СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК Российский патент 1995 года по МПК B21B27/02 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве листов и полосового проката.

Известен составной прокатный валок [1] содержащий ось, бандаж и полость между ними, заполненную теплоизоляционным наполнителем, в качестве которого может быть использован один из окислов переходных металлов, преимущественно NiO, ZrO₂, TiO, TiO₂. При этом полость может быть представлена в виде гильзы, выполненной параболоидом вращения с вершиной, лежащей в среднем сечении бандажа.

Недостаток указанного валка заключается в низкой нагрузочной способности составляющих его элементов, в частности гильзы, изготовленной из окислов переходных металлов, которая не может обеспечить надежную совместную работу элементов валка при значительных изгибающих моментах, испытуемых валками, например толстолистовых станов 3000 и 3600.

Частично этот недостаток устраняется в составном прокатном валке [2] содержащем ось и бандаж, отличающийся от известных тем, что он состоит из двух слоев материала с различной жесткостью; наружный слой выполнен из более жесткого и прочного материала, например чугуна, и имеет увеличенную толщину в своей средней части, а внутренний слой выполнен, например, из стали путем заливки слоя стали на внутренние стенки чугунного внешнего бандажа. Сварившийся в монолит в процессе отливки двухслойный бандаж горячей посадкой насажен на стальной вал.

По сравнению с вышеприведенным аналогом этот валок имеет большую нагрузочную способность за счет того, что в нем рассредотачивается и замедляется процесс фреттинг-коррозии по посадочным поверхностям оси и промежуточного элемента-гильзы. Во время работы валка основными факторами, влияющими на процесс фреттинг-коррозии, является контактное давление и амплитуда проскальзывания. Поэтому наиболее интенсивный износ посадочной поверхности наблюдается у торцов бочки, где амплитуда проскальзывания и контактное давление максимальны. Превышение роста давления по торцам составного бандажа обусловлено краевым (у торцов) эффектом изгибающего момента, действующего на валок. При увеличении относительной толщины стенки составного бандажа процесс фреттинг-коррозии происходит интенсивнее, краевой эффект роста давления по торцам также увеличивается. Таким образом выполнение составного бандажа [2] путем заливки слоя чугуна на внутренние стенки стального внешнего бандажа приведет к увеличению относительной толщины стенки и усугублению процесса фреттинг-коррозии. В то же время уменьшение относительной толщины бандажа позволяет уменьшить процесс фреттинг-коррозии, но при этом наблюдается рост тангенциальных напряжений от натяга, что приводит к разрушению бандажа.

Следовательно, техническое решение [2] не может обеспечить стабильную работу составного прокатного валка при произвольных значениях толщин стенок и посадочных диаметров его элементов.

Целью изобретения является повышение ресурса валка путем снижения процесса фреттинг-коррозии по посадочным поверхностям оси и гильзы.

Цель достигается тем, что бандаж сопряжен с гильзой по посадке с натягом, при этом толщина стенки и радиус гильзы выполнены в соотношениях
0,16-0,20 и , (2) где t толщина стенки бандажа;
R средний радиус рабочей поверхности бандажа;
t_г толщина стенки гильзы;
R_г наружный радиус гильзы, равный половине наружного диаметра гильзы, при этом средний радиус рабочей поверхности бандажа определяется из условия:
R где D_н диаметр нового бандажа;
D_п диаметр переточенного бандажа, а наружный радиус гильзы определяется из условия
R_г где d_г наружный диаметр гильзы.

Кроме того несущие способности бандажа гильзы и оси находятся в следующем соотношении:
0,9-1,25 (3)
1,0-1,35 (4), где М_Б несущая способность бандажа;
М_г-о несущая способность гильзы и оси в соединении;
М_г несущая способность гильзы;
М_о несущая способность оси;
D наружный диаметр бандажа;
d_г наружный диаметр гильзы;
d диаметр оси.

Признаки, характеризующие соотношения геометрических параметров элементов составного прокатного валка, отсутствуют в валке-прототипе. Следовательно, заявленный составной прокатный валок соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия".

Бандаж, гильза и ось известны, как самостоятельные детали в технике, так и в сочетании с другими деталями в узлах и механизмах, причем самых различных параметров. Но по сравнению с известными в предлагаемом составном прокатном валке подобрано такое оптимальное соотношение параметров составляющих его элементов (бандажа, гильзы, оси), что валок проявляет теперь новое качество достаточную надежность за счет исключения процесса фреттинг-коррозии его элементов.

На фиг. 1 представлена схема валка; на фиг. 2 графики изменения несущей способности элементов валка в долях от изгибающего момента, действующего на составной валок.

Предложенный составной прокатный валок содержит ось 1, гильзу 3, бандаж 2.

Известно, что одним из основных требований к составным прокатным валкам (особенно опорным) является высокая прочность, слагаемая из прочности составляющих ею элементов, и равенство их жесткостных характеристик. Исходя из этого проводились экспериментальные исследования.

Исследования показали, что изгибающие моменты, действующие в сечениях составного прокатного валка, распределяются между охватывающей деталью (бандажом) и охватываемой деталью (осью) в зависимости от отношения t/R, где t толщина; R наружный радиус, а также в зависимости от l_x расстояния от торца бандажа до исследуемого сечения (фиг. 2).

Установлено, что с увеличением отношения t/R изгибающий момент в охватываемом элементе растет, а в охватывающем уменьшается. Причем равенство изгибающих моментов в сечении посредине длины бандажа (l_xL ) наблюдается при t/R 0,164 (сплошные линии на фиг. 2), а в сечении ближе к торцу бандажа l_xL при t 0,204 (пунктирные линии на фиг. 2). В этом диапазоне l_x, как показали натурные испытания, не проявляется фреттинг-процесс.

Кроме того в зоне проскальзывания действуют моменты от сил трения, уменьшающие изгибающие моменты охватываемых деталей и увеличивающие их на охватывающих. Но так как сумма моментов вблизи торца бандажа (изгибающего и момента трения) незначительна по сравнению с изгибающим моментом в средней части бандажа, то влиянием момента трения можно пренебречь.

Таким образом, для наиболее нагруженного участка бандажа в диапазоне от l_xL до l_xL.

Отношение t/R 1,164-0,2 (1) является наиболее оптимальным, так как изгибающий момент, действующий при этом на бандаже, равен (0,43-0,58) М_и, а на соединение ось-гильза (0,42-0,57) М_и.

В процессе работы бандаж периодически перетачивается и радиус его рабочей поверхности R является величиной переменной. Поэтому при исследовании принимают среднюю величину R:
R , где D_н диаметр нового бандажа;
D_п диаметр переточенного бандажа.

При этом t (0,16-0,20)˙R
Внутренний диаметр бандажа или наружный диаметр гильзы (d_г) определяется как
d_г 2(R (0,16-0,20)R)
В процессе исследования установлено, что соединение с натягом при относительной толщине стенки охватывающей детали
t_г= (0,08-0,1)R_г и R_г обеспечивает практически совместную, без проскальзывания работу соединения ось-гильза.

Определено, что в диапазоне реальных размеров валков относительная толщина гильзы равна
, (2) где относительная толщина бандажа по среднему размеру рабочей поверхности бандажа.

Выведенная зависимость несущих способностей охватывающей и охватываемой деталей в функции относительной толщины t/R (фиг. 2) дает возможность сравнить их изгибную прочность.

Установлено, что изгибные прочности охватывающей и охватываемой деталей, удовлетворяющих требованиям равенств (1) и (2) формулы, относятся соответственно, как (0,9-1,35) 1
Численно получено, что отношение
0,9-1,25, (3) где М_Б несущая способность бандажа;
М_г-о несущая способность в соединении, а отношение
1,0-1,35, (4) где М_г несущая способность гильзы;
М_о несущая способность оси.

Условия (3) и (4) являются обобщенными нагрузочными критериями соединений бандаж-гильза и гильза-ось. Для краткости в дальнейшем обозначают их соответственно К₁ и К₂.

Установлено также, что уменьшение относительной толщины способствует росту тангенциальных напряжений от натяга при неизменном контактном давлении. Однако учитывая рост площади посадочной поверхности и симметричность торцов бандажа относительно профиля посадочной поверхности, допускается снижение натяга при сохранении сил сцепления. При этом величина натяга не оказывает влияния на надежность составного валка.

Использование валка предполагаемой конструкции позволяет улучшить нагрузочные способности его элементов, повысить надежность составного валка в целом.

П р и м е р 1 реализации предлагаемого решения на стане 3000.

Максимальный D_н и минимальный D_п диаметры рабочей поверхности бандажа равны соответственно 2,1 и 1,95 м. Тогда средний радиус рабочей поверхности
R 1,0125 м
Принимают t/R 0,18, тогда t 0,18 ˙ 1,0125 0,182 м или 182 мм.

Внутренний диаметр бандажа или наружный диаметр гильзы
d_г 2 (1,0125 0,182) 1,66 м (1660 мм)
Проверяют бандаж по условиям прочностно-нагрузочного критерия.

При новом валке D_н 2,1 м; d_г 1,66 м:
t/R 0,21
По фиг. 2 М_Б 0,6 М; М_г-о 0,4М, где М момент изгибающий
K₁ 1,21 что удовлетворяет условию (3).

При переточенном бандаже D_п 1,95 м; d_г 1,66 м. Отношение t/R 0,149 В условие (3) подставляют значения М_Б и М_г-о
K₁ 1,15 что удовлетворяет условию (3). При D 2,025; d_г 1,66; t/R 0,18
K₁ 1,004 Отношение t_г/R_г принимают равным 0,45 относительной толщины бандажа, т.е. t_г/R_г 0,45 ˙ t/R 0,45 ˙ 0,18 0,081
2t_г 0,081 ^. 1,66 0,1344 м или 135 мм
d 1660 135 1525 мм
Проверяют гильзу по условию (4)
K₂= 1,27
П р и м е р 2 реализации предлагаемого решения на стане 3600.

Максимальный и минимальный диаметры рабочей поверхности бандажа равны соответственно 1,8 м и 1,68 м.

Средний радиус рабочей поверхности
R 0,87 м (870 мм)
t 0,18 ^. 0,87 0,1566 м (157 мм)
Принимают t/R 0,18.

Внутренний диаметр бандажа равен
d_г 2(R t) (0,87 0,157)
1,426 м (1426 мм)
Проверяют бандаж по условию (3)
Новый бандаж D 1,8 м (1425 мм), при этом
t/R 0,208 Подставляют значения М_б и М_г-о
K₁ 1,22 что удовлетворяет условию (3).

При переточенном бандаже D 1,68 м, d _г= 1, 425 м, при этом t/R 0,152

Тогда нагрузочный критерий соединения бандаж-гильза К₁ определяется
K₁ 1,16 что удовлетворяет условию (3).

Толщину гильзы выбирают из условия (2)
t_г/R_г 0,55 ^. 0,18 0,099, отсюда
2t_г 0,141 м (140 мм)
d 1425 140 1285 мм
Проверяют гильзу по условию прочности
K₂ 1,216
что удовлетворяет условию (4)
П р и м е р 3 реализации предлагаемого решения на стане 2030.

Максимальный и минимальный диаметры рабочей поверхности бандажа равны соответственно D_н 1600 мм, D_п 1480 мм.

Средний радиус рабочей поверхности бандажа
R 760 мм (0,76 м)
Принимают t/R 0,18; t 0,18 ^. 0,76 0,1368 м (140 мм).

Наружный диаметр гильзы определяется
d_г 2 (R t) 2 (0,76 0,14) 1,24 м (1240 мм)
Проверяют бандаж по условию прочности:
при новом бандаже D_н 1,6 м; d_г 1,24 м
t/R 0,225
Тогда нагрузочный критерий соединения бандаж-гильза-ось равен
K₁ 1,19
что удовлетворяет условию (3).

При переточенном бандаже
D_п 1,480 м, d_г 1,240 м, при этом t/R 0,162
Нагрузочный критерий соединения бандаж-гильза К₁ определяется
K₁ 1,13
что удовлетворяет условию (3).

Толщину гильзы выбирают из условия (2)
t_г/R_г 0,45 ^. 0,18 0,081, отсюда 2t_г 0,1 м (100 мм)
Диаметр оси равен
d 1240 100 1140 мм
Проверяют гильзу по критерию K₂:
K₂ 1,156
что удовлетворяет условию (4).

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит обеспечить надежными валками преимущественно крупные прокатные станы.

Использование: прокатка полос и листов. Сущность изобретения: валок содержит износостойкий бандаж с утолщенной относительно краев средней частью, гильзу и ось, сопряженную с охватывающей деталью по посадке с натягом. Бандаж сопряжен с гильзой по посадке с натягом, при этом толщина стенки и средний радиус рабочей поверхности бандажа выполнены в регламентированных отношениях. 2 ил.

СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК, содержащий износостойкий бандаж с утолщенной относительно краев средней частью, гильзу и ось, сопряженную с охватывающей деталью по посадке с натягом, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса валка путем снижения процессов фреттинг-износа и фреттинг-коррозии по посадочным поверхностям оси и гильзы, бандаж сопряжен с гильзой по посадке с натягом, при этом толщина t стенки бандажа и средний радиус R рабочей поверхности бандажа, толщина t_г стенки и наружный радиус R_г гильзы выполнены в отношениях


где R=D_н+D_п/4, где D_н диаметр нового бандажа,
D_п диаметр переточенного бандажа;
R_г наружный радиус гильзы, равный половине наружного диаметра гильзы,
а отношение несущих способностей бандажа, гильзы и оси их моментов сопротивления изгибу соответственно равны


где M_б несущая способность бандажа;
M_г-о несущая способность гильзы и оси в соединении;
M_г несущая способность гильзы;
M_о несущая способность оси;
D наружный диаметр бандажа;
d_г наружный диаметр гильзы;
d диаметр оси.