ЦЕНТРОВАТЕЛЬ ТРУБОПРОКАТНОГО СТАНА Российский патент 1995 года по МПК B21B39/14 B21B25/02 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а точнее к устройствам для центрирования проката. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в трубопрокатных станах для центрирования прокатного стержня или трубной круглой заготовки.

Известен центрователь стержня с оправкой, содержащий корпус, верхний рычаг с центрирующим роликом, нижний рычаг с парой аналогичных роликов и индивидуальные приводы поворота рычагов, работающие навстречу друг другу [1].

Для поддержания точности центрирования усилие привода нижнего рычага должно всегда превышать усилие привода прижима верхнего рычага.

Однако, высокая температутра со стороны прокатываемого металла и значительное количество окалины, с одной стороны, изменяют условия в узлах центрователя, увеличивая сопротивление повороту верхнего и нижнего рычагов, а с другой стороны, приводят к неравномерному износу уплотняющих узлов в силовых цилиндрах привода, а значит, к падению в них величины давления и изменению усилия, развиваемого на штоках.

Вследствие этих факторов возможно выравнивание усилий приводов прижимов верхнего и нижнего роликов, в результате чего ось центрирования начнет "плавать", что приведет к дополнительному изгибу стержня, большей его вибрации, а, следовательно, к нестабильному положению оправки в очаге деформации, изгибу прокатного стержня и снижению точности прокатываемых труб.

Из известных центрователей прокатных станов наиболее близким по технической сущности является трехроликовый центрователь трубопрокатного стана, который содержит корпус, два рычага, на одном из которых закреплен один центрирующий ролик, а на другом - два центрирующих ролика, и синхронизирующее звено [2].

Однако, такое конструктивное выполнение центрователя дает единственное положение оси качания двухроликового рычага, координаты которой зависят от определенных значений радиуса центрирующего ролика и наименьшего радиуса центрируемого стержня. Поэтому при изменении диапазона диаметров стержня нарушается точность центрирования, т.к. для ее обеспечения необходимо изменять координаты оси качания двухроликового рычага.

В предлагаемом центрователе трубопрокатного стана, содержащем корпус, два рычага, один из которых с одним центрирующим роликом, другой - с двумя центрирующими роликами, шарнирно соединяющее рычаги синхронизирующее звено, согласно изобретению, угол β между прямыми, проходящими, соответственно, через центры роликов двухроликового рычага и через центр ролика, ближайшего к оси качания рычага, и ось качания этого рычага, определяется из соотношения
sinβ = , где r₁ - наименьшее требуемое значение радиуса центрирующего калибра (изделия);
r₂ - наибольшее расчетное значение радиуса центрирующего калибра (изделия);
R - радиус центрирующего ролика;
L - кратчайшее расстояние от центра центрирующего ролика, ближайшего к оси качания двухроликового рычага, до оси качания рычага - вторая координата оси качания;
β - угол между двумя прямыми, одна из которых проходит через центры роликов двухроликового рычага, а вторая - через центр ролика, ближайшего к оси качания двухроликового рычага, и ось качания этого рычага; при этом, наибольшее расчетное значение радиуса центрирующего калибра (изделия) определяется из соотношения
r₂ = , где r₃ - наибольшее требуемое значение радиуса центрирующего калибра (изделия).

Такое конструктивное выполнение центрователя трубопрокатного стана обеспечивает повышение точности центрирования изделий внутри заданных диапазонов, например внутри диапазонов Ф 80-160 мм или Ф 60-120 мм с точностью до 1 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 - центрователь трубопрокатного стана, в разрезе; на фиг. 2 - кинематическая схема центрователя; на фиг. 3 - график изменения смещения оси центрирования роликов центрователя относительно оси центрируемого изделия в пределах граничных значений радиуса изделия; на фиг. 4 - то же, при использовании расчетного радиуса изделия при расчете положения оси качания рычага.

Центрователь трубопрокатного стана содержит корпус 1, верхний рычаг 2 с центрирующим роликом 3, нижний рычаг 4 с парой аналогичных роликов 5 и 6, синхронизирующее шарнирное звено в виде рычага 7 и привод 8 поворота рычагов 2 и 4 в виде силового цилиндра.

Центрователь работает следующим образом.

Центрирующие ролики 3, 5, 6 под действием усилия силового цилиндра 8 через рычаги 2 и 4 и промежуточное звено 7 зажимают центрируемое изделие, образуя тесный калибр, а по окончании процесса прокатки при обратном ходе цилиндра последние разводятся.

Положение оси качания двухроликового рычага 4 определяемое координатами, рассчитанными в зависимости от угла согласно формуле изобретения, позволяет обеспечить большую точность центрирования внутри заданного диапазона размеров изделий.

Для упрощения расчетной схемы (фиг.2) рассматривается один двухроликовый рычаг, т.к. именно он определяет точность центрирования центрователя. Второй же рычаг с одним роликом качается синхронно с двухроликовым с помощью синхронизирующей тяги (фиг.1) либо с помощью других технических средств (например, зубчатых секторов). Поэтому в расчетной семе однороликовый рычаг не рассматривается.

Исходными данными для расчета являются:
- r₁ и r₂ наименьший и наибольший требуемый радиус центрируемого роликами прокатного стержня;
- L - кратчайшее расстояние от центра центрирующего ролика, ближайшего к оси качания двухроликового рычага, до оси качания рычага; выбирается конструктивно;
- R≅6r₁ - радиус центрирующего ролика центрователя, определяемый конструктивно из условия пересечения в пространстве;
- центрирующие ролики, сведенные на прокатный стержень наименьшего радиуса (r₁), располагаются равномерно по окружности с углом 120^о между собой.

Координаты а и b оси качания Е двухроликового рычага (фиг.2) могут быть определены с помощью угла β между двумя отрезками АВ и ВЕ, соединяющими, соответственно, центры центрирующих роликов рычага и центр ближайшего к оси качания ролика с осью качания.

Таким образом угол β является одним из основных геометрических параметров трехроликового двухрычажного центрователя и его определения осуществляется следующим образом.

Рассмотрим ΔОВЕ.

В этом треугольнике: АО = ОВ = r₁ + R; BE = L;
α = OBE = 180^°-(30^°+β) (1)
По теореме косинусов ОЕ² = ОВ² + ВЕ² - 2˙ОB˙ВЕ˙cos α (2) или OE² = (r₁ + R)² + L² - 2(r₁ + R)L cos (150^o - β) (3) Рассмотрим ΔОВ₁Е.

В этом треугольнике ОА₁ = ОВ₁ = r₂ + R
В₁Е = L
^α=OB1^E=β) (4)
По теореме косинусов ОЕ² = ОВ₁² + В₁Е² - 2ОВ₁˙ВEcosα , (5) или ОЕ² = (r₂ + R)² + L² - 2(r₂ + R)L˙ cos(180^o -ω-β); (6)
Угол ωопределяется из ΔОА₁В₁ по теореме косинусов
cosω = ; (7) Из OAB : A₁B₁ = AB
AB = OB ˙cos30^o + AO ˙cos30^o = 2(r₁ + R) cos30^o (8)
Подставляя уравнения (4) и (8) в равенство (7) получаем
cosω = (9)
Приравнивания правые части равенства (3) и (6) и подставляя значение угла ωиз формулы (9), после необходимых преобразований получаем в окончательном виде
sinβ = (10)
Соответственно координаты оси качания Е двухроликового рычага в прямоугольной системе координат с началом координат в точке О определяется
a = (r₁ + R) cos30^o + L sin(30^o - β) (11)
b = (r₁ + R) sin30^o + L cos(30^o - β) (12)
Характерной особенностью двухрычажного трехроликового центрователя является то, что он обеспечивает абсолютно точное центрирование только для двух граничных значений радиусов центрируемого стержня r₁ и r₃. Внутри этого диапазона точность центрирования нарушается, что характеризуется смещением Δ оси центрирования роликов центрователя относительно оси центрируемого стержня (фиг.3).

Графически установлено, что для повышения точности центрирования стержней внутри заданного диапазона с граничными значениями их радиусов r₁ и r₃ при расчете в формуле (10) для определения координат оси качания двухроликового рычага вместо r₃ необходимо вводить расчетный радиус r₂определяемый из соотношения
r₂ = (13)
Это позволит располовинить смещение оси центрирования роликов центрователя относительно оси центрируемого стержня (фиг.4).

Пример конкретного применения.

Для определения конкретных координат а и b оси качения двухроликового рычага трехроликового центрователя с требуемыми наименьшим и наибольшими значениями радиуса центрируемого стержня r₁ = 40 мм, r₃ = 80 мм находят: наибольшее расчетное значение r₂центрируемого стержня по соотношению (13) и конструктивно определяют кратчайшее расстояние L от центра центрируемого ролика, ближайшего к оси качания двухроликового рычага, и радиус R центрирующих роликов
r₂ = = = 70 мм; R не более 6r₁ = 220 мм;
L = 600 мм.

Из предложенного в формуле изобретения соотношения (10) находим значение
i =
β = 15^°6′
Координаты оси качения Е двуроликового рычага в прямоугольной системе координат с началом координат в точке 0 - оси центрирования определяют по уравнениям (11), (12)
a = (r₁ + R) cos30^o + L˙sin(30^o - β);
b = (r₁ + R) sin30^o + L˙cos(30^o - β);
a = (40 + 220) x 0,866 + 600˙sin 14^o54 =
= 225,16 + 154,278 = 378,438 мм
b = (40 + 200) x 0,5 + 600˙cos 14^o454 =
= 130 + 549,828 = 709,838 мм.

Значения координат оси качания двухроликового рычага центрователя, выбранного в качестве прототипа, при тех же технических параметрах (r₁, r₂, R, L) составляет а = 169,54 мм, b = 727,38 мм.

Погрешность центрирования предложенного и взятого за прототип центрователей может быть оценена определением наибольшей разности (Δ_max) расстояний (АО_i, ОВ_i) от оси центрирования до центров роликов двухроликового рычага по следующей аналитической зависимости (вывод не приводится):
Δ_max = (OA_i-OB_i) = - , где P = ;
C = ;
α = arccos ;
A = C˙cos(Ψ- δ) - L cos( ϕ - δ);
B = C˙sin(Ψ- δ) - L sin( ϕ - δ);
Ψ = arctg ;
δ = arctg ;
ϕ = arctg .

Приведенные расчеты и графические построения показывают, что максимальное смешение оси центрирования (Δ_max) для расчетной конструкции центрователя будет наблюдаться при радиусах центруемых изделий, равных r₁ = 55 мм, r₁ = 80 мм.

Это подтверждает, что по сравнению с прототипом предлагаемая конструкция центрователя обеспечивает более высокую точность центрирования внутри заданного диапазона (r₁ = 40 мм, r₂ = 80 мм) центрируемых изделий.

Использование: центрователь трубопрокатного стана может быть применен для центрирования прокатного стержня или круглой заготовки. Сущность изобретения: центрователь содержит установленные на осях качания в корпусе два рычага, один из которых снабжен двумя центрирующими роликами, а другой - одним центрирующим роликом. Рычаги шарнирно взаимосвязаны синхронизирующим звеном. При этом угол между двумя прямыми: соединяющей центры роликов двухроликового рычага и проходящей через ось качания этого рычага и центр ближайшего к этой оси ролика, определяется математической зависимостью геометрических параметров устройства и центрируемого изделия, что обеспечивает повышение точности центрирования. 4 ил.

ЦЕНТРОВАТЕЛЬ ТРУБОПРОКАТНОГО СТАНА, содержащий корпус, установленные в корпусе на осях качания два рычага, один из которых снабжен одним центрирующим роликом, а другой - двумя центрирующими роликами, шарнирно соединяющее рычаги синхронизирующее звено, отличающийся тем, что угол β между прямыми, проходящими соответственно через центры роликов двухроликового рычага и через центр ролика, ближайшего к оси качания этого рычага, и его ось качания, определяются из соотношения

где r₁ - наименьшее требуемое значение радиуса центрирующего калибра;
r₂ - наибольшее расчетное значение радиуса центрирующего калибра;
R - радиус центрирующего ролика;
L - расстояние от центра центрирующего ролика, ближайшего к оси качания двухроликового рычага, до оси качания рычага,
при этом наибольшее расчетное значение радиуса центрирующего диаметра определяется из соотношения

где r₃ - наибольшее требуемое значение центрирующего калибра.