KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VÁLCOVACÍ STOLICE KVARTO SVOČ FST 2016

Transkript

1 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ VÁLCOVACÍ STOLICE KVARTO SVOČ FST 2016 Vladimír Dvořák, Západočeská univerzita v Plzni, SNP 419, Lhenice Česká republika ABSTRAKT Tato práce se věnuje technologii válcování a válcovací stolicím. V práci je obsažen pohled do historie válcování a válcovacích strojů, konstrukce a rozdělení dnešních válcovacích stolic a jejich využití. Dále se práce věnuje základním pojmům a vztahům, které jsou s procesem válcování spojeny. Praktická část se zaměřuje na konkrétní válcovací stolici kvarto, u níž je cílem zkontrolovat rám z hlediska napětí a deformací a výpočet opěrného válce. Rám se počítá analytickou metodou za použití metody řezu. Výsledky výpočtu ukázaly, že je možné upravit průřez rámu a dosáhnout tak větší úspory materiálu. Opěrný válec byl počítán jako nosník na dvou podporách a za použití Castiglianovy věty byl zjištěn jeho průhyb. Zároveň se stávající pracovní válec obměnil za nový s větším pracovním průměrem, a proto bylo nutno navrhnout nové uložení. KLÍČOVÁ SLOVA Válcování, válcovací stolice kvarto, opěrný válec, pracovní válec, rám stroje ÚVOD Tento příspěvek se zaměřuje na nejdůležitější části bakalářské práce, její cíle a výsledky. V teoretické části jsou obsaženy informace o vývoji válcování a samotných válcovacích stolic. Dále jsou zde informace o současné konstrukci válcovacích stolic a jejich využití. Také je zde uvedeno několik základních vztahů a pojmů z technologie válcování. Praktická část se věnuje částečné inovaci konkrétní válcovací stolice kvarto. Je zde uveden popis výpočtu rámu a vypočtené výsledky. V další části je uveden postup výpočtu opěrného válce a návrh uložení jak pracovního, tak i opěrného válce. 1. TEORETICKÁ ČÁST I. Historický vývoj Tváření je prvním způsobem, jakým byl materiál v historii zpracováván. Počátky tváření železa sahají až k druhé polovině 8. stol. př. n. l. První zmínka o válcování byla zaznamenána až později v nákresu jednoduché válcovací stolice od Leonarda da Vinci. Tato válcovací stolice měla sloužit k válcování olova nebo polotovarů na ražení mincí. První válcovací stolice se objevily v 15. až 16. století na území Belgie, Německa a Anglie. Válcovací stolice měly profilové válce, kterými se materiál dělil, k pohonu se využívala vodní kola. Časem se válcovací stolice stále vylepšovaly, největší rozvoj nastal v 18. a 19. století, kdy se značně vyvíjel zbrojařský a lodní průmysl a vzrůstaly požadavky na větší tvářecí stroje. V tomto období vznikaly různé patenty na válcování železných plechů, tyčí nebo drátu. Také byla sestrojena první reverzní válcovací stolice nebo tzv. Lauthovo trio. V dalších letech se zdokonalovalo válcování trubek (metoda Mannesmann) a v hutních závodech se modernizovaly válcovací linky. [1][2] Obr. 1 Metoda Mannesmann (vlevo) a Lauthovo trio (vpravo)[7]

2 II. Současnost V současné době patří válcování mezi nejvíce využívané tvářecí procesy, vyniká svou jednoduchostí a efektivitou. Hutním válcováním se vyrábějí bloky (bloom), sochory (billet) nebo bramy (slab). Hotovostním válcováním se vyrábějí plechy, svitky, bezešvé trubky, dráty nebo profily. Materiálem je obvykle ocel, ale válcovat lze i např. slitiny hliníku. Válcovací stolice jsou součástí válcovacích linek, může být až několik válcovacích stolic za sebou. Velké válcovací stolice kvarto mohou mít více jak 6 metrů, přičemž průměry opěrných válců mohou být až 1,6 m. Válcovaný materiál může mít hmotnost až 28 t. [1][3] Obr. 2 Válcované výrobky[5] III. Základní pojmy [4] Válcování je mechanický proces, při němž dochází ke změně tvaru provalku vlivem působení dvojice válců, které jsou přímo ve styku s materiálem. Materiál je vtažen mezi válce a dále se plynule mění jeho výška. Deformace válcovaného materiálu (provalku) probíhá tak, že se materiál pohybuje cestou nejmenšího odporu. Protože platí zákon zachování objemu, musí platit vztah: V 1 = V 2 (1) V 1 [m 3 ] objem provalku před deformací V 1 [m 3 ] objem provalku po deformaci Ze vztahu (1) vyplývá: S 1 [m 2 ] plocha průřezu provalku na vstupu S 2 [m 2 ] plocha průřezu provalku na výstupu v 1 [ms -1 ] vstupní rychlost provalku v 2 [ms -1 ] výstupní rychlost provalku S 1 v 1 = S 2 v 2 (2) Obr. 3 Schéma válcovacího procesu

3 Pro vtažení provalku mezi válce platí: α úhel záběru, mezi body AO 1C f součinitel tření tg α < f (3) Ze vztahu (3) je patrné, že materiál je vtažen mezi válce tehdy, když je součinitel tření mezi válcem a materiálem větší, než tangenta úhlu záběru. Z toho vyplývá, že na vtažení materiálu má přímý vliv pouze úhel záběru, který závisí na úběru a průměru válce. Na koeficient tření má vliv materiál válců, drsnost válců, teplota tvářeného materiálu a obvodová rychlost válců. Mezi další důležité pojmy z oblasti válcování patří válcovací síla, kterou lze vypočítat z následujícího vztahu: F V = p S S (4) p [MPa] střední měrný tlak S S [m 2 ] styčná plocha Styčná plocha je oblast, se provalek přímo dotýká pracovního válce. Na obr. 3 je to oblouk mezi body A a C (A 1 a C 1). Výpočet středního měrného tlaku se běžně provádí podle Ekelunda. Ze vztahu (4) lze vyvodit, že u válce s menším průměrem (menší styčnou plochou) je za potřebí menší síly, než u válce s větším průměrem, pro dosažení stejného tlaku. Tohoto faktu se využívá u válcovacích stolic s opěrnými válci. Nevýhodou menšího válce je jeho tuhost, a proto je nutno tyto válce podepírat tzv. opěrnými válci. 2. PRAKTICKÁ ČÁST I. Výpočet válcovací stolice kvarto V této části je cílem částečně inovovat válcovací stolici kvarto Ø420/Ø1050x1200. Pracovní válec s největším průměrem 420 mm je nahrazen válcem s průměrem 430 mm. Dále jsou vyměněna stávající ložiska za novější a jsou zkontrolovány na životnost. V této části je také pevnostní kontrola rámu a výpočet průhybu opěrného válce. Obr. 4 Schéma válcovací stolice kvarto [6] II. Výpočet rámu Cílem je zjistit maximální napětí v příčce a stojině a také celkovou deformaci ve svislém směru. Zadány jsou rozměry, materiál a zatížení rámu. Protože je zatížení i tvar rámu symetrické, lze úlohu zjednodušit pouze na jeden kvadrant. Metodou řezu je rám pomyslně rozdělen na dvě části a do řezu se připojí vnitřní účinky posouvající síla a vnitřní ohybový moment. Výpočet je dále prováděn analytickou metodou, při níž se využívá pravidel pružnosti a pevnosti. Maximální napětí ve stojině: σ SMAX = 14, 6 MPa stupeň využití materiálu stojiny: V s = 18, 2 % Maximální napětí v příčce: σ PMAX = 35, 8 MPa stupeň využití materiálu příčky: V P = 44, 7 % Maximální deformace ve svislém směru: y C = 0, 615 mm

4 Obě výsledná napětí jsou nižší než dovolené napětí 80 MPa. Stupeň využití materiálu je však velmi nízký, zvlášť u stojiny. Jde zde tedy prostor k ušetření materiálu, čehož se nejsnáze docílí změnou průřezu stojiny i rámu. Plný profil se nahradí profilem dutým, čímž se ušetří materiál a tedy i hmotnost. Při tomto nahrazení je nutné zvolit takové rozměry, aby nebyla porušena pevnostní podmínka a maximální napětí i deformace byly nižší než dovolená mez. To se v tomto případě podařilo a při použití dutého rámu jsou výsledky následující: Maximální napětí ve stojině: σ SMAX = 62, 1 MPa stupeň využití materiálu stojiny: V s = 77, 6 % Maximální napětí v příčce: σ PMAX = 61, 1 MPa stupeň využití materiálu příčky: V P = 76, 4 % Maximální deformace ve svislém směru: y C = 1, 975 mm Ušetřeno materiálu: kg (73%) Výpočtem byly získány výsledky, na jejichž základě proběhla změna průřezu rámu s cílem ušetřit jeho hmotnost a spotřebu materiálu. Rám vyhovuje ve všech zkoumaných ohledech a dokonce bylo ušetřeno přes 29 tun materiálu, což činí 73% celé hmotnosti původního rámu. III. Výpočet válce Úkolem bylo zjistit maximální průhyb opěrného válce, pokud jsou známy jeho rozměry, materiál a zatížení. Úloha se řeší jako nosník o dvou podporách, který je zatížen konstantním spojitým zatížením. Protože je známo místo, dojde k největšímu průhybu (uprostřed nosníku), využije se při výpočtu Castiglianova věta. Z definice Castiglianovy metody vyplývá, že je nutno mít v místě výpočtu sílu. Proto se zde přidává fiktivní osamocená síla o velikosti F F = 0 N. Celkový průhyb je součtem průhybu od ohybového momentu a průhybu od posouvající síly. Obr. 5 Výpočtový model válce Maximální průhyb uprostřed válce: y C = 0, 214 mm Maximální průhyb dokazuje, že válec v tomto ohleduje vyhovuje (max. dovolený průhyb 0,5 mm). Pokud by byl počítán válec pracovní (za stejných podmínek), maximální průhyb by dosáhl hodnoty y C = 11, 3 mm. Tento výsledek potvrzuje fakt, že opěrné válce nejsou u kvarta použity bezdůvodně a slouží k podepření pracovní válců, které mají relativně malou tuhost. Takový průhyb by ovšem nastal pouze v případě, že by pracovní válec nebyl podepřen válcem opěrným, ve skutečnosti je výpočet pracovních válců složitější. Dalším úkolem byla výměna stávajícího pracovního válce za jiný s větším průměrem (430 mm). Tento válec má i větší průměrem pod ložiskem, proto je nutno vybrat a zkontrolovat příslušná ložiska. Pro pracovní válec bylo vybráno čtyřřadé kuželíkové ložisko s označením BT4-0020/HA1. Pro opěrný válec bylo vybráno čtyřřadé válečkové ložisko s označením BC4-8015/HB1 a axiální soudečkové ložisko s označením 293/750. Kontrola ložisek je provedena standardním výpočtem na životnost ložiska. Všechna ložiska byly vybrány u firmy SKF. [8] Čtyřřadé kuželíkové ložisko BT4-0020/HA1: LH = hod. Čtyřřadé válečkové ložisko BC4-8015/HB1: LH = hod. Axiální soudečkové ložisko 293/750: LH = hod. Požadovaná hodinová životnost je h., což znamená, že uvedené ložiska vyhovují.

5 ZÁVĚR Cílem bakalářské práce bylo mimo jiné přiblížit historii válcovacích stolic a provést rešerši současného stavu. V praktické části bylo cílem inovovat některé části válcovací stolice kvarto, včetně kontroly rámu a opěrného válce. Všechny cíle byly splněny v celém rozsahu a výsledky jednotlivých výpočtů a postupů lze najít v kapitolách uvedených výše. LITERATURA 1. Staněk, J. Základy stavby výrobních strojů Tvářecí stroje. Plzeň : Západočeská univerzita v Plzni, ISBN Roberts L., William. Hot rolling of steel. New York : Marcel Dekker. INC., Manufacturing Engineering and materials processing/10. ISBN Neue Vorstraße für Warmbreitbandwalzwerk. Düsselfdorf : SMS Schloeman-Siemag Aktiengesellschaft. New roughing train for hot strip mill. 4. Veselovský, A. a Červený, E. Válcování. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, Semiatin, S. L. Forming and Forging, Volume 14. USA : ASM International, A Simple Sketch of a four-high mill. Chegg. [Online] [Citace: 20. duben 2016.] 7. Wire and Tube Drawing. Roymechx. [Online] [Citace: 20. Duben 2016.] 8. Ložiskové jednotky a tělesa. SKF. [Online] [Citace: 20. Duben 2016.]