Обоснование рациональных параметров вертикальной центробежной машины для отливки валков прокатных станов

Короткий опис

На правах рукописи

Анофриев павел григорьевич

УДК 621.74.042

Обоснование рациональных параметров вертикальной центробежной машины для отливки валков прокатных станов
Специальность 05.05.08
"Машины для металлургического производства"

диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор
Смирнов Геннадий Федорович

Днепропетровск 2012

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ. 5
РАЗДЕЛ 1. Аналитический обзор тенденций в конструировании центробежных литейных машин. Цели и задачи исследований 15
1.1. Характеристика технологий и обзор конструкций центробежных литейных машин 17
1.2. Исследования литейных машин с упругой подвеской формы для производства отливок центробежным способом. 27
1.3............................................. Особенности производства прокатных валков. 33
Выводы к разделу 1. 35
РАЗДЕЛ 2. Исследования центробежной литейной машины для производства валков широкополосных прокатных станов 37
2.1.............................................................................................. Конструкция машины.. 37
2.2........................................................ Рабочий технологический цикл машины.. 39
2.3. Анализ параметров, определяющих вибрационную активность машины 41
2.4.............................................. Исследования свободных колебаний машины.. 45
2.4.1. Выбор расчетной схемы и составление уравнений движения машины 45
2.4.2. Анализ собственных колебаний и критические скорости машины 50
Выводы к разделу 2. 57
РАЗДЕЛ 3. Вынужденные колебания машины в установившихся и переходных режимах работы.. 59
3.1. Построение и исследование амплитудно-частотной характеристики машины 59
3.2........... Динамическая нагрузка на ролики опор машины и фундамент. 68
3.3..... Исследование динамики машины в переходных режимах работы.. 70
3.3.1. Уравнения движения машины в режимах разгона и торможения 70
3.3.2. Анализ численного решения уравнений движения. 77
3.3.3. Модель и анализ нагрузок на элементы машины в критических режимах 77
Выводы к разделу 3. 80
РАЗДЕЛ 4. Экспериментальные исследования динамики машины в эксплуатационных режимах.. 82
4.1.......................................................... Цель экспериментальных исследований. 83
4.2...................................................................................... Программа эксперимента. 83
4.3........................... Методика и аппаратные средства измерения вибрации. 84
4.4.......................... Обработка и анализ экспериментальных спектрограмм. 86
4.4.1. Динамика нижних опор машины при работе без литейной формы 86
4.4.2. Динамика машины в период отливки валка. 88
4.4.3. Вибрационные процессы в установившемся режиме работы.. 92
4.4.4. Эксплуатационные нагрузки на фундамент машины.. 96
4.4.5. Анализ адекватности математических моделей натурному образцу машины 98
Выводы к разделу 4. 100
РАЗДЕЛ 5. Исследования колебаний жестких роторов в опорах с нелинейными силовыми характеристиками. Совершенствование конструкции и отдельных узлов центробежных литейных машин.. 101
5.1. Исследования колебаний жестких роторов в машинах с кусочно-линейными силовыми характеристиками опор. 101
5.2............................ Совершенствование конструкции и структуры машин. 106
5.3............................... Совершенствование упругих опор роторных машин. 115
Выводы к разделу 5. 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 122
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 126
ПРИЛОЖЕНИЯ...135
Приложение А. Экспериментальные модели центробежных литейных машин и опытные отливки.135
Приложение Б. Спектрограммы экспериментальных исследований динамики машины...137
Приложение В. Акт внедрения разработок...161
Приложение Г. Акт испытания вертикальной центробежной
машины для производства валков.162

Основным инструментом прокатного производства являются валки. Прокатка металла характеризуется большими усилиями и значительными термическими нагрузками на валки. В этих условиях предъявляются высокие требования к качеству прокатных валков по механическим свойствам, структуре, износостойкости, твердости и качеству поверхности. Металлургические производства Украины и стран ближнего зарубежья потребляют более 50 типов чугунных и стальных валков для прокатки металла [].
Лучшие эксплуатационные и экономические показатели имеют двухслойные валки отлитые центробежным способом. Для получения таких валков необходим комплекс высокотехнологического оборудования. Одним из основных составляющих этого комплекса является центробежная литейная машина, в которой под действием центробежных сил формируется рабочий слой и сердцевина валка.
Несмотря на более чем 100-летнее суще

Список літератури

1. Исследования физико-механических и эксплуатационных характеристик показали существенное преимущества отливок, полученных центробежным способом, по ударной вязкости, относительному удлинению и плотности в сравнении с отливками, произведенными традиционными способами в землю и стационарный кокиль.
2. Доказано, что статическая и динамическая неуравновешенности формы определяют высокий уровень вибрационной активности машины и требует высокой точности изготовления узлов, деталей и оснастки машин.
3. Аналитически определенны предельные параметры неуравновешенности форма и опорного стакана машины: эксцентриситет е=5 мм; перекос главной оси инерции ξ=1/600 рад.
4. Найден рациональный диапазон жесткостей упругих элементов опор 5·106107 Н/м, который учитывает скоростные технологические требования при отливке двухслойных прокатных валков.
5. Предложен критерий и алгоритм оптимизации выбора жесткости упругих опор машины и уровня размещения нижнего центрирующего яруса роликовых опор. Задача, решенная численным методом, позволила рекомендовать применение упругих элементов в центрирующих роликовых опорах с жесткостью с2=4,725·106Н/м, и размещением центрирующего яруса опор ниже центра масс формы в сборе на расстоянии l2=687 мм.
6. Доказано, что влияние гироскопических сил не оказывает значительного влияния на значения критических частот машины. Первая критическая частота практически не изменяется, а вторая увеличивается на 6-7%.
7. В рабочем диапазоне угловых скоростей ротора машины 063 с-1 присутствуют две опасные критические частоты 21,3 с-1 и 35,9 с-1, связанные с линейными горизонтальными и угловыми колебаниями ротора машины. После прохождения этих критических частот происходит самоцентрирование формы.
8. Впервые получены аналитические зависимости для вычисления предельных значений амплитуд колебаний ротора машины, учитывающие массы роликовых опор.
9. Предложена областьсектор значений жесткостей упругих элементов роликовых опор в зависимости от их массы. Значения параметров из этой области обеспечивают минимальную динамическую нагрузку на ролики машины в диапазоне угловых скоростей заливки бочки валка 42-60с-1.
10. Анализ амплитудно-частотной характеристики ротора и роликовых опор машины для различных сочетаний жесткостных и геометрических характеристик машины позволил рекомендовать рациональные значения их соотношений: c1/c2=1; l1/l2=1 и значение угла при основании образующей конуса опорного бандажа ротора a=280.
11. Получена аналитическая зависимость для определения динамических нагрузок в зоне контакта роликов с дорожками катания ротора, учитывающая амплитуды, частоты колебаний роликов и силы трения в опорах машины.
12. Впервые получены и исследованы спектры вибрации в рабочем диапазоне скоростей вращения формы вертикальной центробежной машин для производства прокатных валков. Расхождение расчетного и фактического значений высшей (второй) критической частоты составляет 3,1%.
13. Впервые оценено влияние струи жидкого металла на динамику машины. В период заливка каждой порции металл виброскость опор возрастает на 1722 мм/с от исходного уровня.
14. В процесс отливки рабочего слоя валка (~100 мм) происходит неполная балансировка формы. Виброскорости и виброперемешения уменьшаются примерно в три раза, однако, в конце заливки рабочего слоя бочки валка скорости и перемещения возрастают из-за усадки металла и образования воздушного зазора между отливкой и формой.
15. Нагрузки на фундамент машины не превышают нормируемых величин 1/3 октавного спектра в диапазоне 2160 Гц.
16. Разработаны и защищены 10-ю авторскими свидетельствами центробежные литейные машины и опоры с рациональными кусочно-линейными силовыми характеристиками упругих элементов. Предложенные технические решения позволяют снизить амплитуды колебаний и динамическую нагрузку на опоры в 1,92,1 раза по сравнению с машиной на опорах с линейными характеристиками упругих элементов.
17. Аргументирована рекомендация, что наиболее перспективные конструкции центробежных машин должны быть оснащены активными амортизаторами, изменяющими свои характеристики восстанавливающих сил в зависимости от частоты вращения формы и массы отливки. Анализ колебаний нелинейных систем с «жесткой» и «мягкой» характеристиками показал преимущества последних.

18. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы были использованы при проектировании центробежной литейной машины для производства прокатных валков на ОАО «ДМЗ им. Петровского» (Приложение В. Акт внедрения разработок). Машина успешно прошла заводские испытания (Приложение Г. Акт испытаний машин от 31.01.2008 г.). По техническому решению [77] была спроектирована, изготовлена и установлена на Лутугинском заводе прокатных валков (Украина) центробежная машина для литья валков прокатных станов.