ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ Российский патент 1994 года по МПК B21B33/00 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для защиты от технологических перегрузок рабочих клетей обжимных станов, черновых групп толстолистовых станов и тонколистовых станов непрерывной прокатки
Известно предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети, в котором пуансон и корпус, установленные над нажимным средством, образуют рабочую полость, заполненную передающим давлением материалом и связанную с дополнительной полостью сквозным отверстием, перекрытым разрывным стаканом (1) либо срезным диском (2).

Недостатком устройства являются большие динамические нагрузки в клети при срабатывании устройства, конструктивная сложность, обусловленная необходимостью выполнения в корпусе двух полостей; увеличение габаритов устройства по высоте, что снижает жесткость клети и увеличивает ее металлоемкость. Однако наиболее существенным недостатком устройств является высокая трудоемкость и продолжительность восстановительных работ, связанная с необходимостью извлечения предохранительного устройства из прокатной клети после его срабатывания, удаления остатков материала; передающего давление, в качестве которого использован легкоплавкий металл; заменой разрушенного элемента и заполнение рабочей полости новой порцией материала.

Задачей изобретения является создание предохранительного устройства, обеспечивающего снижение динамических нагрузок в прокатной клети при его срабатывании за счет плавного перемещения элементов валкового узла клети.

Для решения этой задачи в предохранительном устройстве прокатной клети, включающем размещенные над нажимным средством пуансон, основание, а также бандаж, образующие замкнутую рабочую полость, заполненную эластомером, бандаж образован двумя взаимодействующими друг с другом кольцами, одно из которых является внешним, а другое, внутренним, причем внутреннее кольцо выполнено из пластичного материала, а при выполнении внешнего кольца из хрупкого материала механические характеристики материалов внешнего и внутреннего колец удовлетворяют неравенству
< , , где σ_b1 - временное сопротивление разрыву материала внешнего кольца,
σ_т2 - предел текучести материала внутреннего кольца,
E₁, E₂ - модули продольной упругости материалов внешнего и внутреннего колец.

Внешнее кольцо снабжено по меньшей мере двумя проточками, равномерно распределенными по его периметру, и выполнены в виде канавок, размещенных на внешней поверхности кольца параллельно оси нажимного средства, причем внешнее кольцо установлено относительно внутреннего с натягом, а внутреннее кольцо имеет высоту, равную высоте внешнего кольца.

В отличие от известных технических решений в заявленном предохранительном устройстве разрушаемый элемент (бандаж) выполнен в виде двух взаимодействующих друг с другом колец, одно из которых является внешним и изготовлено из хрупкого или пластичного материала, а другое кольцо является внутренним и выполнено из пластичного материала. Этот отличительный признак обеспечивает жесткое сопротивление бандажа внешним технологическим усилиям при возрастании их до опасного для клети уровня. В процессе срабатывания устройства, сопровождающегося хрупким разрушением внешнего кольца, технологические усилия воспринимает внутреннее кольцо, которое, пластически деформируясь, плавно разводит прокатные валки без динамического нагружения подшипниковых узлов и нажимного средства клети.

Заявленное соотношение механических характеристик материалов внешнего и внутреннего колец, связанное с отношением их упругих характеристик, гарантирует первоочередное разрушение внешнего кольца, изготовленного из хрупкого материала, и нормальное плавное срабатывание всего устройства. В противном случае предельное технологическое усилие, которое воспринимает предохранительное устройство, приводит к разрушению внутреннего кольца при сохранении прочности кольца внешнего, что обуславливает мгновенную потерю жесткости валковой опоры при срабатывании устройства и значительные динамические нагрузки в клети при перемещении валков.

Снабжение внешнего кольца по меньшей мере двумя проточками, равномерно распределенными по его периметру и выполненными в виде канавок, размещенных на внешней поверхности кольца параллельно оси нажимного средства, позволяет применить для изготовления внешнего кольца не только хрупкий, но и пластичный материал. При его разрушении пластическая деформация сосредотачивается в области проточек и внешнее кольцо, выполненное из пластичного материала, разрушается как кольцо из хрупкого материала. Более того, при равномерном распределении канавок по периметру внешнего кольца, в процессе срабатывания устройства пластически деформируемое внутреннее кольцо отгибает концы разорванного внешнего кольца, жесткость которого существенно снижается в сечениях, ослабленных канавками. Тем самым уменьшается сопротивление пластическому течению внутреннего кольца со стороны кольца внешнего.

Установка внешнего кольца относительно внутреннего с натягом создает во внешнем кольце растягивающие усилия, что повышает свойства хрупкого разрушения внешнего кольца, а следовательно, расширяет выбор пластичных материалов для его изготовления.

Выполнение внешнего кольца по высоте, равной высоте внутреннего кольца, обеспечивает компактность устройства, важную для повышения жесткости прокатной клети.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же при наличии проточек, равномерно распределенных по периметру внешнего кольца; на фиг. 4 - схема распределения внешних и внутренних нагрузок, действующих на бандаж предохранительного устройства; на фиг. 5 - схема деформации внешнего кольца с проточками после его разрушения; на фиг. 6 и 7 - диаграмма растяжения для материалов колец, установленных свободно и с натягом.

Предохранительное устройство размещено между нажимным средством 1 (фиг. 1) и подушкой 2 прокатного валка. Состоит из пуансона 3, основания 4 и двух бандажных колец, 5 и 6, установленных с охватом основания и пуансона. Рабочая полость устройства, образованная пуансоном, основанием и кольцами, заполнена эластомером 7. Внешнее кольцо 5 выполнено из пластичного или хрупкого материала (сталь, чугун), а внутреннее кольцо толщиной σ₂ - из пластичного материала (низкоуглеродистая сталь, цветные металлы, полимерные материалы и т. д.). В рабочей полости размещен ограничитель перемещений 8, жестко связанный с пуансоном 3 и свободным концом, входящий в отверстие 9, выполненное в основании 4.

В одном из вариантов выполнения бандажа кольцо 5 (фиг. 2) толщиной δ₁ изготовлено из хрупкого материала и имеет цилиндрические поверхности. В другом конструктивном варианте на внешней поверхности кольца 5, изготовленного из пластичного материала, выполнены канавки 10 (фиг. 3), радиусом ρ_o < δ₁, равномерно распределенные по периметру кольца, образующие которых параллельны оси нажимного средства.

Устройство работает следующим образом.

При эксплуатации клети в рабочем диапазоне технологических нагрузок пуансон 2 воспринимает внешнее усилие Q со стороны нажимного средства 1 и создает в рабочей полости давление P (фиг. 4) эластомера 7, действие которого обуславливает следующее напряженно-деформированное состояние колец (фиг. 6).

При условии взаимодействия хрупкого внешнего кольца 5 с внутренним пластичным кольцом 6 их деформации равны друг другу в области упругого растяжения:
ε₁ = ε₂
С учетом закона Гука при линейном напряженном состоянии в области упругих деформаций
ε₁= ; ε₂= (2) где σ₁ , σ₂ - нормальные напряжения в поперечном сечении внешнего и внутреннего колец 5 и 6 (фиг. 4).

Тогда равенство (1) принимает вид:
= или = ; (3)
В момент разрушения внешнее кольцо испытывает предельную деформацию
ε^* = (4) в то время, как деформация внутреннего кольца не должна выходить за пределы упругих ε12

≅ . (5)
Таким образом, равенство (1) с учетом выражений (4) и (5) имеет вид
< или < ; (6)
После разрушения внешнего кольца нагрузка на внутреннее кольцо существенно возрастает, что приводит к его интенсивному пластическому течению, осадке эластомера и в конечном счете, срабатыванию устройства, при плавном снижении предельной нагрузки.

Следовательно, плавный характер срабатывания устройства обеспечен в случае, когда отношение временного сопротивления разрыву материала внешнего кольца к пределу текучести материала внутреннего кольца меньше отношения модулей продольной упругости материалов внешнего и внутреннего колец.

В случае установки внешнего кольца с натягом относительно внутреннего кольца в их телах возникают предельные напряжения σ₁^o и σ₂¹ (рис. 7) одно из которых растягивающее, а другое - сжимающее. При деформации ε бандажа под действием давления эластомера материал внешнего кольца достигает предела прочности раньше, чем при установке колец без натяга. Поэтому исходя из неравенства (6), плавное срабатывание устройства обеспечивается при большем диапазоне отношения E₁/E₂, что расширяет возможность выбора материала для изготовления колец.

В случае изготовления внешнего кольца 5 (фиг. 3) из пластичного материала, глубина проточек выбирается из условия, чтобы напряжения в ослабленных сечениях достигли предела прочности σ_в1 раньше, чем в остальных сечениях этого кольца они достигнут предела текучести σ_т2. Это условие приводит к соотношению
δ₁^oσ_в1 < δ₁˙σ_т1 (7)
или
< (8) Если материал кольца не имеет физического предела текучести, то следует использовать условный предел текучести σ_0,2.

Тогда условие (8) принимает вид
<
При наличии канавок 10 под действием усилий на концах разрушенного кольца 5 (фиг. 5) происходит его пластический изгиб в сечениях, ослабленных проточками. В результате концы разорванного кольца изгибаются в направлении от оси натяжного средства, освобождая пространство для осадки эластомера.

Примером конкретного выполнения заявленного технического решения является предохранительное устройство обжимной клети слябинга 1150. Рабочая полость устройства диаметром 400 мм и высотой в исходном состоянии 60 мм образована бандажом из двух колец. Внешнее кольцо толщиной 40 мм выполнено из стали марки сталь 50 σ_в =350 ГПа) и имеет по периметру 4 проточки, глубиной 20 мм. Внутреннее кольцо толщиной 40 мм изготовлено из малоуглеродистой стали марки сталь 10 (σ_т=210 МПа, δ_o=23%). Высота колец - 60 мм. Рабочая полость заполнена полиуретаном марки СКУ-ПФЛ-100. Диаметр ограничителя перемещений 180 мм. Наибольшие размеры устройства: диаметр 560 мм, высота 120 мм. Указанные параметры устройства обеспечивают его плавное срабатывание в диапазоне предельных технологических усилий 10850-11000 кН с осадкой устройства на 15-18 мм.

Использование устройства, описанного в примере его конкретного выполнения в сравнении с разгрузочно-предохранительным устройством, использующим разрывное бандажное кольцо, выполненное из хрупкого материала или подверженное хрупкому разрушению, уменьшает динамические нагрузки, действующие на нажимное средство и подшипниковые узлы прокатных валков, в 1,3-1,6 раза, что увеличивает их долговечность и надежность работы прокатной клети в случае применения предохранительных устройств.

Таким образом, отличительные признаки заявленного технического решения обеспечивают решение поставленной задачи.

Таким образом, описываемая конструкция обеспечивает снижение динамических нагрузок в прокатной клети при срабатывании.

Использование: защита от технологических перегрузок рабочих клетей обжимных станов, черновых групп толстолистовых и тонколистовых станов горячей прокатки. Предохранительное устройство прокатной клети, размещенное между нажимным средством и подушкой прокатного валка, включает пуансон, основание и бандаж, образующие рабочую полость, заполненную эластомером. Бандаж образован двумя взаимодействующими друг с другом кольцами, одно из которых является внешним и выполнено из хрупкого или пластичного материала, а другое - внутренним и выполнено из пластичного материала. При выполнении внешнего кольца из хрупких материалов отношение временного сопротивления разрыву материала внешнего кольца к пределу текучести материала внутреннего кольца должно быть меньше отношения модулей продольной упрогости материалов внешнего и внутреннего колец. При выполнении внешнего кольца из пластичного материала оно снабжено по меньшей мере двумя проточками, выполненными в виде канавок, размещенных на внешней поверхности кольца параллельно оси нажимного средства. Возможна установка пластичного кольца относительно внутреннего с натягом. Внешнее и внутреннее кольца выполнены равновысокими. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ, включающее пуансон и корпус, образующие рабочую полость, заполненную материалом, передающим давление, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде основания и кольцевого бандажа, в качестве материала-заполнителя рабочей полости применен эластомер, при этом бандаж образован двумя взаимодействующими коаксиально установленными кольцами, внутреннее из которых выполнено из эластичного материала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешнее кольцо выполнено из хрупкого материала, при этом механические характеристики материалов внешнего и внутреннего колец удовлетворяют условию
σ_в1 / σ_т2 << E₁ / E₂ ,
где σ_в1 - временное сопротивление разрыву материала внешнего кольца;
σ_т2 - предел текучести материала внутреннего кольца;
E₁, E₂ - модули продольной упругости материалов внешнего и внутреннего колец. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внешней поверхности внешнего кольца выполнены по меньшей мере две проточки в виде канавок, параллельных продольной оси устройства и равномерно распределенных по периметру кольца. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что внешнее кольцо установлено относительно внутреннего с натягом. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что внешнее и внутреннее кольца равны между собой по высоте.