формоизменение металла при прокатке в универсальном калибре. Приращение и утяжка фланцев 80
3.4. Напряженно-деформированное состояние металла при прокатке 94
3.5. Исследование силовых условий прокатки рельсов 98
3.6. Выводы
4. Разработка новой технологии прокатки рельсов в условиях реконструкции рельсобалочного стана НТМК 104
4.1. Реконструкция с TJ-образным расположением рабочих клетей (Вариант 1) 106
4.2. Реконструкция с последовательным расположением клетей (Вариант 2) 116
4.3. Выводы 120
5. Моделирование и совершенствование конструкции универсальных рабочих клетей
5.1. Методика компьютерного моделирования рабочих клетей 122
5.2. Определение напряженно-деформированного состояния универсальной балочной клети при прокатке рельсов 124
5.3. Разработка и моделирование конструкции современной специализированной клети для прокатки рельсов 132
5.4. Выводы 134
Заключение 135
Библиографический список 137
- Конструкции универсальных рабочих клетей
- Условия захвата раската валками
- Моделирование условий входа рельсового раската в универсальный калибр
- Реконструкция с последовательным расположением клетей (Вариант 2)
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время качество отечественных железнодорожных рельсов, выпускаемых Нижнетагильским и Новокузнецким металлургическими комбинатами, значительно уступает лучшим зарубежным аналогам (рельсам японских, французских, австрийских и др. производителей). В материалах 3-й международной конференции «Трансмет-2007»*1, отмечалось, в частности, что средний ресурс рельсов отечественного производства в звеньевом пути (600 млн. тонн груза брутто) в два раза ниже по сравнению с лучшими импортными рельсами (1200 млн. тонн груза брутто). Показатели рельсового проката по точности профиля, прямолинейности, чистоте поверхности, механическим свойствам у отечественных рельсов также существенно ниже, чем у импортных, что не позволяет удовлетворить существующие и перспективные требования ОАО «РЖД», по которым к 2030 г. необходимо повысить ресурс рельсов на прямолинейных участках пути до 1500 млн. тонн груза брутто, увеличить маршрутные скорости движения пассажирских поездов на высокоскоростных магистралях (Москва - Санкт-Петербург и др.) до 250-350 км/ч. При этом для уменьшения числа сварных швов необходимо перейти на применение рельсов длиной 100 м и выше взамен 25-ти метровых рельсов, используемых в настоящее время.
Достижение указанных показателей невозможно без проведения коренной реконструкции рельсового производства на действующих металлургических комбинатах или строительства новых рельсобалочных станов. В соответствии с долгосрочной научно-технической программой ООО «ЕвразХолдинг» прорабатываются проекты реконструкции рельсобалочных станов НТМК и НКМК. В ООО «Мечел» планируется строительство нового рельсобалочного стана на Челябинском металлургическом комбинате. На всех этих станах предусматривается применение для прокатки рельсов универсальных рабочих клетей, широко используемых в зарубежной практике и создающих наиболее благоприятные условия для получения высококачественных рельсов, в частности для высокоскоростного движения.
В отечественной металлургии универсальные клети для производства рельсов до настоящего времени практически не применялись. Несмотря на ряд работ по исследованию процесса прокатки рельсов в универсальных калибрах (работы В.К. Смирнова, В.А. Паршина, А.Р. Бондина, СВ. Маслова, ряда специалистов КМК и др.), методики расчета рациональных калибровок валков и режимов прокатки рельсов с применением универсальных калибров не создано.
*) Современные технологии производства транспортного металла (Материалы 3-й международной конференции «ТРАНСМЕТ - 2007»). Екатеринбург: ОАО «НТМК», УГТУ-УПИ, 2008. С. 3-9, 33-37 и др.
4 В зарубежных публикациях в основном рекламируется технология и оборудование рельсопрокатных станов, а методы расчета формоизменения металла и энергосиловых параметров при прокатке рельсов в универсальных клетях не раскрываются. Поэтому создание научно обоснованной методики расчета технологических режимов прокатки рельсов в универсальных клетях и применение её при реконструкции действующих и строительстве новых рельсобалочных станов является актуальной задачей.
Эффективным средством для исследований и расчетов новых технологий и оборудования является компьютерное моделирование с использованием современных программных комплексов (DEFORM, SolidWorks и др.), что позволяет существенно сокращать сроки проектирования и освоения технологических процессов, повышать их качество и в сущности тождественно практическому опробованию создаваемых технологий на прокатном стане.
Изложенное выше позволило сформулировать цель диссертационного исследования: разработать методику расчета калибровок валков и технологических режимов прокатки рельсов в универсальных клетях и провести компьютерное моделирование новой технологии в условиях реконструируемого или строящегося современного рельсопрокатного стана.
Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по государственному контракту № 02.740.11.0152 и по хоздоговору с ОАО «НТМК».
Научную новизну работы представляют следующие разработки:
метод расчета рационального режима обжатий при прокатке рельсов в универсальных калибрах, основанный на равенстве коэффициентов вытяжки по элементам профиля;
математическая формулировка ограничений по захвату раската в четы-рехвалковом калибре с неприводными вертикальными валками;
методика расчета рационального скоростного режима прокатки рельсов в непрерывно-реверсивных группах клетей современных рельсобалочных станов;
закономерности формоизменения и напряженно-деформированного состояния металла, а также силовых воздействий при прокатке рельсов в универсальном калибре;
формулы для расчета коэффициентов приращения-утяжки подошвы и головки рельсового профиля в процессе прокатки в универсальных калибрах и для определения обжатия фланцев по высоте в горизонтальных вспомогательных калибрах.
5 Практическую ценность работы представляют следующие результаты диссертации:
алгоритм расчета калибровки валков и режимов деформации металла при прокатке рельсов в универсальных калибрах;
методика компьютерного моделирования процессов прокатки рельсов с применением комплекса «DEFORM-3D»;
технические предложения по реконструкции рельсобалочного стана НТМК с расположением оборудования по двум вариантам;
калибровки валков и технологические режимы прокатки рельсов по каждому из указанных вариантов;
методика компьютерного моделирования конструкций универсальных клетей прокатных станов в среде SolidWorks;
твердотельные модели существующей универсальной балочной клети НТМК, адаптированной для условий прокатки рельсов, и современной специализированной универсальной рельсопрокатной клети.
В целом разработанные положения и полученные результаты диссертации направлены на создание технологических режимов прокатки, обеспечивающих выпуск высококачественных длинномерных рельсов для отечественных железных дорог.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке технологического задания на реконструкцию рельсобалочного стана ОАО «НТМК», и частично включены в учебное пособие для вузов «Калибровка прокатных валков» (М.: Теплотехник, 2008.)
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Научно-практическая конференция студентов «Молодежь и наука» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» НТИ: - г. Нижний Тагил, 2006. 38-я Международная научно-техническая конференция молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «НТМК»: - г. Нижний Тагил, 2006. Второй международный научно-практический семинар «Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением им. А.Ф. Головина»: - г. Екатеринбург, 2007. Научно-практическая конференция студентов «Молодежь и наука» НТИ УГТУ-УПИ: -г. Нижний Тагил, 2007. XII отчетная научная конференция молодых ученных ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»: - г. Екатеринбург, 2007. Вторая международная научно-техническая конференция «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов», СПбГПУ: - г. Санкт-Петербург, 2007. XIII отчетная научная конференция молодых ученных ГОУ ВПО «УГТУ-
УПИ»: - г. Екатеринбург, 2007. 3-я Международная конференция «Трансмет-2007», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»: - г. Нижний Тагил, 2007. 39-я Международная научно-техническая конференция молодых специалистов, инженеров и техников ОАО «НТМК»: - г. Нижний Тагил, 2007. Седьмой международный конгресс прокатчиков: - г. Москва, 2007. 7-ая международная конференция молодых специалистов EVRAZ: - г. Новокузнецк, 2008. 66-я научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ за 2007, ОАО «ММК»: - г. Магнитогорск, 2008. Международная научно-практическая конференция: «Инженерные системы - 2009», РУДН, ТЕСИС: - г. Москва, 2009. Международная научно-технической конференция. Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2009), СПбГПУ: - г. Санкт-Петербург, 2009.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 23-х печатных трудах, в том числе в 5-ти рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и изложена на 172 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 16 таблиц, 3 приложения и библиографический список из 116 наименований.
Конструкции универсальных рабочих клетей
Для реализации современных способов прокатки рельсов применяются универсальные клети новых конструкций [23, 26, 28, 42 и др.], которые отличаются компактностью, высокой жесткостью и надежностью.
Известны конструкции клетей (пат. DE 2 144 511 (Германия), пат. JP 49-18508 (Япония)), у которых рама станины выполнена не в виде цельной детали, а разборной в виде отдельных деталей: стоек и поперечин. Подобная конструкция, разработанная фирмой "Schloemann Simag [42], показана на рис. 1.10. У данного типа клетей верхняя и нижняя поперечина (2) стягиваются шпинделями (3), проходящими через стойки станин (1). В стойки станин устанавливают ся подушки с горизонтальными валками (5), а также подушки вертикальных валков (8) с нажимными механизмами (6). Отличительной особенностью данных клетей является то, что поперечины, стянутые с двух сторон шпинделями, непосредственно воспринимают усилие прокатки, передаваемое через подушки от горизонтальных валков. Данная конструкция позволяет устранить сквозные отверстия по центру поперечин, разнеся эти отверстия по краям и уменьшить их диаметр, за счет разделения усилий.
Конструкция компактной универсальной клети фирмы "Schloe тапп Simag"; 1 - рама (стойка); 2 - поперечина; 3 - стяжной шпиндель; 4 - уравновешивающее (поджимающее) устройство подушек горизонтального валка; 5 - подушки горизонтальных валков; 6 - нажимное устройство подушки вертикального валка; 7 - поджимающее устройство подушки вертикального валка; 8 - подушки вертикальных валков; 9 - привод перемещения стяжных шпинделей горизонтальных валков; 10 - привод перемещения нажимного устройства вертикального валка; 11 - фундаментная плита с устройством для зажима
К недостаткам данных конструкций клетей можно отнести сложность настройки положения горизонтальных валков. В данном случае возможно только совместное сведение и разведение горизонтальных валков, что затрудняет сим метричную настройку зазоров калибра относительно линии прокатки (линии симметрии рельса). Для точной настройки калибра необходима синхронизация и поддержание в исправном состоянии большого количества механических передач и зубчатых зацеплений. Кроме того, валковая арматура горизонтальных валков установлена на раме (стойках).
На всех современных рельсобалочных станах в основном используются компактные кассетные клети CCS {Compact Cartridge Stands) фирм "SMS Meer" (Германия) и "Danieli Morgardshammar" [23, 26, 28], которые могут использоваться как универсальные или как двухвалковые (см. рис. 1. 11, б). Станина (1) данной клети выполнена в виде двух рам. Первая 0-образная рама выполнена в виде неразборной литой конструкции, включает две поперечины и стойки, служит для восприятия усилий от горизонтальных валков (7). Вторая рама имеет П-образную форму и служит для расположения подушки (5) и нажимного устройства вертикального валка. Поджатие двух станин осуществляется с помощью четырех вертикальных гидравлически перемещаемых тяг (3). При прокатке данные тяги работают на растяжение, воспринимая усилия, действующие на вертикальные валки (5), за счет чего обеспечивается оптимальная жесткость в вертикальном направлении.
Данная клеть оборудована гидравлическими нажимными устройствами (2) и системами автоматического, раздельного регулирования положения верхнего и нижнего горизонтальных валков (7), а также обоих вертикальных валков (5), что позволило устранить сквозные отверстия в поперечинах станин, тем самым, повысив жесткость и прочность данного узла, а также уменьшить габариты клети, массу и размеры станин (см. рис. 1.11, а и б). Применение гидравлических нажимных устройств вместо механических позволило осуществить более точную регулировку положения валков, что важно при производстве рельсов в узком диапазоне допусков по отклонению размеров профиля по сечению.
Станина (1) со стороны оператора выполнена смещаемой, что позволяет осуществлять регулировку расстояния между станинами в зависимости от дли ны бочки используемых валков, а также производить перевалку. Подушки валков и валковая арматура помещены в кассеты, которые установлены на перевалочные платформы (4), что обеспечивает быстрый переход с одного профиля на другой (перевалка занимает 20 мин.).
Отличительной особенностью данного типа клетей является то, что клеть может работать как в универсальном (четырехвалковом), так и в двухвалковом режимах. При этом универсальный узел клети состоит из двух приводных горизонтальных валков большого диаметра, при малой длине бочки, а также из двух неприводных вертикальных валков. Двухвалковый узел включает два приводных горизонтальных валка с большой длиной бочки, но меньшего диаметра.
Развитие конструкций УК на примере клетей фирмы "SMS Meer": \ - станина; 2 - гидравлические нажимные устройства; 3 - гидравлически регулируемыми тяги; 4 - перевалочная платформа для смены кассет валков; 5 - подушка вертикального валка; 6 - подушки горизонтальных валков; 7 - горизонтальный валок; 8 - механические нажимные устройства
С применением описанных выше способов прокатки рельсов в универсальных калибрах (см. п. 1.1) и компактных универсальных клетей (см. п. 1.2), установленных в непрерывно-реверсивных группах, в зарубежной практике разработаны и построены современные рельсобал очные станы, имеющие достаточно типовое расположение оборудования [17-29].
В качестве типичного примера современного производства рельсового проката может быть рассмотрена технология изготовления рельсов на заводе "SDF, США, так как на нем внедрены современные конструктивные и технологические разработки, позволяющие удовлетворить высокие требования к точности размеров, прямолинейности, остаточным напряжениям и механическим свойствам прокатанных рельсов.
Стан предназначен для прокатки широкого сортамента балок и рельсов различных размеров по стандартам AREMA и UIC. На рис. 1.12 показана компактная U - образная планировка расположения оборудования рельсобалочного стана "SDF\ широко применяемая в настоящее время [19, 20, 25].
Условия захвата раската валками
Как показал опыт наших расчетов по формулам (2.1) - (2.4), для обеспечения равенства коэффициентов вытяжки по элементам профиля необходимы весьма большие обжатия по головке рельса, что при наличии в универсальной клети холостых вертикальных валков может приводить к ухудшению условий захвата раската горизонтальными валками [89]. Поэтому при проектировании режимов прокатки рельсов необходимо учитывать ограничение по условиям захвата раската в универсальных клетях.
Математическую формулировку этого ограничения получили, исходя из условия равновесия сил в очаге деформации (рис. 2.2). Для осуществления захвата раската валками необходимо, чтобы горизонтальная проекция касательной силы трения Тш на контакте шейки раската с горизонтальными валками была больше горизонтальных составляющих нормальной силы Nlu, а также нормальных {Nn, Nr) и касательных (Тп, Тг) сил, возникающих на контакте подошвы и головки профиля с неприводными вертикальными валками и препятствующих втягиванию раската в приводные валки: 2TW 2Л + Na + Тгх + N + Тш. (2.7) По закону Амонтона — Кулона Тш = fmNul, где fm — коэффициент трения на бочке горизонтальных валков. Силы трения Тг и Тп на контакте головки и подошвы с холостыми вертикальными валками возникают вследствие преодоления крутящих моментов трения в цапфах этих валков, которые равны .
Полученное неравенство выражает условие захвата рельсового профиля валками универсальной клети. Сравнивая его с условиями захвата раската в простом случае прокатки (tga f), можно сделать вывод, что допустимый угол захвата при прокатке в универсальной клети уменьшается на величину, соответствующую второму члену неравенства (2.8), причем с увеличением обжатия головки и подошвы вертикальными валками условия захвата ухудшаются. Поэтому указанное ограничение нужно проверять только в первых по ходу прокатки проходах в универсальной клети, где обычно применяют максимальные обжатия Д/гг, А/гп и Д/гш.
Коэффициент трения /ш рекомендуется определять в зависимости от материала валков, марки прокатываемой стали, скорости захвата и температуры раската по данным А.П. Грудева [89]. 2.3. Последовательность расчета рационального режима обжатий при прокатке рельса в универсальных калибрах
С учетом полученных выше формул можно рассчитать режим обжатий при прокатке рельсового профиля в универсальных калибрах, обеспечивающий приближенное равенство коэффициентов вытяжки по подошве, головке и шейки с точностью до определения величины приращения фланцев.
Для примера в табл. 2.1 приведены результаты расчета по разработанной методике коэффициентов деформации металла при прокатке рельса типа Р65 в чистовой непрерывно-реверсивной группе клетей, включающей две универсальные и одну вспомогательную клеть [94]. Как видно из приведенной таблицы, коэффициенты вытяжки по подошве и головке получаются практически одинаковыми для всех универсальных клетей, но величина их получается, как правило, меньше, чем по шейке профиля. Это можно объяснить тем, что при расчете по формулам (2.6) получается довольно большая величина приращения фланцев (до 6 мм - см. табл. 2.1). При этом расхождение коэффициентов вытяжки по фланцам Хср(Л.п=Л.г) и шейки Хш при оценке без единицы по критерию ( ср- шУ( ш-І) составляет (-0,135) -(-0,165), т.е. при определении приращения фланцев по формулам Долженкова Ф.Е. заложенное в основу метода условие равенства вытяжек кш== ки= кг выполняется с точностью до 13,5-16,5 %. Для более точного выполнения этого условия необходимо повышать точность определения приращения (утяжки) фланцев рельсового профиля, что требует проведения специального исследования. станах универсальные клети располагаются в составе непрерывно-реверсивных чистовых групп, в чередовании со сдвигаемыми вспомогательными клетями дуо. Скоростной режим работы такой группы определяет быстродействие (производительность) прокатного стана и оказывает существенное влияние на температурный режим и энергосиловые параметры прокатки рельсов. Поэтому наряду с расчетом режима обжатий, необходимо рассчитывать рациональный скоростной режим прокатки рельсов в таких непрерывно-реверсивных группах, позволяющий получить минимально возможные затраты времени на прокатку заданного профиля.
Моделирование условий входа рельсового раската в универсальный калибр
Условия входа раската в универсальный калибр должны обеспечивать надежный захват металла горизонтальными валками и гарантировать получение профиля без дефектов в виде закатов, смятие кромок, фланцев и т.п. На первом этапе рассматривали процесс прокатки без применения какой-либо вводной и выводной арматуры для того, чтобы проследить за естественным изгибом концов полосы, который наблюдали ранее другие исследователи [30, 53, 54 и др.]. Моделировали процесс входа в универсальный калибр раската, имеющего на переднем конце местное удлинение по шейки — «язык», который захватывается горизонтальными валками раньше фланцев и протягивает полосу через вертикальные валки. На рис. 3.5, а-д показано последовательное изменение формы раската в вертикальных поперечных сечениях I—V и в плане при прохождении полосы вдоль очага деформации (результаты пошагового моделирования входа раската в очаг деформации).
В начальный момент входа раската в калибр бочка горизонтальных валков захватывает выступающую часть шейки и втягивает раскат в валки, при этом полоса движется прямолинейно до появления контакта головки с вертикальным валком (см. рис. 3.5, а). Боковые грани горизонтальных валков пока не контактируют с раскатом (см. поперечное сечение 1-І на рис. 3.5, а). В этот момент времени возникает нормальная сила Nr, горизонтальная проекция которой Nn из условия равновесия равна втягивающей силе Тш. Таким образом, возникает пара разнонаправленных сил ТШ=Л Х, которые создают на плече а крутящий момент М,ф=Тш-а, усиленный изгибающим моментом от поперечной составляющей N : NryCxi-Іщ). Под действием суммы указанных моментов Т- з+ ЛГ Хг /ш) свободный конец раската начинает поворачиваться в сторону подошвы, и при дальнейшем втягивании в очаг деформации наступит контакт подошвы с соответствующим вертикальным валком (см. рис. 3.5, б). При этом возникнет нормальная сила Nn, которая также раскладывается на продольную и поперечную составляющую N„x и Л .
Из условия равновесия сил на оси х и у Л +Лґ Тш и Л Л , с учетом чего суммарный момент, действующий на полосу, определяется суммой моментов этих сил относительно начала координат (точка О): Mz=Nrx-a+ Л (хг2-хп2НТш-ЛГпх)-65 (3 -2)
Поскольку Nrx-a+ ІУг/(хГ2-хП2) (Тш-ІУпх)-6, то суммарный момент будет направлен в сторону подошвы и продолжит начатый ранее изгиб заднего конца раската на подошву. В рассмотренный момент времени боковые грани горизонтального валка приблизились к внутренним граням фланцев (см. рис. 3.5, б, сечение П-П), но еще не воздействуют на полосу.
При дальнейшем проникновении полосы в очаг деформации (см. рис. 3.5, в, сечение Ш-Ш) внутренние грани головки и подошвы начинают контактировать с боковыми гранями горизонтальных валков, и по всей поверхности этого контакта возникают касательные напряжения трения т, способствующие дальнейшему втягиванию раската в валки. Равнодействующие от этих напряжений сила Тг со стороны головки и Т„ со стороны подошвы (см. рис. 3.5, г), приложенные в точках А и Б, можно определить как произведение контактных напряжений на соответствующую контактную площадь Fr и Fn, т.е. Tr=x-Fr и Tn-Fn. Поскольку высота контактной площади со стороны подошвы больше, чем со стороны головки, то Fn Fr. Если предположить, что напряжения т постоянны по всей контактной поверхности, то сила ТП ТГ. Это будет способствовать более интенсивному втягиванию подошвы в очаг деформации по сравнению с головкой и, следовательно, усиливать изгибающие действие сил Nrx, JVry, Т, которое определяется уравнением, аналогичным (3.2). Таким образом, с момента появления контакта боковых граней горизонтальных валков с внутренними поверхностями фланцев изгибающее действие сил на задний конец полосы увеличивается. В результате это приводит к тому, что бочка горизонтальных валков накатывается на внутреннюю боковую поверхность головки, и происходит образование дефекта в месте соединения головки и шейки (см. рис. 3.5, д).
На практике возможны случаи, когда «язык» на переднем конце шейки отсутствует (например, обрезается после реверсивной клети) или имеет незначительную величину и не может быть захвачен приводными горизонтальными валками раньше фланцев.
В зарубежной практике для улучшения захвата раската в четырехвалко-вом калибре применяют сформированный в черновом симметричном калибре рельсовый профиль, у которого головка имеет переменную по толщине высоту (рис. 3.7, [99]), при этом для увеличения площади контакта с боковой поверх ностью горизонтального валка, высота головки с внутренней стороны Нга, выполняется больше высоты головки с наружной Нгн. В этом случае в начальный момент входа раската в валки возникают горизонтальные касательные силы Тга и Тпх, которые втягивают полосу в калибр, а уже затем появляется контакт шейки с бочкой горизонтальных валков, и возникает сила Тш, а далее и силы Nn, Nr (см. рис. 3.5, б). При этом механизм взаимодействия этих сил Тгх, Тпх и Тш с нормальными силами со стороны вертикальных валков 7Vr и Nn остается таким же, как описано выше, и происходит изгиб заднего конца раската на подошву.
Заметим также, что возникающие поперечные силы Мпу и Мгу (см. рис. 3.6) способствуют получению устойчивого контакта фланцев профиля с боковыми гранями горизонтальных валков и тем самым облегчают захват валками.
Таким образом, как при наличии «языка» на переднем конце раската, так и без него, наблюдается изгиб заднего конца раската в сторону подошвы, обусловленный несимметричностью рельсового профиля относительно вертикальной оси прокатки. Для предотвращения такого искривления раската рядом авторов [36, 53, 61 и др.] предложено сдвигать оси вертикальных валков против направления прокатки со стороны головки. Однако реализовать такой сдвиг трудно из-за усложнения конструкции универсальных клетей, особенно на реверсивных станах. Применение данного сдвига является дальнейшим развитием конструкций и технологии прокатки в универсальных клетях. На существующих клетях значительно проще и эффективнее применять вводные направляющие линейки.
Поэтому промоделировали процесс входа рельсового раската в калибр с использованием таких линеек. Поскольку изгиб заднего конца раската происходит всегда в одну сторону (см. рис. 3.5), в начале промоделировали процесс прокатки с применением только одной направляющей линейки со стороны подошвы (рис. 3.8, а). При этом в начальный момент времени составляющие Nry и /Vrx уравновешиваются со стороны линейки реакцией /Улу, в результате наступает равновесие: Л гх-й!+А/Гу-Хі-Л лу-хл=0. Поэтому при дальнейшем поступательном движении раската в калибр изгиб рельса на подошву не происходит.
Реконструкция с последовательным расположением клетей (Вариант 2)
По варианту 2 (рис. 4.5) расположение новой обжимной клети 950 и черновой клети 850 остается таким же, как в варианте 1, а непрерывно-реверсивная группа тандем в составе двух универсальных и одной горизонтальной вспомогательной клети располагается последовательно на линии рабочих клетей трио 800. Отдельно стоящая чистовая универсальная клеть устанавливается за участком пил. Таким образом, процесс прокатки осуществляется последовательно в каждой группе клетей без возвратного движения раската. При этом в непрерывно-реверсивной группе тандем необходимо производить 3 прохода.
При таком расположении оборудования схема калибровки и размеры калибров в обжимной клети 950 и черновой 850 не изменяются по сравнению с вариантом 1 (см. рис. 4.3, табл. 4.1 и 4.2). Схема калибровки валков группы тандем приведена на рис. 4.6. Режим деформации при прокатке по такой схеме (табл. 4.6) не претерпел существенных изменений по сравнению с вариантом 1. В клетях УК1 и ВК размеры калибров и полос сохранились такими же, как при прокатке по варианту 1 в клетях УК2, ВК и УК1(см. табл. 4.3). В клети УК2 (см. рис. 4.6, табл. 4.6) с уменьшенным коэффициентом вытяжки до 1,077 получается профиль, близкий по размерам к чистовому, причем здесь вертикальным валком формируется требуемый контур головки рельса. Клеть УКЗ используется как калибрующая для получения готового рельса с высокой точностью размеров.
Таким образом, технологический процесс прокатки при реконструкции стана по варианту 2 обеспечивает все необходимые условия для получения высококачественных длинномерных рельсов. При этом последовательное расположение рабочих клетей позволяет разместить перевалочные устройства и обеспечить благоприятные условия для перевалки как в клетях группы тандем, так и в черновой клети 850 (см. рис. 4.5). Заметим, что целесообразность применения последовательного расположения рабочих клетей подтверждается опытом эксплуатации зарубежных рельсобалочных станов (см., например, рис. 1.12, 1.15 и др.). С целью сокращения затрат при реализации варианта 2 может быть использован вариант без отдельно стоящей клети, когда последний, чистовой проход выполняется в универсальной клети УК2 (как показано на рис.1.14.). 1. Созданные в диссертации методы расчета и моделирования калибровок валков с применением универсальных калибров (см. гл. 2 и 3) позволили разработать технологические режимы прокатки рельсов при реконструкции рельсобалочного стана НТМК по двум вариантам: с U-образным и последовательным расположением клетей (см. рис. 4.2 и 4.5). Показано, что оба варианта создают благоприятные условия для прокатки высококачественных длинномерных рельсов. 2. Установлено, что по условиям эксплуатации стана и обслуживания (перевалки) группы клетей тандем наиболее рациональным является вариант реконструкции с последовательным расположением рабочих клетей (см. рис. 4.5). 3. Определены технические параметры рабочих клетей, устанавливаемых при реконструкции стана (см. табл. 4.5).
Любая новая технология требует создания соответствующего оборудования. Развитие технологии прокатки рельсов в универсальных калибрах вызвало существенное изменение конструкций универсальных четырехвалковых клетей (см. гл. 1, п. 1.2, рис. 1.10 и 1.11, табл. 1.2) и по настоящие время создает потребность в постоянном их совершенствовании, так как прочность и жесткость каждой детали клети может существенно ограничивать режимы деформации металла при прокатке. Поэтому при проектировании новых и совершенствовании существующих универсальных клетей, а также при разработке технологических режимов прокатки рельсов целесообразно проводить моделирование на ЭВМ конструкций этих клетей с определением напряженно-деформированного состояния каждой детали [111-114, 116].
Для конструирования и исследования напряженно-деформированного состояния деталей универсальной клети применили CAD/CAE систему SolidWorks с интегрированным в её состав расчетным модулем COSMOSWorhs, предназначенным для решения упругих задач механики деформируемого твердого тела методом конечных элементов [85].
Для анализа напряженно-деформированного состояния деталей рабочей клети в среде SolidWorks необходимо выполнить следующие операции: - создать твердотельную модель каждой детали и сборки узлов рабочей клети с помощью программы твердотельного моделирования; - задать материалы деталей, их механические и физические свойства (модуль упругости, массовую плотность, коэффициент Пуассона, предел прочности и т.п.); - сформировать кинематические и статические граничные условия; - создать сетку конечных элементов каждой детали; - решить поставленную задачу определения напряженно-деформированного состояния деталей с использованием итерационного FFEPlus - решателя.
Указанная методика позволяет анализировать действующие и конструировать новые рабочие клети прокатных станов. При анализе действующих конструкций твердотельные модели строят на основе имеющихся чертежей общего вида деталей рассматриваемой клети. При конструировании новых рабочих клетей для построения твердотельных моделей проводят анализ тенденций современного развития узлов и механизмов рабочих клетей по литературным и патентным источникам и на основе такого анализа выбирают рациональную компоновку каждого узла клети, а затем моделируют сборку всей рабочей клети. При этом размеры деталей клети вначале определяют ориентировочно по установленным практикой геометрическим соотношениям [109], а затем уточняют их в процессе моделирования сборки и анализа напряженно-деформированного состояния конструируемой клети.
Разработанную методику применили для анализа напряженно-деформированного состояния существующей универсальной рабочей клети [113,114]. При построении геометрических моделей деталей и узлов клети в качестве аналогов использовали рабочие клети универсального балочного стана ОАО «НТМК». На рис. 5.1 представлена твердотельная модель узла станин универсальной клети, включающая две станины закрытого типа, связанные анкерными кольцами, и две балки. Поджатие станин осуществляется распорными клиньями, устанавливаемыми в разъем между кольцом и стойкой станины. Стойки станин с внутренней стороны облицованы предохранительными планками.
При назначении кинематических граничных условий учтено, что станины крепятся к плитовинам. Поэтому ограничение неподвижности наложено на грани станины, соприкасающиеся с плитовинами. При формировании граничных условий приняли, что максимальные усилия, действующие на горизонтальные валки, равны 4500 кН, на вертикальные валки со стороны подошвы рельса - 2500 кН, со стороны головки - 1500 кН. Соответственно вертикальные усилия, приложенные через нажимные винты и гайки к поперечинам станины, равны 2250 кН, а горизонтальные усилия, действующие через нажимные винты вертикальных валков на стойки станины, составляют 1250 кН - со стороны подошвы, и 750 кН - со стороны головки рельса,
При создании сетки использовали конечные элементы в виде объемных изопараметрических тетраэдров и алгоритм дискретизации, основанный на методе диаграмм Делано-Вороного. Размер каждого элемента max 110 мм, min 5,5 мм. Общее количество элементов составило 145026, узлов - 240970.
Расчеты проводили с использованием итерационного FFEPlus - решателя. Результаты расчета приведены на рис. 5.3 и 5.4. Деформированное состояние для наглядности представлено в преувеличенном (утрированном) виде. Действительные значения напряжений и деформаций представлены в цифровом виде на соответствующих цветовых эпюрах.
