Определение распорных усилий и полезно потребляемой мощности.
При вальцевании в рабочем зазоре возникают силы, которые стараются раздвинуть валки. Эти силы называются распорными. Их необходимо учитывать при расчете, иначе при чрезмерно больших усилиях возможна поломка вальцев.
Сложность явления вальцевания и недостаточная теоретическая изученность затрудняют расчет распорных усилий и потребляемой мощности. Данные величины можно определить двумя методами:
1. Обработкой опытных данных на основе теории подобии
2. Математическими анализом процесса при введении определенных допущений.
Для первого метода проводят опыты на модельной машине, получают распорные усилия и потребляемую мощность.
где: - диаметр валков; - величина зазора; - величина фрикции; - удельный вес смеси; L - длина валка; - угловая скорость быстроходного валка; - конечная пластичность материала 
- опытные коэффициенты, которые для некоторых материалов приведены в справочниках.
По второму методу простые математические зависимости получаются при введении следующих допущений:
1. Эффективная вязкость (средняя) смеси не изменяется
2. Режим течения смеси в зазоре минимальный – ламинарный
3. Материал прилипает к поверхности валков и скорость слоев у поверхности равна скорости движении валка (U=V)
4. Инерционные силы малы
5. Течение материала одномерно (в зазор)
6. Скорость смеси не меняется по вертикали
7. Давление на входе и выходе материала в валки равно нулю
8. Давление в плоскостях, параллельных осям валков, не меняется.
Тогда уравнение движения вязкой жидкости (Навье-Стокса) имеет вид:
, (6.3)
При интегрировании данного уравнения и учитывая допущения получено выражения для распорного усилия :
, (6.4)
где: - величина фрикции; - эффективная вязкость; - скорость переднего валка; - радиус валка; - длина валка; - зазор между валками.
Момент потребляемый валками равен сумме крутящих моментов:
, (6.5)
- крутящие моменты быстроходного и тихоходного валков.
Полная мощность потребляемая валками.
Она рассчитывается по формуле:
(6.8)
где: - необходимый полный крутящий момент.
где: - момент холостого хода; - момент дополнительных сил трения.
, (6.10)
где: - радиальная нагрузка на цапфу; - коэффициент трения подшипника; - диаметр цапфы; - передаточное число трансмиссии и фрикционной пары; - общий К.П.Д. трансмиссии и фрикционной пары;
Момент дополнительных сил равен:
, (6.11)
где: - распорное усилие на валки.
Расчет производительности .
Валковые машины работают по схемам однократного и многократного пропуска перерабатываемого материала через зазор. Для однократного прохождения материала через вальцы производительность определяется по формуле:
, (6.12)
где: - единовременной загрузки; - коэффициент использования машины (0.85 - 0.9). - удельный вес материла; - продолжительность цикла;
где: - диаметр переднего валка; - длина бочки валка.
Время цикла определяется по формуле:
, (6.14)
где: - время загрузки и выгрузки; - технологическое время работы. Это время определяется экспериментально.
Необходимо отметить, что существует и другие расчета зависимости при определении производительности вальцев.
Тепловой расчет вальцев.
При переработке материала в зазоре валков выделяется большое количество тепла и в результате этого повышается температура как рабочей поверхности валков, так и перерабатываемой смеси. Для предотвращения нежелательных температурных изменений (подвулканизация и т.п.) предусматривается специальное охлаждение валков. Количество тепла выделяемого при переработке можно определить по мощности потребляемой вальцами, с учетом КПД всех передач и цапф.
Это тепло расходуется на нагревание обрабатываемой смеси Q 1 , на потери в окружающую среду Q 2 и на нагрев охлаждающей водой Q 3 .
, (6.16)
где: G- производительность валка; c- удельная теплоемкость; t k , t n - конечная и начальная температура смеси.
Потери тепла в окружающую среду , складывается из потерь тепла конвекцией и лучеиспусканием .
, (6.18)
где: - температура валка и окружающего воздуха, ° С; - абсолютная температура валка и воздуха, ° К; - общий коэффициент излучения (зависит от излучения валка, окружающей среды и абсолютно черного тела); - поверхность теплоотдачи и излучения; - коэффициент теплоотдачи (для неподвижного воздуха).
, (6.19)
4.2 Штамповка на ковочных вальцах (вальцовка).
Эта штамповка напоминает продольную прокатку в одной рабочей клети, на двух валках которые закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи.
Нагретую заготовку 1 подают до упора 2 в тот момент, когда секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происходит захват заготовки и обжатие ее по форме полости; одновременно с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи.
На вальцах изготовляют поковки сравнительно несложной конфигурации, типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т. п. Кроме того, на вальцах фасонируют заготовки для последующей штамповки, чаще всего на кривошипных горячештамповочных прессах.
Профилируют и штампуют на вальцах в одном или нескольких ручьях. Исходное сечение заготовки принимают равным максимальному сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным образом протяжка.
4.3 Устройство и принцип работы деформирующего оборудования и штамповочной оснастки.
 |
Кинематическая схема КГШП
Рисунок 1
1- Ползун;
4- Электродвигатель
5- Приёмный вал
6- Малое зубчатое колесо
7- Большое зубчатое колесо
8- Пневматическая функциональная дисковая муфта
9- Кривошипный вал
11- Стол пресса
Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах КГШП изготовляют усилием 5-10 мм. Они успешно заменяют и во многих случаях по технологическим возможностям превосходят паро-воздушные штамповочные молоты с массой подающих частей до 10 тонн. КГШП характерно то, что усилие, возникающее при штамповке, воспринимается массивной станиной. На станине пресса установлен электродвигатель. На его валу закреплён шкив, от которого крутящий момент через клиноременную передачу передаётся маховику, закреплённому на приёмном валу. На другом конце этого вала насажана малое зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с большим зубчатым колесом со встроенной в него пневматической муфтой включения. Большое зубчатое колесо с муфтой расположено на коленчатом валу, который при вращении приводит в движение шатун с ползуном в направляющие стороны.
Для остановки вращения кривошипного вала после включения муфты служит тормоз. Стол пресса, установленный на наклонной поверхности, может перемещаться клином и тем самым в незначительных пределах регулировать высоту штамповочного пространства. Для обеспечения удаления поковки из штампа пресса имеется выключатели в столе и ползуне. Выталкиватели срабатывают при ходе ползуна вверх. Остановка моховика производится тормозом при включенном электродвигателе.
В отличии от молотов прессы имеют жёсткий график движения ползуна, полный ход которого вверх и вниз одинаков и равен удвоенному радиусу кривошипа. В связи с этим при многоручьевой штамповке невозможно применить протяжной, подкатной, отрубной ручьи. Поковки, требующие использования указанных ручьёв штампуют на КГШП из заготовок периодического проката или предварительно фасонированных на ковочных пальцах. Скорость ползуна в момент соприкосновения верхней части штампа с заготовкой равна 0,3 – 0,8 м/с, то есть в несколько раз меньше скорости базы молота в момент удара. Так как деформация выполняется в каждом ручье за один ход пресса, заготовки должны быть чистыми от окалины во избежании порчи поверхности паковки.
Постоянство величины хода ползуна, большая точность его движения в мощных регулируемых направляющих станины пресса, применение штампов с направляющими колонками и выталкивателями для принудительного удаления поковок обеспечивает большую точность изготовления поковок, с меньшими штамповочными уклонами, припусками, допусками и расходом металла, чем при штамповке на молотах. Выталкиватели размещают в вертикальных отверстиях ручьевых вставок штампа. Во время штамповки рабочей поверхности выталкивателей составляют часть поверхности ручьёв. При обратном ходе ползуна специальный механизм в штампе, приводимый в действие от выталкивателя пресса, поднимает ручьевые выталкиватели, которые выбрасывают поковку из ручья.
Для исключения заклинивания и поломки пресса открытые штампы на КГШП не смыкаются на величину заусенца из-за отсутствия ударов служат больше молотовых. На КГШП используют штампы сборной конструкции с ручьевыми вставками, которые при износе заменяют. Наличие выталкивателей обеспечивает удобство штамповки в закрытых штампах выдавливанием и прошивкой. При выдавливании заготовку устанавливают в полость штампа и осаживают в этой полости с одновременным истечением части металла за её пределы. КПД прессов примерно в 2 раза выше КПД молотов. Прессы совершают 35-90 ходов в мин, то есть примерно столько, сколько 4 эквивалентные им по мощности молоты. Штамповка на прессе в 1,5 – 3 раза производительней, чем на молоте, и её легче механизировать и автоматизировать.
При закрытой штамповке без заусенца полученная по приведённой формуле значения усилия уменьшают на 2,0 – 2,5%. P = k F, где P – площадь проекции штампованной паковки с заусеничным носочком, см кв; k – коэффициент, учитывающий сложность формы поковок (k = 6,4 / 7,3).
За последнее время ко мне было несколько обращений от читателей блога за помощью в решении одной и той же задачи: как при работе на трехвалковых листогибочных вальцах и профилегибах определить окончательное местоположение среднего ролика (валка)...
Относительно положения крайних роликов (валков), которое обеспечит гибку (вальцовку) заготовки с определенным заданным необходимым радиусом? Ответ на этот вопрос позволит повысить производительность труда при гибке металла за счет уменьшения количества прогонов заготовки до момента получения годной детали.
В этой статье вы найдете теоретическое решение поставленной задачи. Сразу оговорюсь – на практике я этот расчет не применял и, соответственно, не проверял результативность предлагаемого метода. Однако я уверен, что в определенных случаях гибка металла может быть выполнена гораздо быстрее при использовании этой методики, чем обычно.
Чаще всего в обычной практике окончательное местоположение подвижного центрального ролика (валка) и количество проходов до получения годной детали определяется «методом тыка». После длительной (или не очень) отработки технологического процесса на пробной детали определяют координату положения центрального ролика (валка), которую и используют при дальнейших перенастройках вальцев, изготавливая партию этих деталей.
Метод удобен, прост и хорош при значительном количестве одинаковых деталей – то есть при серийном производстве. При единичном или «очень мелкосерийном» производстве, когда необходимо гнуть разные профили или листы разной толщины разными радиусами, потери времени на настройку «методом тыка» становятся катастрофически огромными. Особенно эти потери заметны при гибке длинных (8…11м) заготовок! Пока сделаешь проход…, пока проведешь замеры…, пока перестроишь положение ролика (валка)… — и все сначала! И так десяток раз.
Расчет в Excel местоположения подвижного среднего ролика.
Запускаем программу MS Excel или программу OOo Calc, и начинаем работу!
С общими правилами форматирования электронных таблиц, которые применяются в статьях блога, можно ознакомиться .
Прежде всего, хочу заметить, что листогибочные вальцы и профилегибы разных моделей могут иметь подвижные крайние ролики (валки), а могут — подвижный средний ролик (валок). Однако для нашей задачи это не имеет принципиального значения.
На рисунке, расположенном ниже изображена расчетная схема к задаче.
Вальцуемая деталь в начале процесса лежит на двух крайних роликах (валках), имеющих диаметр D . Средний ролик (валок) диаметром d подводится до касания с верхом заготовки . Далее средний ролик (валок) опускается вниз на расстояние равное расчетному размеру H , включается привод вращения роликов, заготовка прокатывается, производится гибка металла, и на выходе получается деталь с заданным радиусом изгиба R ! Осталось дело за малым – правильно, быстро и точно научиться рассчитывать размерH . Этим и займемся.
Исходные данные:
1. Диаметр подвижного верхнего ролика (валка) /справочно/ d в мм записываем
в ячейку D3: 120
2. Диаметр опорных с приводом вращения крайних роликов (валков) D в мм пишем
в ячейку D4: 150
3. Расстояние между осями опорных крайних роликов (валков) A в мм вводим
в ячейку D5: 500
4. Высоту сечения детали h в мм заносим
в ячейку D6: 36
5. Внутренний радиус изгиба детали по чертежу R в мм заносим
в ячейку D7: 600
Расчеты и действия:
6. Вычисляем расчетную вертикальную подачу верхнего ролика (валка)H расч в мм без учета пружинения
в ячейке D9: =D4/2+D6+D7- ((D4/2+D6+D7)^2- (D5/2)^2)^(½) =45,4
H расч =D /2+h +R — ((D /2+h +R )^2- (A /2)^2)^(½)
7. Настраиваем вальцы на этот размер H расч и делаем первый прогон заготовки. Измеряем или высчитываем по хорде и высоте сегмента получившийся в результате внутренний радиус, который обозначим R 0 и записываем полученное значение в мм
в ячейку D10: 655
8. Вычисляем какой должна была бы быть расчетная теоретическая вертикальная подача верхнего ролика (валка)H 0расч в мм для изготовления детали с радиусом R 0 без учета пружинения
в ячейке D11: =D4/2+D6+D10- ((D4/2+D6+D10)^2- (D5/2)^2)^(½) =41,9
H 0расч =D /2+h + R 0 — ((D /2+h + R 0 )^2- (A /2)^2)^(½)
9. Но деталь с внутренним радиусом изгиба R 0 получилась при опущенном верхнем валке на размер H расч , а не H 0расч !!! Считаем поправку на обратное пружинение x в мм
в ячейке D12: =D9-D11 =3,5
x = H расч — H 0расч
10. Так как радиусы R и R 0 имеют близкие размеры, то можно с достаточной степенью точности принять эту же величину поправки x для определения окончательного фактического расстояния H , на которое необходимо подать вниз верхний ролик (валок) для получения на вальцованной детали внутреннего радиуса R .
Вычисляем окончательную расчетную вертикальную подачу верхнего ролика (валка)H в мм c учетом пружинения
в ячейке D13: =D9+D12 =48,9
H = H расч + x
Задача решена! Первая деталь из партии изготовлена за 2 прохода! Найдено местоположение среднего ролика (валка).
Особенности и проблемы гибки металла на вальцах.
Да, как было бы всё красиво и просто – надавил, прогнал – деталь готова, но есть несколько «но»…
1. При вальцовке деталей с малыми радиусами в целом ряде случаев нельзя получить необходимый радиус R за один проход по причине возможности возникновения деформаций, гофр и надрывов в верхних (сжимаемых) и нижних (растягиваемых) слоях сечения заготовки. В таких случаях назначение технологом нескольких проходов обусловлено технологической особенностью конкретной детали. И это не исключительные случаи, а весьма распространенные!
2. Одномоментная без прокаток подача среднего ролика (валка) на большое расстояние H может быть недопустимой из-за возникновения значительных усилий, перегружающих сверх допустимой нормы механизм вертикального перемещения вальцев. Это может вызвать поломку станка. В аналогичной ситуации перегрузки при этом оказаться может и привод вращения роликов (валков)!
3. Концы заготовки, если их предварительно не подогнуть, например, на прессе, останутся прямолинейными участками при гибке на трехвалковых вальцах! Длина прямолинейных участков L чуть больше половины расстояния между нижними роликами А /2.
4. При движении среднего ролика (валка) вниз в сечении заготовки, подверженном изгибу, постепенно нарастают нормальные напряжения, которые вызывают вначале пружинную деформацию. Как только напряжения в крайних верхних и нижних волокнах сечения достигнут предела текучести материала детали σт , начнется пластическая деформация – то есть начнется процесс гибки. Если средний ролик (валок) отвести обратно вверх до начала возникновения пластической деформации, то заготовка отпружинит следом и сохранит свое первоначальное прямолинейное состояние! Именно эффект обратного пружинения вынуждает увеличить размер вертикальной подачи H расч на величину x , так как участки заготовки отпружинивают и частично распрямляются, выходя из зоны гибки, расположенной между роликами (валками).
Мы нашли эту поправку x опытным путем. Обратное пружинение или остаточную кривизну детали можно рассчитать, но это непростая задача. Кроме величины предела текучести материала σт значимую роль при решении этого вопроса играет момент сопротивления изгибу поперечного сечения вальцуемого элемента Wx . А так как часто профили особенно из алюминиевых сплавов имеют весьма замысловатое поперечное сечение, то расчет момента сопротивления Wx выливается в отдельную непростую задачу. К тому же и фактическое значение предела текучести σт часто значительно колеблется даже у образцов, вырезанных для испытаний из одного и того же листа или одного и того же куска профиля.
В предложенной методике сделана попытка уйти от определения обратного пружинения «методом научного тыка». Для пластичных материалов, например алюминиевых сплавов, значение
Не забывайте подтвердить подписку кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (может прийти в папку « Спам» )!!!
С интересом прочту Ваши замечания и отвечу на Ваши вопросы, уважаемые читатели!!! Поделитесь результатами практических испытаний методики со мной и коллегами в комментариях к статье!
Прошу уважающих труд автора скачивать файл с расчетом после подписки на анонсы статей!
Аварийное устройство
Механизм регулировки зазора
Перемещение переднего валка осуществляется при передвижении корпуса подшипников в проемах станин машины. Механизм регулировки зазора представляет винтовую пару: гайка закреплена неподвижно в станине, а винт вращается электродвигателем через червячные передачи.
Винт упирается в предохранительную шайбу, которая находится в корпусе подшипника. Эта шайба разрушается в случае перегрузки вальцев распорным усилием.
Вальцевые машины относятся к оборудованию с повышенной опасностью обслуживания. Аварийное устройство вальцев включает в себя тросики, расположенные над валками. Один конец, троса жестко соединен с траверсой левой станины, а второй с рычагом выключателя. При нажиме на трос рычаг выключает электродвигатель.
Определение распорных усилий и полезно потребляемой мощности
Полная мощность потребляемая валками
Расчет производительности
Определение распорных усилий и полезно потребляемой мощности.
При вальцевании в рабочем зазоре возникают силы, которые стараются раздвинуть валки. Эти силы называются распорными. Их необходимо учитывать при расчете, иначе при чрезмерно больших усилиях возможна поломка вальцев.
Сложность явления вальцевания и недостаточная теоретическая изученность затрудняют расчет распорных усилий и потребляемой мощности. Данные величины можно определить двумя методами:
1. Обработкой опытных данных на основе теории подобии
2. Математическими анализом процесса при введении определенных допущений.
Для первого метода проводят опыты на модельной машине, получают распорные усилия и потребляемую мощность.
где: - диаметр валков; - величина зазора; - величина фрикции; - удельный вес смеси; L - длина валка; - угловая скорость быстроходного валка; - конечная пластичность материала
- опытные коэффициенты, которые для некоторых материалов приведены в справочниках.
По второму методу простые математические зависимости получаются при введении следующих допущений:
1. Эффективная вязкость (средняя) смеси не изменяется
2. Режим течения смеси в зазоре минимальный – ламинарный
3. Материал прилипает к поверхности валков и скорость слоев у поверхности равна скорости движении валка (U=V)
4. Инерционные силы малы
5. Течение материала одномерно (в зазор)
6. Скорость смеси не меняется по вертикали
7. Давление на входе и выходе материала в валки равно нулю
8. Давление в плоскостях, параллельных осям валков, не меняется.
Тогда уравнение движения вязкой жидкости (Навье-Стокса) имеет вид:
, (6.3)
При интегрировании данного уравнения и учитывая допущения получено выражения для распорного усилия :
, (6.4)
где: - величина фрикции; - эффективная вязкость; - скорость переднего валка; - радиус валка; - длина валка; - зазор между валками.
Момент потребляемый валками равен сумме крутящих моментов:
, (6.5)
- крутящие моменты быстроходного и тихоходного валков.
Полная мощность потребляемая валками.
Она рассчитывается по формуле:
(6.8)
где: - необходимый полный крутящий момент.
где: - момент холостого хода; - момент дополнительных сил трения.
, (6.10)
где: - радиальная нагрузка на цапфу; - коэффициент трения подшипника; - диаметр цапфы; - передаточное число трансмиссии и фрикционной пары; - общий К.П.Д. трансмиссии и фрикционной пары;
Момент дополнительных сил равен:
, (6.11)
где: - распорное усилие на валки.
Расчет производительности.
Валковые машины работают по схемам однократного и многократного пропуска перерабатываемого материала через зазор. Для однократного прохождения материала через вальцы производительность определяется по формуле:
, (6.12)
где: - единовременной загрузки; - коэффициент использования машины (0.85 - 0.9). - удельный вес материла; - продолжительность цикла;
где: - диаметр переднего валка; - длина бочки валка.
Время цикла определяется по формуле:
, (6.14)
где: - время загрузки и выгрузки; - технологическое время работы. Это время определяется экспериментально.
Необходимо отметить, что существует и другие расчета зависимости при определении производительности вальцев.
Тепловой расчет вальцев.
При переработке материала в зазоре валков выделяется большое количество тепла и в результате этого повышается температура как рабочей поверхности валков, так и перерабатываемой смеси. Для предотвращения нежелательных температурных изменений (подвулканизация и т.п.) предусматривается специальное охлаждение валков. Количество тепла выделяемого при переработке можно определить по мощности потребляемой вальцами, с учетом КПД всех передач и цапф.
Это тепло расходуется на нагревание обрабатываемой смеси , на потери в окружающую среду и на нагрев охлаждающей водой .
, (6.16)
где: - производительность валка; - удельная теплоемкость; - конечная и начальная температура смеси.
Потери тепла в окружающую среду , складывается из потерь тепла конвекцией и лучеиспусканием .
, (6.18)
где: - температура валка и окружающего воздуха, ° С; - абсолютная температура валка и воздуха, ° К; - общий коэффициент излучения (зависит от излучения валка, окружающей среды и абсолютно черного тела); - поверхность теплоотдачи и излучения; - коэффициент теплоотдачи (для неподвижного воздуха).
, (6.19)
где: - диаметр валка.
Количество тепла уносимого охлаждающей водой:
, (6.20)
- Вальцы состоят из 2 или 3 параллельно расположенных полых валков, вращающихся навстречу друг другу.
- Применяются для пластикации каучука, приготовления резиновых смесей, разогрева их перед каландрованием или шприцеванием, а также в производстве регенерата.
Современные вальцы имеют измерительные приборы и вспомогательные устройства, но имеют и серьезные недостатки: низкая производительность, отсутствие герметичности, опасность при обслуживании. Вальцы вытесняются закрытыми машинами.
- Классификация по функциональному назначению.
Вальцы дробильные (Др.) – для дробления старой резины. Вальцы подогревательные (Пд.) – для увеличения пластичности и подогрева резиновых смесей. Вальцы промывочные (Пр.) – для промывки каучука водой. Вальцы размалывающие (Рз.) – для размола резиновых отходов. Вальцы рафинирующие (Рф.) – для очистки регенерата и резиновых смесей от посторонних включений. Вальцы смесительные (См.) – для смешения каучука с различными ингредиентами, для приготовления и листования резиновых смесей. Вальцы смесительно-подогревательные (См.-Пд.) – для пластикации каучука, смешения его с различными ингредиентами и подогрева резиновых смесей. Вальцы лабораторные (Лб.) – для производства лабораторных работ.
- Классификация по конструктивным признакам
По размерам валков и скорости их вращения: производственные – легкого типа D / L : 300/800; 500/800, среднего типа D / L : 550/1500, тяжелого типа D / L : 660/2100; лабораторные.
По числу валков: 2 и 3 (Рф.).
По типу привода: индивидуальный, сдвоенный и групповой (3, 4, реже 5).
По величине фрикции (отношение скорости вращения заднего валка к переднему): Др. – 2.55, 3.08, 3.25; Пд. – 1.22, 1.25, 1.27, 1.28, 1.29; Пр. – 1.39; Рз. – 4.00; Рф. – 2.55; См. – 1.07, 1.08, 1.11, 1.27; См.-Пд. – 1.14; Лб. – 1-4. Обозначение фрикции: 1:1.22.
- Условное обозначение содержит наименование, длину и диаметры валков (переднего и заднего), расположение привода (правое – П, посередине – С, левое – Л) и ГОСТ. Вальцы Лб 100 50/50 П ГОСТ…; Вальцы Лб 200 100/100 ГОСТ… с индивидуальным приводом на каждый валок; Вальцы См 2100 660/660 Л ГОСТ…; Вальцы См 2100 660/660 Л с переключением фрикции ГОСТ…; Агрегат вальцов Рф 800 490/610 С 2 ГОСТ…
1.3.2. Схема работы вальцов.
Обрабатываемый материал (каучук или резиновая смесь) в виде кусков или пластин загружают и многократно пропускают через зазор между валками.
Материал втягивается в зазор под действием сил трения и в результате сцепления между материалом и поверхностью авлков.
Степень деформации и степень захвата материала определяется углом захвата =10-45 о. Дуга, стягивающая этот угол, называется дугой захвата. Втягивающая сила Р>0 , если > ; – угол трения; = tg – коэффициент трения.
При работе реализуются деформации сдвига и среза; в зоне зазора всегда имеется запас материала.
После выхода из зазора смесь отклоняется к переднему валку, т.к. он вращается медленнее заднего; это обусловлено еще и соображениями техники безопасности. Образовавшийся на переднем валке слой смеси называют шкуркой или шубой.
Зазор регулируется в пределах до 10-12 мм.
Чем больше фрикция, тем более интенсивно происходит перемешивание и тем больше температура.
То же относится и к скорости, которая находится в интервале 35-40 м/мин. Увеличение скорости лимитируется соображениями техники безопасности.
1.3.3. Устройство вальцов.
Два полых валка вращаются навстречу друг другу в подшипниках качения, установленных в станинах, которые стянуты траверсами.
Траверсы образуют прямоугольные окна, в которых установлены корпуса подшипников валков.
Станины установлены на фундаментной плите.
Для измерения величины зазора между валками корпуса подшипников переднего вала могут перемещаться по направляющим вдоль станины. Перемещение осуществляется нажимным винтом с помощью механизма регулировки зазора.
– Механизм приводится в действие вручную маховиком или рукояткой или от электродвигателя.
Нажимной винт упирается в корпус подшипника переднего валка через предохранительную шайбу, которая пробивается при увеличении распорных усилий.
При большом отодвигании или сдвигании валков срабатывают концевые выключатели.
В станинах есть диски, указывающие величину зазора.
Имеются ограничительные стрелки, чтобы не засорять подшипники.
Двигатель передает усилие через приводные и фрикционные шестерни.
Смазка осуществляется вручную или насосом от масляной станции, что проще.
Имеется аварийный останов, прекращающий подачу электричества в двигатель. После его срабатывания валки проходят четверть оборота при незагруженных вальцах и останавливаются мгновенно – при загруженных.
1.3.4. Основные узлы.
- Фундаментная плита – чугунная отливка с усилением ребрами жесткости, 3.5 т.
Можно делать из железобетона с каркасом из арматурной стали (10-12% по массе).
- Станина – стальная, состоит из двух частей – собственно станины и траверсы – верхней части, 800-1350 кг. Должна быть рассчитана на распорное усилие 14 кН на 1 см длины рабочей части валка.
- Валки – основной узел – отливается в кокиль из чугуна, с поверхности отбеливается на глубину 8-25 мм.
Бочки, в основном, цилиндрические, Рафинирующие вальцы имеют бомбировку. Передний (диаметр 490 мм) – 0.151 мм, задний (диаметр 610 мм) – 0.075 мм.
Дробильные и промывочные вальцы имеют рифленую поверхность (рифление под углом 4-15 о к продольной оси).
Охлаждение валков – обычно температура валков должна быть ~60 о С. Температура воды не более 12-14 о С. Летом водопроводную воду надо охлаждать.
При пластикации НК и при переработке смесей на его основе Температура переднего валка должна быть на 5-10 град. Меньше температуры заднего – тогда смесь пойдет на передний валок.
При обработке смесей из СК Температура переднего валка должна быть на 5-10 град. Больше температуры заднего.
Два способа охлаждения – заполнение валка водой и периодическая ее замена -–открытый способ. С помощью разбрызгивающих устройств на расстоянии 150-200 мм друг от друга.
Расход воды 1.2-2ю5 м 3 /час – малые, 5-12 – средние, 8-18 – большие.
Есть конструкции с охлаждением подшипников.
- Механизм регулировки зазора. Зазор 0.05-12 мм. Нажимной винт вращается в стальной гайке, закрепленной в станине. Обратный ход может осуществляться электродвигателем или за счет распорных усилий.
- Ножи (их два) монтируются в каретке и могут перемещаться вдоль валка.
- Устройства для перемешивания и охлаждения смеси. Смесь срезается с переднего валка и заправляется в зазор между охлаждающим барабаном и прижимным роликом и снова направляется в зазор – она перемешивается, интенсивно перемещаясь по длине с помощью специальных роликов и каретки – сток-блендерс. Такая система применяется для доработки резиновых смесей после РС.
- Особенности различных типов вальцов. Рф (рафинирующие) брекер-вальцы – для предварительной очистки, рефайнер-вальцы – для окончательной очистки. Съем смеси осуществляется с заднего валка с закаткой в рулоны. Поверхность гладкая бочкообравзная, включения уходят на кромки. Различные диаметры валков. Фрикция 1:2.55. Др (дробильные) – размеры бочек и фрикция как у Рф. Пр (промывочные) – рифленая поверхность, но одинаковые диаметры валков.
1.3.5. Распределение напряжений в материале в зазоре между валками.
- Допущения: ламинарный режим течения, условие прилипания, ньютоновская жидкость.
Уравнение Навье-Стокса.
Существует 2 принципиально различные области течения . До границы двух зон (выше) имеет место поступательное и встречное течение; ниже – только поступательное. Между этой границей т самым узким сечением – пробковый режим течения – силы, возникающие вследствие гидростатического давления и действующие с одной стороны сечения, уравновешиваются силами, действующими с другой стороны сечения.
Напряжение сдвига в этом сечении равно нулю, а давление максимально – материал движется как твердая пробка без деформации.
- Распределение температур в валковом зазоре. Два пика вблизи поверхностей, обусловленные наличием охлаждения.
1.3.6. Распорные усилия.
- На основе закономерностей пластической деформации материала между валками.
Распорное усилие – величина силы, стремящейся раздвинуть валки при прохождении между ними деформируемого материала.
|
|
,где – относительное уширение материала, = b к / b н (можно считать =1), b н – начальная ширина, b к – конечная ширина, k – эмпирический коэффициент, Т – предел текучести вальцуемого материала, h нс –толщина нейтрального слоя, h нс (h н h к ) ½ , h н и h к – толщина материала до и после вальцевания, = / lg ( /2) , – коэффициент трения, – угол захвата, R – радиус валка, см, h =2 R (1- cos ) – линейное обжатие.
- На основе закономерностей упругой деформации.
|
|
,где E – модуль упругости.
При этом силы трения не учитываются, после прохода через зазор толщина восстанавливается.
- На основе гидродинамической теории вальцевания.
Распорное усилие разбивается на две составляющие: 1) направленное против вектора скорости вращения (горизонтальная составляющая), 2) направленное в сторону вектора скорости (вертикальная составляющая)
|
| |||
|
|
|
|
|
,
где Т – сила трения, l –длина дуги захвата, f – фрикция, v 1 , v 2 – линейная скорость переднего и заднего валка, L – длина валка, В 1,2 – коэффициенты, n – реологический коэффициент/
Если P 1 и P 2 известны, то координату точки приложения равнодействующей можно определить как
где эф – коэффициент эффективной вязкости, h к – минимальный зазор.
Для ориентировочных расчетов P = qL , q = 400 кН/м (для НК), для наполненных смесей q = 600-1100 кН/м.
Методика, основанная на теории подобия.
|
| |
|
| |
|
|
Н
Н
Нгде В=( h н – h 2 )/( h н - h 1 ) – восстанавливаемость, М=( h н – h 1 )/( h н + h 1 ) – мягкость, h н – первоначальная высота образца, h 1 – высота под нагрузкой, h 2 – высота после разгрузки, Пл к – конечная пластичность
Значения коэффициентов:
Например, для СКН-40:
Р=18059860.66 1.4 2.1 0.7 0.002 0.1 0.48 –0.4 =1.22 МН=122 т.
1.3.7. Потребляемая мощность.
- Методика, основанная на теории пластической или упругой деформации.
|
|
кВтгде М – момент сопротивления вращению валков, Нм, М=М р +М тр, М р – момент для преодоления сопротивления деформации материала, М р = PDsin ( /2) , P – распорное усилие, – угол захвата, М тр – момент сопротивления трению в подшипниках с учетом силы тяжести валков и распорных усилий, М тр = ( P + G в ) d , – коэффициент трения в подшипниках, G в – сила тяжести вала, d – диаметр цапфы валка, n – средняя скорость вращения валков, – КПД зубчатой пары.
- Методика, основанная на гидродинамической теории вальцевания.
где – окружная скорость быстроходного валка, с –1 .
Значения коэффициентов:
Например, для СКН-40:
N=0.069861.8750.66 2 2.1 0. 6 0.002 0.1 0.48 –0. 7 1.22 –0.25 =65 кВт.
1.3.8. Привод.
Вальцы могут иметь индивидуальный привод, спаренный и групповой.
Привод может располагаться с правой и с левой стороны от рабочего места.
В начале цикла обработки мощность в 1.5-2 раза больше мощности, потребляемой вальцами. Поэтому мощность электродвигателя надо выбирать с учетом этой пиковой нагрузки.
При индивидуальном приводе устанавливают синхронный двигатель, который при недогрузке может работать как компенсатор и улучшать cos.
Может быть отдельный двигатель на каждый валок (в лабораторных вальцах).
Для соединения выходного вала редуктора с трансмиссионным валом используются муфты , они допускают некоторый перекос соединяемых валов, обеспечивают эластичность передачи. Применяют зубчатую муфту Фаста, пальцевую муфту Франке, пружинную муфту Биби.
Могут быть и резиновые, и резино-пневматические муфты, обеспечивающие плавную работу привода и некоторую несоосность осей.
Для вальцов с большим раздвигом валков и при больших распорных усилиях используют блок-редуктор (до 20 кН/см). В нем размещаются приводные и фрикционные шестерни. Блок-редуктор соединен двумя выходными валами через универсальные шарнирные устройства с валками вальцов.
Стоимость блок-редуктора гораздо больше, но он имеет много преимуществ – шестерни и подшипники работают в более благоприятных условиях.
1.3.9. Особенности монтажа.
Раньше вальцы устанавливали на специальном фундаменте и закрепляли фундаментными болтами.
Вибрации передаются конструктивным элементам здания.
Перенос вальцов с одного места на другое связан с большим объемом строительных работ
Применяют виброизолирующие опоры – без специального фундамента и болтов.
1.3.10. Выбор вальцов.
Подогревательные вальцы в индивидуальном исполнении имеют мощность двигателя 180 кВт, а агрегат 320 кВт. Экономия 40 кВт.
В групповом приводе нагрузку вальцов можно сделать более равномерной. Всякая перегрузка нежелательна.
Нельзя загружать сразу несколько вальцов при групповом приводе.
Двигатели должны быть в пылезащитном исполнении.
Для снижения пиковых нагрузок используют предварительный подогрев (в горячей воде) для жестких смесей (протекторы, катки и др.).
1.3.11. Производительность вальцов.
- Периодический режим.
|
|
кг/час,где V –литражная емкость или объем единовременной загрузки, в литрах: V =(0.0065-0.0085) D 1 L , D 1 – диаметр переднего валка, см, L – его длина, см, – плотность кг/дм 3 , –коэффициент использования машинного времени (0.85-0.9), t ц = t 1 + t 2 + t 3 – время цикла (загрузка, пластикация, выгрузка) в мин.
При пластикации каучука:
|
|
мин,где Пл – изменение пластичности по Карреру, i – зазор, см, u – окружная скорость быстроходного валка, м/мин, f – фрикция, A , n , m – коэффициенты.
Значения коэффициентов:
В запасе находится при вальцевании приблизительно столько же смеси, сколько на валке.
- Непрерывный режим.
где 0.75 – коэффициент заполнения канавок рифления обрабатываемым материалом, F – площадь сечения канавки, м 2 , l – шаг рифления, т.е. расстояние между соседними канавками, м, k =1 или 2 в зависимости от того, сколько валков с рифлениями.
1.3.12. Система охлаждения.
Система охлаждения бывает закрытой (сейчас не применяется) и открытой. Преимущество последней – высокие значения коэффициента теплоотдачи в тонких струйках из форсунок (малый диаметр струю, высокая скорость, большое значение критерия Рейнольдса) и из-за частичного испарения воды при контакте с горячими стенками.
- Тепловой баланс.
где Q 1 = N t ц – тепло, выделяющееся за счет внутреннего трения в материале, кДж, N – мощность двигателя, кВт; – КПД привода, t ц – время цикла, с; Q 2 – дополнительно подводимое тепло, кДж; Q 2 = m h t ц – с паром, m – расход пара, кг/с, h – изменение энтальпии пара, кДж/кг; Q 3 = GC Tt ц – тепло, пошедшее на нагрев резиновой смеси, кДж, G – производительность вальцов, кг/с, С – теплоемкость резиновой смеси, кДж/(кгК), T – изменение температуры смеси, К; Q 4 = F ( T пов – T в )+с 0 F (( T пов /100) 4 –( T в /100) 4 ) – потери тепла в окружающую среду, слагающиеся из конвективных и лучистых (считается для каждого валка), кДж, – коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции от стенки вальцов к воздуху, кВт/(м 2 К), F – поверхность теплообмена, м 2 , T пов и T в – температура поверхности валка и окружающего воздуха, соответственно, К, с 0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, с 0 =5.6710 -3 кВт/(м 2 К 4), – степень черноты; Q 5 = m в С в T в t ц – тепло, унесенное охлаждающей водой, кДж, m в – расход воды, кг/с, С в =4.2 кДж/(кгК) – теплоемкость воды, T в – изменение температуры воды, К.
1.3.13. Установки для приема и охлаждения ленты резиновой смеси.
- Фестонного типа. Лента срезается с вальцов или ЧМ с листовальной головкой, проходит ванну с каолиновой суспензией и подается в фестонообразователь. Фестон получается в результате прижатия ленты резиновой смеси к штанге конвейера рычагом, который приводится в действие пневмоцилиндром. Как только образуется фестон, рычаг перемещается на один шаг. Далее смесь поступает в камеру, охлаждаемую воздухом с помощью вентилятора. Размер камеры рассчитан на 4 беча. Охлажденные фестоны подаются к узлу укладки, где лента разрезается на листы заданной длины, которые подаются на поддоны, установленные на весах.
Недостаток этой системы – громоздкая, нет возможности закатывать смесь в бабины для последующей подачи к ЧМ. Последний недостаток устранен на некоторых конструкциях (фирма "Пирелли").
В новых системах лента шириной 0.6 м срезается с вальцов, обрабатывается водной каолиновой суспензией, затем разрезается надвое вдоль дисковым ножом. Затем охлаждается вентиляторами. Скорость движения – 8-38 м/мин, количество вентиляторов 4-7. Дольше режется на ленты или закатывается в бобины. Существуют такие установки частично вертикального типа, весьма компактные
- Ленточного типа. При поточном производстве лента с вальцов идет на каландры или ЧМ по ленточному транспортеру без дополнительного охлаждения. Предварительно она разрезаются на узкую ленту вдоль или поперек (не до конца).