CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ DÀN NẮN THẲNG THÉP CUỘN
3.2. Thiết kế dàn nắn tinh
3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của dàn nắn
- Quá trình nắn phải liên tục.
- Có khả năng nắn thép có độ dày: 0.3 - 3mm. - Tốc độ nắn lớn nhất: 80m/phút.
- Độ phẳng sau khi nắn: ±5mm/1000 dài và rộng.
3.2.2 Sơ đồ dàn nắn a. Sơ đồ dàn nắn:
Hình 3.3a: Sơ đồ dàn nắn (mặt trước)
Hình 3.3b: Sơ đồ dàn nắn (mặt trên)
1: Cơ cấu điều chỉnh khe hở giữa hai dàn nắn
2: Dàn nắn dưới 6: Động cơ
3: Dàn nắn trên 7: Bộ truyền đai
4: Bàn dẫn hướng 8: Hộp chia moment
5: Xi lanh nâng hạ bàn dẫn hướng 9: Trục nắn dưới
b. Giải thích sơ đồ:
Thép cuộn đi ra từ cụm xả sẽ trượt trên bàn dẫn hướng (4) đi vào dàn nắn, lúc này khoảng cách giữa dàn nắn là lớn nhất. Sau khi phôi đi qua 2 – 3 cặp con lăn nắn ta sẽ điều chỉnh dàn nắn dưới (2) đi lên thông qua cơ cấu điều chỉnh (1) để đạt được khe hở và góc nghiêng so với dàn nắn trên (3) thích hợp. Trị số khe hở và góc nghiêng này tùy thuộc
99
vào từng loại thép và bề dày của thép. Tiếp theo ta cho động cơ hoạt động, thông qua hộp chia moment truyền động cho các trục nắn trên và dưới, bắt đầu quá trình nắn.
3.2.3. Các phương án bố trí con lăn 3.2.3.1. Phương án 1:
Hình 3.4: Phương án 1
1. Con lăn nắn 2. Cụm con lăn nắn 3. Con lăn đỡ
Nguyên lý hoạt động: thép từ cuộn xả, qua cặp trục kéo đưa vào máy nắn thẳng.
Dàn con lăn dưới đứng yên, các cụm con lăn của dàn con lăn trên có thể dịch chuyển lên xuống độc lập với nhau để điều chỉnh khe hở giữa cụm con lăn trên và dàn con lăn dưới nắn thẳng tấm thép.
- Ưu điểm:
Năng suất cao
Phù hợp với dây chuyền sản xuất liên tục.
Có thể điều chỉnh độ nắn để phù hợp với từng loại thép. - Nhược điểm:
Kết cấu phức tạp, kích thước lớn.
Khoảng các giữa các con lăn lớn, do đó chất lượng nắn thấp.
Nguyên lý hoạt động: thép từ cuộn xả, qua cặp trục kéo đưa vào máy nắn thẳng.
Dàn con lăn trên và dưới có thể dịch chuyển tương đối với nhau để điều chỉnh khe hở giữa 2 dàn con lăn.
Hình 3.5: Phương án 2
- Ưu điểm:
Năng suất cao
Phù hợp với dây chuyền sản xuất liên tục.
Có thể điều chỉnh độ nắn để phù hợp với từng loại thép dể dàng. Chất lượng nắn tốt hơn phương án 1
- Nhược điểm:
Giá thành chế tạo cao.
Không điều chỉnh được góc nghiêng giữa 2 dàn con lăn, do đó chỉ thích hợp cán những loại thép dày (hơn 4mm).
3.2.3.3. Phương án 3:
Nguyên lý hoạt động: tương tự như phương án 2, nhưng ở đây dàn con lăn trên
đứng yên, dàn dưới dịch chuyển lên xuống với đầu vào và đầu ra có thể dịch chuyển độc lập với nhau để tạo góc nghiêng giữa 2 dàn con lăn.
- Ưu điểm:
Năng suất cao
Phù hợp với dây chuyền sản xuất liên tục.
Có thể điều chỉnh độ nắn để phù hợp với từng loại thép dể dàng. Chất lượng nắn tốt hơn phương án 2
- Nhược điểm:
Giá thành chế tạo cao.
Lựa chọn các phương án thiết kế:
Qua 3 phương án nêu trên, phương án 3 phù hợp với dây chuyền sản xuất liên tục, cho năng suất cao, chất lượng nắn tốt, phù hợp với các yêu cầu kĩ thuật đặt ra. Do đó ta chọn phương án 3 làm phương án thiết kế.
3.2.4 Tính toán thiết kế các chi tiết trên dàn nắn 3.2.4.1 Tính toán thiết kế hệ thống con lăn nắn: 3.2.4.1.1 Chọn vật liệu chế tạo con lăn:
Theo [2], trang 101, ta chọn số con lăn: n = 19 (đối với thép mỏng, bề dày S ≤ 4)
Chọn vật liệu con lăn nắn là thép C45 tôi cải thiện, theo [5], trang 302, ta có: Giới hạn bền:
Giới hạn chảy:
Thực nghiệm cho thấy rằng khi nắn thép tấm thì sự nắn chỉ thực sự xảy ra từ con lăn thứ hai trở đi, và lực nắn lớn nhất là lực trên trục con lăn thứ 3. Do đó, ta chỉ tính toán cho trục nắn thứ 3.
Hình 3.7 Biểu đồ moment và lực nắn trên 5 con lăn đầu tiên
Theo công thức (6.46), [3], trang 215, lực nắn tác dụng lên con lăn thứ 3:
: giới hạn chảy của vật liệu nắn
Chọn vật liệu nắn là thép C45, theo bảng (6.1), [6], trang 92, ta có: =340 MPa
b: khổ rộng vật liệu cán, b = 1600 mm h: bề dày vật liệu cán h = 3
t: bước con lăn cán, theo [4], trang 187, ta có t = 1,1D
3.2.4.1.3 Tính đường kính con lăn nắn:
P4 4 P 2 P 1 P 5 P 3
Xác định đường kính con lăn nắn theo độ võng cho phép của trục nắn: ymax ≤ [y], trong đó [y] = 0,1.h = 0,1.3 = 0,3 (mm)
Hình 3.8: Biểu đồ lực tác dụng lên trục nắn 3
Theo [5], trang 185, ta có:
q: lực phân bố đều tác dụng lên trục nắn.
L = 2000 mm E = 2.105
Đường kính trục nắn quá lớn, không thích hợp cho nắn tinh. Để giảm đường kính trục nắn ta dùng các con lăn đỡ.
Hình 3.9: Mô hình lực tác dụng lên trục nắn 3 và con lăn đỡ
Theo [2], trang 103, ta chọn đường kính con lăn đỡ: Dt = D
Hình 3.10: Mô hình lực tác dụng lên trục đỡ
Theo [5], trang 185:
L = 400 mm
Chọn D = 60 mm.
3.2.4.1.4 Tính toán đường kính đầu nối và cổ trục nắn:
Tại đầu nối trục và cổ trục nắn chỉ chịu moment xoắn, theo công thức (9.5), [5], trang 215, ta chọn đường kính cổ trục sao cho:
Mz: Moment trên trục xoắn
: Moment chống xoắn của trực nắn,
: Ứng suất tiếp cho phép của vật liệu làm trục nắn.
Theo (9.9), [5], trang 216:
: Ứng suất pháp cho phép của vật liệu làm trục nắn. Theo [1], trang 103, ta có: = 120 MPa
Hình 3.11: Mô hình sơ đồ lực tác dụng lên con lăn
Điều kiện của moment M để con lăn có thể quay quanh trục: M3 > Mmsl
Mmsl: moment ma sát lăn.
Mmsl = k1.N3
k1: hệ số ma sát lăn.
Theo [4], trang 191, chọn k1 = 0,05 N3: Phản lực tác dụng lên con lăn.
Điều kiện của moment M để con lăn lăn không trượt: Fms3 < Fmsgh
Fms3: Lực ma sát giữa con lăn nắn 3 và tấm nắn.
Fmsgh: Lực ma sát giới hạn Fmsgh = k.N3
k: hệ số ma sát giữa con lăn và tấm thép. Theo bảng (5.1), [1], ta có: k = 0,1
Suy ra: 925 < M3 < 55,8.103 Vậy ta được: Chọn d = 30 mm 3.2.4.1.5 Kết cấu trục nắn và trục đỡ: Hình 3.12 Kết cấu trục nắn và trục đỡ 3.2.4.1.6 Kiểm bền trục nắn và trục đỡ
Tại thân trục chịu uốn xoắn đồng thời. Theo thuyết bền 3:
Vậy thân trục nắn đủ bền.
3.2.4.2 Công suất máy nắn:
Theo (6.45), [3], trang 215, lực nắn tổng tác dụng lên dàn con lăn trên và dưới:
n : Số con lăn nắn, n = 19
: Giới hạn chảy của vật liệu nắn, = 340 MPa b : Khổ rộng của vật liệu nắn, b = 1600 mm h : Bề dày của vật liệu nắn, h = 3 mm
Lực tác dụng lên dàn nắn trên và dàn nắn dưới là bằng nhau và bằng:
Theo công thức (6.47), [3], trang 215:
= 340 (MPa), ứng suất chảy của vật liệu tấm nắn E = 2.105 (N/mm2)
k: hệ số biến dạng vật liệu, theo [1], trang 191, ta có:
b = 1600 mm, khổ rộng vật liệu cán. h = 3 mm, bề dày vật liệu cán. v: vận tốc góc của trục nắn.
v = 80 m/phút = 1,33m/s => n = 215 vòng/phút => ω = 22,51 rad/s Nô: công suất ma sát trong ổ đỡ.
P = 740.103 N = 140 kN, lực nắn cần thiết. f = 0,1
Nl: công suất lắc lư.
m: cánh tay đòn. m = 1mm
3.2.4.3 Thiết kế khung máy:
Chọn kết cấu khung máy là kết cấu hàn (khung hàn), được hàn từ các loại thép tấm (như hình 3.13)
Khung máy gồm có 2 phần chính:
Khung trên gồm có tấm đỡ trên (3), được hàn chặt vào 4 tấm thân máy (4). Dàn con lăn trên được gắn vào tấm đỡ trên nhờ vít.
Khung dưới gồm có tấm đỡ dưới (2) có thể trượt lên xuống trong thân máy thông qua việc điều chỉnh trục (1).
Hình 3.13b: Kết cấu khung máy
1: Trục nâng hạ dàn con lăn dưới 5: Gối đỡ dàn con lăn trên
2: Tấm đỡ dưới 6: Gối đỡ dàn con lăn dưới
3: Tấm đỡ trên 7: Thân dưới
Để đơn giản về mặt tính toán, ta chọn kết cấu chịu lực tương đương với kết cấu máy như
hình 3.14:
Hình 3.14: Kết cấu tương đương với kết cấu máy
Tính toán khung máy ta cần xác định các thông số sau: Bề dày của tấm 2, tấm 3, tấm 4.
Đường kính của trục 1
Chiều dài của trục 1, chiều cao của thân máy trên và thân máy dưới để đảm bảo tính ổn định khi làm việc.
3.2.4.3.1 Xét tấm đỡ dưới 2
Hình 3.16: Biểu đồ lực và moment uốn trên khung đỡ dưới
Lực nắn tác dụng lên tất cả các con lăn nên lực tác dụng lên tấm đỡ trên và tấm đỡ dưới có thể xem như lực phân bố đều.
Theo [5], ta được: MA = MC = ql2/2
Mmax = MC = 124,63.106 (N.mm)
[σ]: Ứng suất cho phép của vật liệu làm tấm đỡ.
Chọn vật liệu tấm đỡ là thép C45, [σ] = [σs]/n = 340/2 = 170 Mpa
Chọn t = 50 mm
3.2.4.3.2 Xét tấm đỡ trên 3
Hình 3.17: Biểu đồ lực và moment trên khung trên
Tính tương tự như phần 4.5.3.1 ta cũng chọn được t = 50 mm
3.2.4.3.3 Xét trục 1
Theo (3.16), [5], trang 59, ta có:
F: Diện tích mặt cắt ngang của trục.
Nz: Lực dọc trục.
[σ]: ứng suất cho phép.
Đối với vật liệu dẻo, thép C45, [σ] = σs/n = 340/2 = 170 (MPa)
Chọn D = 50 mm
3.2.4.3.3 Tính chiều cao thân máy
E: Mô đun đàn hồi của vật liệu, E = 2.105 N/mm2 Ix: Moment quán tính, Ix = 0,1.D4 = 625.103 (mm4) P: Lực nắn lớn nhất, P = 0,294.106 (N)
Chọn l = 1000 mm
3.2.4.4 Tính toán thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng nắn: 3.2.4.4.1 Yêu cầu kỹ thuật:
Độ nắn được điều chỉnh bắng cách thay đổi khoảng cách tâm giữa dàn con lăn nắn trên và dưới. Khoảng cách tâm được điều chỉnh bằng cơ cấu nâng hạ khung đỡ con lăn dưới. Cơ cấu nâng hạ phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
Điều chỉnh lượng nắn dể dàng. Hoạt động chính xác.
Di chuyển độc lập ở đầu ra và đầu vào trong một phạm vi nhất định để điều chỉnh góc nghiêng của dàn con lăn dưới.
3.2.4.4.2 Các phương án thiết kế: Phương án 1: dùng xylanh
Hình 3.18: Cơ cấu nâng hạ bằng xylanh
- Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản.
Nâng hạ nhanh, dễ dàng. - Nhược điểm:
Không thể nâng hạ một cách chính xác, đặc biệt là khi nâng hạ một khoảng cách nhỏ.
Hình 3.19: Cơ cấu nâng hạ bằng vít me – đai ốc
- Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản dễ chế tạo, nhỏ gọn. Khả năng tải lớn.
Độ tin cậy cao Có khả năng tự hãm
- Nhược điểm:
Ma sát lớn, ren mòn nhanh. Hiệu suất thấp.
3.2.4.4.3 Lựa chọn các phương án thiết kế:
Với những ưu điểm phù hợp với yêu cầu thiết kế nên phương án 2 là phương án được chọn để thiết kế.
3.2.4.4.4 Tính toán bộ truyền Trục vít – Bánh vít:
a) Chọn Trục vít – Bánh vít:
Theo mục 3.2.4.3.3 trang 42, ta có:
- Lực nâng cần thiết của hộp trục vít – Bánh vít: 294 kN - Đường kính cần thiết của trục nâng D = 50 mm
Theo [10], trang 2, ta chọn ta chọn bộ truyền trục vít – bánh vít PEI GONG PT – 15, có các thông số như sau:
I.H: Input HP, công suất đầu vào: 0.7 HP ≈ 522 W L.L: Lifting load, lực nâng: 1300 kg
L.S: Lifting speed, vận tốc nâng: 225 mm/phút
Tỉ số truyền : 1/32
b) Chọn động cơ cho bộ truyền Trục vít – Bánh vít:
Từ những yêu cầu ở mục a, tham khảo tài liệu [17], ta chọn động cơ AEEV 380V/3∅/50Hz có thông số như sau:
- Công suất: 4 HP