Совершенствование динамических качеств подшипниковых узлов прокатных станов

Актуальность темы

К нагрузочной способности валковых опор прокатных станов предъявляются достаточно высокие требования и подшипники в этих опорах должны воспринимать большие радиальные нагрузки от давления металла на валки. Кроме того, процесс прокатки является динамически напряженным. Особенно в тяжелых условиях работают непрерывные станы, где прокатка на высоких скоростях чередуется с паузами между выходом предыдущей и входом следующей заготовки. Применение в таких условиях подшипников качения (ПК) в качестве опор валков затрудняется тем, что габаритные размеры подшипника в радиальном направлении ограничиваются диаметром бочки валка, поэтому динамическая грузоподъемность приходится увеличивать за счет осевых габаритных размеров. Однако и здесь имеются ограничения, вызванные неравномерностью распределения нагрузки. Подшипники скольжения (ПС) обладают достаточной несущей способностью, и лучшей демпфирующей способностью при меньших габаритах, а также рядом других преимуществ по сравнению с подшипниками качения. Однако их применимость в условиях прокатных станов затрудняется сравнительно небольшими скоростями вращения, а также не способностью воспринимать осевую нагрузку, которая может возникнуть вследствие несимметричности очага деформации. Основным фактором, ограничивающим ресурс опор скольжения, является возможный контакт поверхностей цапфы вала и втулки подшипника во время переходных режимов. Изменение геометрии втулки подшипника вследствие контакта с цапфой приводит к ухудшению рабочих характеристик опоры и может привести к потере работоспособности машины. Другими немаловажными факторами, ограничивающими их применимость в условиях прокатных станов, являются сравнительно небольшие скорости вращения, а также значительные тепловыделения в области течения смазочного материала, влекущие снижение несущей способности.

Когда ни один из существующих видов подшипников не может полностью удовлетворять техническим требованиям, как возможное решение данной проблемы рассматривают вариант совмещения опор различного принципа действия для повышения надежности опорного узла за счет разделения функций подшипников. Одним из вариантов является совмещение в едином опорном узле подшипников качения и скольжения, что позволяет использовать достоинства и исключить недостатки, присущие каждому виду опор на различных режимах работы.

Обзор публикаций в области подшипниковых опор тяжелых машин выявил недостаточную изученность вопросов долговечности и распределения внешней силовой нагрузки между подшипниками комбинированной опоры в условиях динамического нагружения. Также недостаточно проработаны в теоретическом плане вопросы влияния формы опорной поверхности радиального гидродинамического подшипника скольжения на температурные условия течения смазочного материала и его демпфирующую способность.

Таким образом, можно заключить, что совершенствование динамических качеств подшипниковых узлов прокатных станов является актуальной темой исследования.

Объектом исследования являются опорные узлы комбинации радиальных шариковых подшипников качения и гидродинамических подшипников скольжения, действующие по принципу разделения внешней нагрузки.

Предметом исследования являются динамические характеристики и ресурс комбинированных опор в условиях значительных перепадов температур и нагрузок.

Цель исследования является совершенствование динамических качеств и ресурса опорных узлов прокатных станов путем совмещения в едином опорном узле подшипников качения и скольжения, применения подшипника скольжения оригинальной конфигурации, позволяющей улучшить тепловые условия режима течения.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

1) провести информационный поиск в области опорных узлов прокатных станов, по видам подшипников качения, скольжения и их комбинациям;

2) разработать математическую модель по определению динамических характеристик и ресурса комбинированных опор;

3) разработать программное обеспечение для расчета и проектирования комбинированных опор;

4) провести комплекс вычислительных экспериментов по оценке влияния параметров процесса прокатки, а также параметров комбинированной опоры на ее динамические характеристики и ресурс;

5) выполнить экспериментальные исследования на стендовой модели и в условиях производства для проверки соответствия разработанной математической модели реальному объекту;

6) выработать рекомендации по проектированию и расчету комбинированных подшипниковых узлов прокатных станов.

Научная новизна и положения выносимые на защиту :

1) разработана математическая модель комбинированного подшипникового узла, включающего радиальный подшипник качения и гидродинамический подшипник скольжения, для расчета ресурса и динамических характеристик, учитывающая тепловые процессы в зоне смазки, взаимное влияние силовых реакций подшипника скольжения и качения, а также динамический режим нагружения;

2) разработана нелинейная математическая модель в неадиабатической постановке для расчета гидродинамических сил и расхода смазочного материала в подшипнике жидкостного трения с двуцентровой расточкой втулки;

3) выявлены на основе теоретических и экспериментальных исследований основные факторы влияния параметров подшипниковых узлов прокатных станов на изменение ресурса и динамических качеств;

4) разработан практический инструментарий в виде комплекса программ в среде MatLAB, а также рекомендации по проектированию и эксплуатации подшипниковых узлов прокатных станов, обеспечивающие повышение ресурса и улучшение динамических качеств.

Методы исследования. Анализ динамических характеристик проводился в предположении, что валок с опорами представляют собой единую динамическую систему. Исследование динамических характеристик основывалось на совместном решении уравнений гидродинамической теории смазки в неадиабатической постановке, а также основных зависимостей теории контактных упругих напряжений и теории пластичности. Системы уравнений движения жесткого валка получены на основании базовых соотношений динамики твердого тела. Расчет сил деформирования металла проводился по приближенным зависимостям, в основу которых положена теория пластичности. Расчет сил реакции подшипника качения основывался на известном аналитическом решении контактной задачи теории упругости. Характеристики подшипника скольжения определялись из решения уравнения Рей-нольдса, совместно с уравнением баланса тепла, численное решение которых проводилось методом конечных разностей. Математическая модель определения ресурса подшипниковой опоры основывалась на эмпирических методиках, отражающих процесс износа деталей подшипников в зависимости от различных рабочих и эксплуатационных характеристик. N.

Экспериментальные исследования проводились на стендовой модели с использованием современного информационно-измерительного оборудования, а также по данным мониторинга энергосиловых параметров прокатки действующего прокатного стана.

Программное обеспечение разработано в среде математического моделирования MatLAB. Для стендовой модели регистрация и обработка экспериментальных данных производилась в среде визуального программирования Lab View. Регистрация данных энергосиловых параметров прокатки производилась с помощью программы ibaAnalyzer. Анализ расчетных и экспериментальных данных проводился в системе MatLAB.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением результатов в производстве.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методики расчета и программное обеспечение позволяют определять динамические качества радиальных комбинированных опор прокатных станов, а также оценивать возможность повышения ресурса опоры при совмещении подшипника качения и гидродинамического подшипника скольжения по сравнению с их одиночной постановкой. Результаты работы внедрены на стане 350 ОАО «ОЭМК» (г. Старый Оскол Белгородской области).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2008) — Международной конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2006) — Международной научной конференции «Сложные системы управления и менеджмент качества CCSQM 2007» (г. Старый Оскол, 2007) — Всероссийской научно-методической конференции «Основы проектирования и детали машин» (г. Орел, 2007), а также на научно-технических семинарах профессорско-преподавательского состава Старооскольского технологического института в 2005;2008 гг. Диссертация была апробирована на заседании кафедры «Динамика и прочность» Орловского государственного технического университета (г. Орел, 2008) и на заседании кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» Курского государственного технического университета (г. Курск, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 6 статей в научных сборниках и 3 статьи в журналах, работ опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных высшей аттестационной комиссией — 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений, имеет 120 страниц основного текста, 46 рисунков, 2 таблицы, приложения. Библиография включает 125 наименований.

Выводы по разделу 4.

1. Под улучшением динамических качеств опоры подразумевается уменьшение амплитуд колебаний вала (валка) на частотах, дающих наибольший вклад в энергию колебаний, происходящее за счет увеличения демпфирующей способности подшипника скольжения комбинированной опоры. Применительно к прокатным станам, увеличение демпфирующей способности и снижение амплитуд колебаний валка ведет к стабилизации размеров и формы прокатываемого металла и, как следствие, снижению нагрузки на привод. Таким образом, колебания валка и колебания нагрузки взаимосвязаны. Наличие этой связи позволили производить экспериментальные исследования по определению колебаний вала для стендовой модели и колебаний нагрузки для условий производства. Основное внимание в разделе уделяется стендовому эксперименту, но в конце каждого подраздела приведены результаты исследований на действующем прокатном стане.

2. Результаты экспериментов на разработанной установке и в условиях прокатки на действующем стане показали, что частоты наиболее значимых составляющих колебаний пропорциональны частотам вращения. Этот факт говорит в пользу использованной модели колебательного нагружения. Однако, моделирование колебаний стадии холостого хода вала (валка) только за счет дисбаланса, оказалось не совсем верным, так как анализ мониторинга колебаний этой стадии выявил и другие весьма значащие составляющие.

3 Сравнение результатов численных и натурных экспериментов подтвердили адекватность математической модели. Также на основании экспериментов выработаны некоторые рекомендации по проектированию и эксплуатации комбинированных опор прокатных станов.

5 Вопросы проектирования и рекомендации по эксплуатации комбинированных опор

5.1 Рекомендации по проектированию опорных узлов прокатных станов повышенного ресурса и виброустойчивости.

Проектирование подшипникового узла должно обеспечить выполнение основных критериев работоспособности, основным из которых являются: прочность, износостойкость, теплостойкость и виброустойчивость. Эти критерии в совокупности определяют надежность подшипникового узла. Выполнение данных критериев должно обеспечить работоспособность узла при заданных режимных и эксплуатационных факторах работы. Согласно [94], выделяются следующие основные режимные и эксплуатационные факторы. Режимные: скорость вращениятемпературные и динамические нагрузкивибрация и ударные силовые нагрузки. Эксплуатационные: долговечность и установленная безотказная наработка подшипников.

Применительно к комбинированным опорам валков прокатных станов, основным критерием работоспособности опоры является обеспечение разгрузки подшипника качения на основных этапах работы. В условиях низких скоростей скольжения, подшипник качения должен быть разгружен минимум на стадии холостого хода, когда давление металла на валки отсутствует. Значительное влияние на несущую способность подшипника скольжения оказывает температурные условия работы. Применение вязкой смазки ведет к ее значительному разогреву в подшипнике за счет внутреннего трения, также возможный тепловой поток со стороны цапфы валка, контактирующего с горячим металлом, могут привести к частичной или полной потери несущей способности. Конструкция подшипника скольжения должна обеспечивать отвод тепла из рабочей области. Поэтому в тяжелом машиностроении широко применяются конструкции подшипника скольжения с масляными карманами. Однако следует учесть, что факт наличия масляных карманов при изотермическом течении смазочного материала снижает несущую способность и виброустойчивость подшипника скольжения. Поиск оптимального конструктивного решения для конкретных режимных факторов работы является сложной задачей.

В работе [78] приводятся наиболее общие принципы проектирования совмещенных опор. Далее предлагается некоторая конкретизация по проектированию комбинированных опор с разделением нагрузки, используемых в качестве опор валков прокатных станов. Рекомендации даны по результатам проведенных исследований, которые являются дополнением алгоритму проектирования совмещенных опор на этапе расчета их рабочих характеристик и оценки ресурса.

Последовательность проектирования комбинированной опоры при базовой конструкции — подшипник качения.

1. Анализ компоновочной схемы машины и определение возможных геометрических параметров подшипника скольжения и возможностей создания, либо модификации системы подачи смазочного материала.

2. Определение силовых и динамических характеристик подшипника скольжения для различных значений его возможной длины, наличия и размеров масляных карманов, номинального зазора, типа смазочного материала (раздел 2.3).

3. Оценка повышения ресурса комбинированной опоры по сравнению с одиночной постановкой подшипника качения для рабочей частоты вращения и переменной внешней силовой нагрузки (раздел 3.4). Если ресурс оказывается меньше необходимого, то рассматривается возможность корректировки геометрических параметров подшипника скольжения, или, по возможности, изменения скоростных режимов работы стана.

4. В случае достаточности ресурса, проверяют динамические характеристики полученной комбинированной опоры для возможных тепловых и силовых условий работы (раздел 3). При неудовлетворении данного требования необходимо снова вернуться к выбору геометрических параметров подшипника скольжения.

5. Для заданного ресурса определяют потребную динамическую грузоподъемность подшипника качения при его одиночной постановке и в комбинации с подшипником скольжения, и производится оценка возможности уменьшения типоразмера подшипника качения.

6. Далее последовательно по пунктам 2—4 производится проверка ресурса и виброустойчивости для новой конструкции комбинированной опоры.

Последовательность проектирования комбинированной опоры при базовой конструкции — подшипник скольжения.

1. Оценка альтернативного подшипника качения из условия обеспечения динамической грузоподъемности при заданном ресурсе.

2. Анализ компоновочной схемы машины и определение возможных геометрических параметров подшипника качения и выбор определенного типоразмера.

4. Оценка виброустойчивости.

5. Оценка ресурса комбинированной опоры и сравнение с базовым ресурсом подшипника скольжения.

Предложенные рекомендации выбора основных рабочих и геометрических параметров комбинированных опор, позволяют на этапе проектирования опорного узла оценить эффективность совмещения подшипников различного принципа действия по сравнению в их одиночной постановкой по критериям надежности и виброустойчивости.

Как было отмечено в разделе 1.3, типичным решением по улучшению динамических условий работы прокатного стана, являются мероприятия по снижению скорости прокатки. В разделах 3 и 4 данной работы были представлены результаты расчетов и экспериментов по улучшению динамических условий работы комбинированной работы путем увеличения скорости прокатки. Далее в качестве примера, представлены результаты расчета долговечности комбинированной опоры чистовой клети стана 350 «Оскольского электрометаллургического комбината» в условиях максимальных нагрузок и скоростей. Исходные данные представлены в таблице 5.1.

Заключение

.

В диссертации представлено решение актуальной научно-практической задачи по повышению динамических качеств и ресурса опорных узлов прокатных станов, представляющих собой совмещенные подшипники качения и скольжения. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель комбинированной опоры, функционирующей по принципу разделения нагрузки, учитывающая изменение свойств смазочного материала и теплообмен с окружающей средой в подшипнике скольжения, позволяющая рассчитывать грузоподъемность, распределение нагрузки между подшипником качения и скольжения, ресурс опорного узла, а также амплитуды и частоты колебаний в условиях колебательной внешней нагрузки.

2. На основании математических моделей разработано программное обеспечение в среде математического моделирования MatLab, состоящее из набора расчетных модулей, которые позволяют проводить анализ влияния рабочих и геометрических параметров подшипников качения и скольжения на динамические характеристики и ресурс комбинированных опор;

3. В результате теоретических и экспериментальных исследований изучено влияние параметров процесса прокатки, а также параметров подшипников комбинированной опоры на динамические характеристики и ресурс комбинированных опор:

— для увеличения несущей способности целесообразно использовать радиальные гидродинамические подшипники скольжения с гладкой формой опорной поверхности подшипника скольжения при скоростях скольжения в пределах 0,2−8 м/с, при больших скоростях следует применять подшипники скольжения с двуцентровой расточкой (масляными карманами), с целью компенсации выделений тепла путем увеличения расхода смазки;

— тепловой контакт смазочного слоя с окружающими телами при температурном напоре 15−20 °С и скорости скольжения 7−10 м/с снижает несущую способность подшипника скольжения в 1,5−2,5 раза;

— разгрузка подшипника качения за счет реакции подшипника скольжения при скорости скольжения 0,2−7 м/с в 6−10 раз повышает ресурс опоры по сравнению с одиночной постановкой подшипника качения, а при скорости скольжения 7−10 м/с в 10−16 раз;

— колебательный процесс, возникающий при прокатке, демпфируется до 1015% гидродинамическим подшипником скольжения в составе комбинированной опоры, демпфирующая способность которого в большей мере определяется скоростью скольжения;

4. На основании результатов исследования выявлены условия возникновения положительных эффектов работоспособности опорного узла, предложены рекомендации по проектированию и расчету комбинированных подшипниковых узлов прокатных станов из условия обеспечения повышенного ресурса и виброустойчивости.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1) разработана математическая модель комбинированного подшипникового узла, включающего радиальный подшипник качения и гидродинамический подшипник скольжения, для расчета ресурса и динамических характеристик, учитывающая тепловые процессы в зоне смазки, взаимное влияние силовых реакций подшипника скольжения и качения, а также динамический режим нагружения;

2) разработана нелинейная математическая модель в неадиабатической постановке для расчета гидродинамических сил и расхода смазочного материала в подшипнике жидкостного трения с двуцентровой расточкой втулки;

3) выявлены на основе теоретических и экспериментальных исследований основные факторы влияния параметров подшипниковых узлов прокатных станов на изменение ресурса и динамических качеств;

4) разработан практический инструментарий в виде комплекса программ в среде MatLAB, а также рекомендации по проектированию и эксплуатации подшипниковых узлов прокатных станов, обеспечивающие повышение ресурса и улучшение динамических качеств.