ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ШПИНДЕЛЬ ПРИВОДА ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ Российский патент 1997 года по МПК B21B33/00 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для защиты от технологических перегрузок главных линий приводов прокатных клетей, преимущественно маховичных станов.

Главные линии приводов прокатных клетей маховичных станов нуждаются в надежной механической защите от поломок по передаваемому крутящему моменту. Подавляющее большинство существующих конструкций предохранительных шпинделей одноразовые и, следовательно, дорогие. Кроме того, точность их срабатывания невелика из-за большой вероятности усталостного разрушения при номинальных нагрузках вследствие наличия концентраторов напряжений. При наиболее вероятном виде разрушения при кручении (косом изломе) в главной линии прокатной клети возникают осевые усилия, которые могут привести к поломкам в приводном двигателе.

Известен предохранительный шпиндель, содержащий, как и предлагаемый шпиндель трефовые соединения и цилиндрический участок. Кроме того, в известном устройстве предусмотрены конусные (профильные) участки, соединенные меньшими диаметрами. Предохранительный шпиндель имеет в месте соединения конусов радиусную кольцевую проточку в качестве основного концентратора напряжений, а также содержит дополнительные концентраторы напряжений в виде проточек, расположенных по обе стороны от основного концентратора напряжений.

Технический результат, достигаемый в изобретении, достичь в аналоге невозможно из-за наличия концентраторов напряжений, вследствие чего предохранительный шпиндель подвержен усталостному разрушению при номинальных нагрузках. Кроме того, известный предохранительный шпиндель является одноразовым, то есть восстановление его работоспособности после срабатывания невозможно.

Известно также предохранительное устройство линии привода прокатного стана, выполненное, как и изобретение, в виде вала с трефовыми головками. При этом в известном устройстве предусмотрено наличие разрушающегося участка цилиндрической формы со сквозным отверстием по продольной оси, в котором расположен стержень со средствами осевой фиксации относительно вала. Устройство снабжено установленными на стержне между средствами фиксации и валом упорными подшипниками с целью повышения надежности привода путем снижения передаваемых на трансмиссию при косом изломе осевых нагрузок.

Технический результат, достигаемый в изобретении, достичь в аналоге невозможно, так как устройство не исключает косых изломов и является одноразовым, то есть не подлежит восстановлению после срабатывания.

Известно также предохранительное устройство линии привода прокатного стана (принятое за прототип), содержащее левую и правую трефовые головки, полый вал, состоящий из двух частей, с размещенным в нем соединительным стержнем, жестко связанным по крайней мере с одной из головок, и разрушаемый элемент [1]
Общим признаком прототипа и устройства согласно изобретению является наличие вала, выполненного из двух частей, снабженных трефовыми головками, которые являются обязательными элементами конструкции предохранительного шпинделя, и соединенных разрушаемым элементом.

Технический результат, достигаемый в изобретении, в прототипе достичь невозможно, так как после срабатывания обе части полого вала, лишенные связей, могут выпасть из трефовых муфт. Кроме того, при пластической деформации стержня перед его разрушением неизбежен значительный поворот одной части полого вала относительно другой, что нежелательно по технологии прокатки.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструкции предохранительного шпинделя привода прокатной клети, в котором новые элементы и их взаимосвязь позволили бы за счет нового вида разрушения получить простое, точное при срабатывании и удобное в эксплуатации устройство.

Поставленная задача решается тем, что в предохранительном шпинделе прокатной клети, установленном в главной линии привода, включающем левую и правую трефовые головки, полый вал, состоящий из двух частей с размещенным в нем соединительным стержнем, жестко связанным по крайней мере с одной из головок, и разрушаемый элемент согласно изобретению, разрушаемый элемент выполнен в виде размещенного между частями вала и приваренного к ним отрезка трубы из пластичного металлического сплава, а соединительный стержень, жестко связанный с одной из головок, расположен в осевой полости части вала, несущей вторую головку, при этом между торцем стержня и дном полости установлена пружина сжатия.

Кроме того, разрушаемый элемент выполнен из малоуглеродистой стали или дюралюминиевых или титановых сплавов.

Образующая внешней поверхности разрушаемого элемента выполнена по дуге со стрелой прогиба посредине трубы.

Образующая внутренней поверхности разрушаемого элемента выполнена по дуге со стрелой прогиба посредине трубы.

Образующие как внешней, так и внутренней поверхностей разрушаемого элемента выполнены по дугам со стрелами прогибов посредине трубы.

При кручении предохранительного элемента наиболее опасным видом разрушения является разрушение отрывом (косой излом). Он характерен для хрупких и высокопрочных материалов.

Новый вид разрушающей деформации кручение с разрушением прямым изломом достигается за счет выполнения разрушаемого элемента из металлических сплавов (например, малоуглеродистой стали), который при кручении разрушается сдвигом (прямой излом).

Выбор кручения в качестве разрушающей деформации обусловлен прежде всего технологическими требованиями. Наиболее часто предохранительные шпиндели используются на маховичных (например, пилигримовых) трубопрокатных станах. Очень важным параметром работы таких станов является синхронизм вращения валков и перемещений подающего аппарата. Применение в качестве разрушающей деформации растяжения (см. прототип) предполагает наличие больших пластических деформаций разрушаемого элемента, что при наличии винтовой пары неизбежно влечет за собой значительный поворот одной части полого вала относительно другой (около одного оборота). Это явление нарушает синхронизм работы клети и подающего аппарата и изменяет взаимное расположение калибров в двух клетях, имеющих общий привод, что делает неприменимой существующую конструкцию предохранительного устройства для пильгерстанов.

Лля примера конкретного выполнения предохранительного шпинделя угол закручивания одной трефовой головки относительно другой не превышает 10^o, что делает возможным его применение в главных линиях приводов рабочих клетей пилигримовых станов.

Выполнение предохранительного шпинделя в виде двух раздельных шпиндельных головок, соединенных разрушаемым элементом, позволяет исключить расход предохранительных шпинделей при срабатывании, так как разрушению подвержен лишь конструктивно простой элемент труба.

Так как предохранительный шпиндель в процессе работы все время нагружается переменным крутящим моментом (отнулевой цикл нагружения), то очень важной задачей является повышение его усталостной прочности. С этой целью в заявляемом техническом решении наиболее ослабленное поперечное сечение разрушаемого элемента выполнено путем плавного уменьшения диаметра (чтобы избежать концентрации напряжений). Предложено три варианта уменьшения диаметра разрушаемого элемента. В первом варианте наиболее ослабленное поперечное сечение выделено путем плавного уменьшения внешнего диаметра (протачивается наружная поверхность трубы). Во втором варианте наиболее ослабленное поперечное сечение выделено путем плавного уменьшения внутреннего диаметра (протачивается внутренняя поверхность трубы). В третьем варианте наиболее ослабленное поперечное сечение выделено путем одновременного уменьшения как внутреннего, так внешнего диаметров.

Внутренняя проточка обеспечивает повышенную усталостную прочность за счет снижения концентрации напряжений, хотя и является более сложной в изготовлении.

Полярные моменты сопротивления для поперечного сечения, проходящего через сварной шов , и для наиболее ослабленного поперечного сечения W_p находятся в соотношении

Выполнение сварных швов, связывающих разрушаемый элемент и трефовые головки в единый предохранительный шпиндель, заведомо более прочными, чем ослабленное сечение разрушаемого элемента, позволяет избежать непредусмотренного разрушения конструкции в местах сварки.

Для выравнивания нагрузок на сварные соединения в заявленном техническом решении предложено выполнить наиболее ослабленное поперечное сечение посредине разрушаемого элемента.

Важно, чтобы после срабатывания предохранительный шпиндель сохранял первоначальное устойчивое положение равновесия (т.е. не наклонялся по отношению к трефовым муфтам) и представлял собой одно целое (т.е. не распадался). Для этого предложено выполнить одну из трефовых головок с осевым цилиндрическим выступом, входящим в осевое цилиндрическое отверстие другой трефовой головки. Соединение выполняется по посадке с зазором и в процессе работы предохранительного шпинделя неподвижно. При срабатывании предохранительного шпинделя одна трефовая головка начинает поворачиваться относительно другой. Цилиндрический выступ поворачивается в цилиндрическом отверстии, одновременно предохраняя устройство от распадания. Для того, чтобы предотвратить соударение краев разрушенного предохранительного элемента друг о друга и, как следствие этого, возникновение осевых усилий в главной линии привода прокатной клети, между трефовыми головками в цилиндрическом отверстии устанавливается пружина (пакет пружин), раздвигающая трефовые головки на безопасное расстояние.

На фиг. 1 представлен осевой разрез варианта выполнения предохранительного шпинделя привода прокатной клети; на фиг.2 разрушаемый элемент с проточкой по внешнему диаметру; на фиг.3- эпюра распределения напряжений в поперечном сечении разрушаемого элемента с проточкой по внешнему диаметру без учета концентрации напряжений; на фиг.4 эпюра распределения напряжений в поперечном сечении разрушаемого элемента с проточкой по внешнему диаметру с учетом концентрации напряжений; на фиг.5 разрушаемый элемент с проточкой по внутреннему диаметру; на фиг.6 эпюра распределения напряжений в поперечном сечении разрушаемого элемента с проточкой по внутреннему диаметру без учета концентрации напряжений; на фиг.7 эпюра распределения напряжений в поперечном сечении разрушаемого элемента с проточкой по внутреннему диаметру с учетом концентрации напряжений (последняя является наиболее благоприятной с точки зрения усталосной прочности).

Предохранительный шпиндель привода прокатной клети размещен в главной линии привода и включает левую 1 и правую 2 трефовые головки (фиг.1), установленные в трефовых муфтах (не показаны), а также разрушаемый элемент 3 в виде трубы, соединенный с трефовыми головками сварными швами 4, и пакет тарельчатых пружин 5, установленный в цилиндрическом отверстии 6 левой трефовой головки 1 и взаимодействующий с цилиндрическим выступом 7 правой трефовой головки 2. Варианты конструкции разрушаемого элемента предусматривают выделение его наиболее ослабленного сечения путем плавного уменьшения внешнего (фиг.2) или внутреннего (фиг. 5) диаметра.

Возможен вариант выполнения предохранительного шпинделя привода прокатной клети без установки пружин между трефовыми головками. В этом случае раздвижение трефовых головок после срабатывания устройства происходит под действием осевых усилий, возникающих при соприкосновении краев разрушенного предохранительного элемента.

Возможен вариант выполнения предохранительного шпинделя привода прокатной клети с цилиндрическим разрушаемым элементом (без проточек).

Возможен вариант выполнения предохранительного шпинделя привода прокатной клети с разрушаемым элементом, выполненным, кроме малоуглеродистой стали, из металлосплавов (дюралюминиевые или титановые сплавы и др.).

Устройство работает следующим образом.

При эксплуатации предохранительного шпинделя в рабочем диапазоне технологических нагрузок разрушаемый элемент 3 (фиг.1) воспринимает крутящий момент Мк. При превышении передаваемым крутящим моментом определенного заранее значения выключающего момента разрушаемый элемент 3 разрушается сдвигом (прямой излом) в наиболее ослабленном поперечном сечении, которое выделено путем плавного уменьшения наружного диаметра. После срабатывания предохранительного шпинделя пакет тарельчатых пружин 5, находившийся до этого в сжатом состоянии, раздвигает трефовые головки на расстояние, достаточное для предотвращения соударений частей разрушаемого элемента при повороте трефовых головок. Трефовые головки 1 и 2, не соединенные более разрушаемым элементом 3, не выпадают из трефовых муфт и сохраняют прямолинейность оси вследствие наличия связи в виде цилиндрического выступа 7 правой трефовой головки 2, который свободно входит в цилиндрическое отверстие 6 левой трефовой головки.

Предохранительный шпиндель привода прокатной клети, в котором наиболее ослабленное сечение разрушаемого элемента выделено путем плавного уменьшения внутреннего диаметра, работает аналогичным образом.

Предохранительный шпиндель привода прокатной клети, в котором наиболее ослабленное сечение разрушаемого элемента выделено путем плавного уменьшения как внутреннего, так и внешнего диаметров, работает аналогичным образом.

Сборка предохранительного шпинделя производится в механических мастерских в вертикальном положении. В установленную цилиндрическим отверстием вверх левую трефовую головку 1 вкладывается пакет тарельчатых пружин 5 (или какая-либо другая пружина). Затем сверху устанавливается правая трефовая головка 2 с уже приваренным к ней при помощи сварного шва 4 разрушаемым элементом 3. Своим весом правая трефовая головка осаживает пакет тарельчатых пружин, после чего разрушаемый элемент 3 приваривается к левой трефовой головке сварным швом 4.

После срабатывания предохранительного шпинделя и извлечения его из главной линии привода прокатной клети достаточно обработать трефовые головки на токарном станке с целью удаления остатков разрушаемого элемента и сварных швов, после чего шпиндельные головки вновь пригодны к использованию.

Предохранительный шпиндель испытан в лаборатории. Опытный образец был изготовлен для пилигримового трубопрокатного стана 5 10" трубопрокатного цеха. Были использованы стандартные трефовые головки от разрушенного предохранительного шпинделя существующей конструкции. Разрушаемый элемент был изготовлен в виде трубы из стали 20 внешним диаметром D₀=345 мм и внутренним диаметром d= 250 мм с плавным уменьшением внешнего диаметра (в наиболее ослабленном сечении D=335 мм). Вес разрушаемого элемента P=700 H, а его длина L= 250 мм. Указанные параметры обеспечивают срабатывание предохранительного шпинделя в диапазоне крутящих моментов 1400 1500 кНм, а установленные в трефовых головках тарельчатые пружины раздвигают их на 3 5 мм, что вполне достаточно при прямом изломе разрушаемого элемента.

Использование предохранительного шпинделя, представленного в примере конкретного описания, в сравнении с прототипом позволяет сократить аварийные простои стана, связанные с восстановлением работоспособности предохранительного шпинделя, на 10 -20% снизить затраты на замену разрушаемого элемента в 8-10 раз, уменьшить трудоемкость восстановительных работ в 1,3 -1,5 раза.

Использование: для защиты главных линий прокатных станов /преимущественно маховичных/ от перегрузок. Сущность изобретения: предохранительный шпиндель привода прокатной клети с разрушаемым элементом установлен в главной линии привода прокатной клети между шестеренной клетью и двигателем /или маховиком/ и включает левую и правую трефовые головки, а также разрушаемый элемент, выполненный в виде трубы с плавным изменением диаметра, причем наиболее ослабленное поперечное сечение /определяющее предельный крутящий момент, передаваемый предохранительным шпинделем/ расположено посредине разрушаемого элемента. Одна из трефовых головок выполнена с цилиндрическим отверстием, в которое входит цилиндрический выступ другой трефовой головки, что предотвращает распадание частей предохранительного шпинделя после срабатывания. В этом отверстии установлена пружина, опирающаяся на цилиндрический выступ другой трефовой головки, с целью раздвижения двух частей шпинделя после срабатывания для предотвращения соударения краев разрушаемого элемента и возникновения осевых усилий в главной линии привода прокатной клети. Разрушаемый элемент соединяется с левой и правой трефовыми головками при помощи сварных швов, которые выполнены заведомо прочнее ослабленного поперечного сечения, в котором происходит разрушение. Ослабленное поперечное сечение выделяется путем плавного уменьшения внешнего или внутреннего диаметра, или одновременного уменьшения обоих диаметров. Шпиндель обеспечивает новый вид разрушающей деформации - кручение с разрушением прямым изломом, чем достигается конструктивная простота, компактность и удобство в обслуживании предохранительного шпинделя, что снижает продолжительность аварийных простоев стана и трудоемкость восстановительных работ. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Предохранительный шпиндель привода прокатной клети, включающий левую и правую трефовые головки, полый вал, состоящий из двух частей, с размещенным в нем соединительным стержнем, жестко связанным по крайней мере с одной из головок, и разрушаемый элемент, отличающийся тем, что разрушаемый элемент выполнен в виде размещенного между частями вала и приваренного к ним отрезка трубы из пластичного металлического сплава, а соединительный стержень, жестко связанный с одной из головок, расположен в осевой полости части вала, несущей вторую головку, при этом между торцом стержня и дном полости установлена пружина сжатия. 2. Шпиндель по п.1, отличающийся тем, что разрушаемый элемент выполнен из малоуглеродистой стали или дюралюминиевых или титановых сплавов. 3. Шпиндель по п.1, отличающийся тем, что образующая внешней поверхности разрушаемого элемента выполнена по дуге со стрелой прогиба по середине трубы. 4. Шпиндель по п. 1, отличающийся тем, что образующая внутренней поверхности разрушаемого элемента выполнена по дуге со стрелой прогиба по середине трубы. 5. Шпиндель по п.1, отличающийся тем, что образующие как внешней, так и внутренней поверхностей разрушаемого элемента выполнены по дугам со стрелами прогибов по середине трубы.