ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНО-РАЗГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ Российский патент 1994 года по МПК B21B33/00 

Изобретение относится к области прокатного производства и может быть использовано для защиты рабочих клетей от технологических перегрузок.

Известно предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети, содержащее пуансон и корпус, образующие рабочую полость, заполненную легкоплавким материалом, а также дополнительную полость, огражденную от рабочей полости разрывным стаканом (1).

Наиболее близким к описываемому является предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети, включающее пуансон и корпус, образующие рабочую полость, заполненную материалом, передающим давление и связанную с дополнительной полостью сквозным отверстием, перекрытым срезным диском (2). При срабатывании устройства разрушенный стакан освобождает канал, связывающий рабочую и дополнительную полости, материал перетекает в дополнительную полость, обеспечивая перемещение прокатных валков и уменьшение действующей на них нагрузки. Для восстановления работоспособности устройства необходимо удалить остатки материала из рабочей и дополнительной полостей, установить разрывной стакан и заполнить рабочую полость новой порцией материала, что увеличивает трудоемкость и продолжительность восстановительных работ. Другим конструктивным недостатком этого устройства является увеличение его габаритов по высоте, связанное с размещением дополнительной полости. Это приводит к снижению жесткости прокатной клети, росту ее металлоемкости.

Задачей изобретения является создание предохранительного устройства с высокой точностью и плавностью срабатывания за счет снижения влияния концентрации напряжений на величину разрушающей нагрузки.

Для решения этой задачи в предохранительно-разгрузочном устройстве прокатной клети, включающем размещенные под нажимным средством пуансон и корпус, выполненный в виде основания и кольцевого бандажа с проточкой на внешней поверхности, образующие рабочую полость, заполненную эластомером, проточка выполнена в виде канавки, параллельной оси устройства, радиус проточки не менее толщины бандажа, в одном из вариантов решения проточка выполнена в виде отверстия, боковые отверстия которого параллельны продольной оси бандажа, а поперечное сечение образовано двумя дугами концентрических отверстий с центром, размещенным на продольной оси бандажа, и связанными между собой дугами с радиусом, равным половине разности радиусов дуг концентрических окружностей, причем расстояние между центрами дуг, связывающих дуги концентрических окружностей, не превышает толщины бандажа, в другом варианте решения проточка выполнена в виде нескольких сквозных отверстий равного диаметра, продольные оси которых параллельны продольной оси бандажа и размещены на дуге окружности с центром, расположенным на продольной оси бандажа, причем толщина перемычки между соседними отверстиями не превышает 0,1 d, где d - диаметр отверстий, а расстояние между осями крайних отверстий не превышает толщины бандажа.

В отличие от известных технических решений в описываемом предохранительно-разгрузочном устройстве прокатной клети комплекс отличительных признаков предусматривает три конструктивных варианта уменьшения влияния концентрации напряжений на величину предельной технологической нагрузки, превышение которой вызывает разрушение бандажа.

При испытаниях на растяжение пластин с проточкой, величина коэффициента концентрации напряжений тем меньше, чем больше радиус проточки, выполненной на внешней поверхности пластины. Лабораторные исследования показали, что параметром, определяющим влияние радиуса проточки на величину коэффициента концентрации напряжений в разрывном бандаже, является его толщина. Вне зависимости от величины диаметра бандажа проточка, выполненная на его внешней поверхности с радиусом не менее толщины бандажа, вызывает концентрацию напряжений, коэффициент которой не превышает 1,10. При этом в процессе разрыва на коротком участке длины бандажа, максимально ослабленном проточкой, наблюдается развитие пластических деформаций, характерных для разрыва гладкой пластины (явление текучести, местное сужение поперечного сечения), что свидетельствует о незначительном влиянии концентрации напряжений на напряженно-деформированное состояние бандажа в области его разрушения. И наоборот, при уменьшении радиуса проточки влияние концентрации напряжений резко увеличивается. Пластическая деформация в этом случае сосредоточена у поверхности проточки. Ее величина, предшествующая разрушению, крайне мала, а характер разрушения приближается к хрупкому. По этой причине срабатывание предохранительного устройства с бандажом, выполненным из пластичного материала с радиусом проточки менее толщины бандажа, сопровождается динамической нагрузкой на подшипниковые узлы прокатных валков и нажимное средство клети, а также снижает точность срабатывания устройства.

Второй конструктивный вариант, обеспечивающий снижение величины концентрации напряжений, заявлен признаком выполнения проточки в виде отверстия, боковые поверхности которого параллельны продольной оси бандажа, а поперечное сечение образовано двумя дугами концентрических окружностей с радиусом в центре, размещенном на продольной оси бандажа. Дуги связаны между собой дополнительными дугами радиусом, равным половине разности радиусов дуг концентрических окружностей. При этом бандаж в предполагаемом месте разрушения ослаблен отверстием, которое в поперечном сечении вытянуто вдоль стенки бандажа. Такая форма отверстия в сравнении с круглым отверстием приближает коэффициент концентрации напряжений к единице тем более, чем более вытянуто отверстие вдоль стенки бандажа. Однако при существенном удлинении отверстия теряется однозначность положения плоскости разрушения, а значительная пластическая деформация стенок отверстия, предшествующая их локальному утонению в месте разрыва бандажа, разгерметизирует рабочую полость устройства, заполненную эластомером. Поэтому оптимизирует размеры отверстия в бандаже рекомендуемое расстояние между центрами дуг, связывающих дуги концентрических окружностей, не превышающее толщины бандажа, при котором влияние концентрации напряжений ограничено коэффициентом 1,05-1,10, а пластическая вытяжка стенок отверстий не угрожает нормальному срабатыванию устройства.

Третий вариант выполнения проточки связан с упрощением технологии изготовления бандажа и заявлен признаком ее выполнения в виде нескольких сквозных отверстий равного диаметра, продольные оси которых параллельны продольной оси бандажа, причем толщина перемычки между соседними отверстиями не превышает 0,1 d, где d - диаметр отверстия. Как показали экспериментальные исследования, при реализации этого варианта проточки эффект снижения концентрации напряжений в бандаже приближается к тому эффекту, который обеспечивает отверстие, вытянутое вдоль стенок бандажа. Практически совпадающие результаты обнаружены в случае, когда толщина перемычки между соседними отверстиями не превышала 0,1 d. В противном случае с увеличением толщины перемычки концентрация напряжений резко возрастает. Во избежание эффекта значительных пластических деформаций бандажа, ведущих к разгерметизации рабочей полости устройства, рекомендован признак, ограничивающий расстояние между осями крайних отверстий толщиной бандажа.

На фиг. 1 представлена схема предохранительно-разгрузочного устройства с разрывным бандажом; на фиг. 2 - схема проточки, выполненной на внешней поверхности бандажа с радиусом, равным не менее его толщины; на фиг. 3 - один из частных случаев проточки на поверхности бандажа с бесконечно большим радиусом; на фиг. 4 - схема проточки, выполненной в бандаже в виде отверстия, вытянутого в поперечном сечении вдоль стенки бандажа; на фиг. 5 - схема проточки, выполненной в бандаже в виде нескольких сквозных отверстий, разделенных тонкой перемычкой.

Предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети размещено под нажимным средством 1 (фиг. 1) и включает пуансон 2, основание 3, опирающееся на подушку 4 прокатного валка, а также кольцевой бандаж 5, установленный с охватом пуансона и основания. В свою очередь пуансон 2, основание 3 и бандаж 5 образуют рабочую полость устройства, заполненную эластомером 6. В рабочей полости размещен ограничитель перемещений 7, выполненный в виде жесткого цилиндра, связанного с пуансоном 2. Свободный конец цилиндра входит в сквозное цилиндрическое отверстие 8, выполненное в основании 3 устройства с диаметром d_o, равным диаметру ограничителя перемещений.

В теле бандажа по всей высоте выполнена проточка, ось которой параллельна оси нажимного средства 1.

В одном из вариантов проточка выполнена в виде канавки 9 (фиг. 2), размещенной на внешней поверхности бандажа с радиусом ρ ≥ δ, где δ - толщина кольцевого бандажа, при ρ = ∞ проточка представляет собой лыску 10 (фиг. 3).

Во втором варианте проточка выполнена в виде отверстия 11 (фиг. 4), боковые поверхности которого параллельны продольной оси бандажа, а поперечное сечение образовано двумя дугами концентрических отверстий с радиусами ρ₁ и ρ₂, центр которых размещен на продольной оси бандажа. Эти дуги в свою очередь связаны между собой дугами радиусом r=0,5( ρ₁ - ρ₂) . Расстояние a₁ между центрами дуг радиусом r не превышает толщины δ кольцевого бандажа 5.

В третьем варианте проточка выполнена в виде нескольких сквозных отверстий 12 (фиг. 5) равного между собой диаметра d, продольные оси которых параллельны продольной оси бандажа и размещены на дуге окружности радиусом ρ₃ с центром, расположенным на продольной оси бандажа. Толщина Δ перемычки между соседними отверстиями 12 не превышает величины 0,1 d. Расстояние a₂ между осями крайних отверстий не превышает толщины δ бандажа 5.

Устройство работает следующим образом.

При эксплуатации клети в рабочем диапазоне технологических нагрузок пуансон 2 воспринимает внешнее усилие Q, приходящееся на нажимное средство 1 и создает в рабочей полости давление P (фиг. 1) эластомера 10, равномерно распределенное по поверхности рабочей полости устройства. Под действием давления P в поперечном сечении бандажа, ослабленном проточкой, возникают нормальные напряжения:
σ = · K≅ σ_в (1) где D - диаметр внутренней поверхности бандажного кольца,
H - высота рабочей полости устройства,
d_o - диаметр ограничителя перемещений,
F - минимальная площадь поперечного сечения бандажного кольца, ослабленного проточкой,
σ_в - временное сопротивление разрыву (предел прочности) материала бандажа,
K - коэффициент концентрации напряжений в бандаже, вызванной наличием проточки.

При всех конструктивных вариантах выполнения проточки, заявленных в данном техническом решении, величина коэффициента K=1,02-1,10.

В момент превышения технологической нагрузки максимально допустимой величины
Q_max= (2) происходит ускоренное пластическое течение материала бандажа в области проточки, сопровождающееся плавным перемещением пуансона относительно основания в начальный момент срабатывания устройства с последующим физическим разрушением бандажа, осадкой эластомера и разведением перегруженных валков. Замедленное перемещение в начальный момент срабатывания устройства обеспечивает снижение динамических нагрузок на подшипниковые узлы валков и нажимное средство прокатной клети, что увеличивает их долговечность и надежность.

Примером конкретного выполнения заявленного технического решения является предохранительно-разгрузочное устройство обжимной клети слябинга 1150 Мариупольского металлургического комбината. Рабочая полость устройства высотой 50 мм и диаметром 420 мм, заполненная полиуретаном марки СКУ-ПФЛ-100 и образованная пуансоном, основанием, а также кольцевым бандажом толщиной 45 мм, выполненным из углеродистой стали марки сталь 10 (ГОСТ 1050-81), снабжена ограничителем перемещений диаметром 120 мм. Устройство надежно срабатывает в диапазоне предельных нагрузок 10750-10950 кН с раздвижением валков на 20 мм при использовании трех конструктивных вариантов проточки:
канавки на внешней поверхности бандажа, параллельной оси нажимного средства, глубиной 20 мм и радиусом скругления 50 мм; отверстия в стенке бандажа, параллельного оси нажимного средства и вытянутого в поперечном сечении с размерами по осям 20 и 60 мм;
двух цилиндрических отверстий, параллельных оси нажимного средства, выполненных в стенке бандажа, с диаметром 20 мм и толщиной перемычки 2 мм между стенками отверстий.

Выполнение проточки на внешней поверхности бандажа заявленных форм и размеров, позволяет уменьшить коэффициент концентрации напряжений с 2,3-1,9 до 1,05-1,10, ввести пластическую составляющую бандажа при его деформации в начальный момент перемещения валков в 3-5 мм и ослабить тем самым действие динамических нагрузок на подшипниковые узлы и нажимное средство клети в 1,5-2,0 раза при срабатывании устройства, а также уменьшить диапазон предельных технологических нагрузок на 25-30%.

Использование: защита рабочих клетей прокатных станов от технологических перегрузок. Предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети с разрушаемым элементом установлено между нажимным средством и подушкой прокатного валка. Включает пуансон, кольцевой бандаж с проточкой и основание, образующие рабочую полость, заполненную эластомером. Для повышения точности и плавности срабатывания устройства проточка бандажа выполнена в одном из трех вариантов: в виде канавки на внешней поверхности бандажа, радиус которой равен не менее его толщины; в виде отверстия, боковые поверхности которого параллельны продольной оси бандажа, а поперечное сечение образовано двумя дугами концентрических окружностей с центром, размещенным на продольной оси бандажа, которые связаны между собой дугами радиусом, равным половине разности радиусов дуг концентрических окружностей. Расстояние между центрами дуг, связывающих дуги концентрических окружностей не превышает толщины бандажа; в виде нескольких сквозных отверстий равного диаметра, продольные оси которых параллельны продольной оси бандажа и размещены на дуге окружности с центром, расположенным на продольной оси бандажа. Толщина перемычки между соседними отверстиями не превышает 0,1d, где d - диаметр отверстий, а расстояние между осями крайних отверстий не превышает толщины бандажа. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНО-РАЗГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ, включающее пуансон и корпус, образующие рабочую полость, заполненную материалом, передающим давление, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде основания и установленного на нем кольцевого бандажа, в качестве материала - заполнителя рабочей полости использован эластомер, при этом на внешней поверхности бандажа выполнена проточка в виде канавки, параллельной оси устройства, радиус которой не менее толщины бандажа, или внутри бандажа выполнены одно или более сквозных отверстий, боковые поверхности которых параллельны оси устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение сквозного отверстия образовано двумя дугами концентрических окружностей разных диаметров, соосных с кольцами бандажа, соединенных между собой дугами радиусов равного половине разности радиусов дуг упомянутых концентрических окружностей. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что расстояние между центрами дуг, соединяющих дуги концентрических окружностей, не превышает толщины бандажа. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сквозные отверстия выполнены в сечении в виде окружностей равного диаметра и размещены по дуге окружности, соосной с кольцами бандажа, при этом толщина перемычки между соседними отверстиями не превышает 0,1 d, где d - диаметр отверстий. 5. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся тем, что расстояние между осями крайних отверстий не превышает толщины бандажа.