СПОСОБ СБОРКИ СОСТАВНОГО ПРОКАТНОГО ВАЛКА Российский патент 1997 года по МПК B21B27/03 

Изобретение относится к прокатному оборудованию, в частности к прокатным валкам.

Известен способ сборки составного прокатного валка, включающий горячую посадку стального тонкостенного бандажа на стальную ось с радиальным и осевым натягами. Толщина стенки бандажа составляет ≈ 0,2 наружного радиуса валка. Величина относительного радиального натяга при горячей посадке достигает 100•10^-5 (1/1000) посадочного диаметра валка [1]
Недостатком данного способа сборки является исключительно низкая надежность валка при эксплуатации из-за высокого уровня остаточных растягивающих напряжений в бандаже в окружном (тангенциальном) и осевом направлениях.

Известен также составной валок и способ его сборки, включающий предварительное сопряжение стального бандажа и стальной оси по скользящей посадке и окончательное сопряжение осевым сжатием бандажа при сборке с помощью предварительно нагретых до 200-220^oC стержней, которые пропускаются через продольные пазы бандажа и оси, плотно затягиваются элементами фиксации и затяжки. В результате охлаждения стержней усилие затяжки возрастает и в бандаже создается большой уровень предварительных напряжений сжатия в осевом направлении при сохранении прочности составного валка в условиях изгиба [2]
Недостатком данного способа сборки является невысокая надежность валка при эксплуатации ввиду наличия под действием усилия прокатки значительных остаточных эквивалентных напряжений сжатия в окружном направлении на посадочной поверхности бандажа, так как при предварительном сопряжении по скользящей посадке, когда имеет место определенный зазор между бандажом и осью, величина радиального натяга равна нулю, а при последующем окончательном сопряжении осевым сжатием возникающей радиальный натяг способствует появлению растягивающих напряжений в тангенциальном направлении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и взятому в качестве прототипа является способ сборки составного прокатного валка, включающий предварительное сопряжение тонкостенного стального бандажа и стальной оси по посадке с зазором и окончательное сопряжение бандажа и оси по посадке с натягом на концевых участках с помощью насаживания на бандаж предварительно нагретых стяжных колец. Исходя из допускаемой прочности материала стяжных колец, величина относительного радиального натяга достигает ≈100•10^-5 посадочного диаметра. При остывании кольца сжимают концевые участки бандажа и их внутренний диаметр уменьшается. В результате этого между бандажом и осью на концевых участках возникают большие контактные давления, сжимающие бандаж между кольцами и осью [3]
Однако известный способ сборки не обеспечивает повышенную надежность валка при эксплуатации, т.к. окончательное сопряжение бандажа и оси по посадке с натягом происходит только на концевых участках бандажа, где он не испытывает растягивающих напряжений. На длине между концевыми участками бандаж окончательно сопрягается с осью по посадке с зазором, которая после сборки валка при прокатке не устраняет значительных остаточных эквивалентных и тангенциальных растягивающих напряжений как на посадочной поверхности, так и по толщине бандажа. Это отрицательно сказывается на напряженном состоянии бандажа и на надежности его фиксации на оси с точки зрения исключения проворота. Кроме того, сжатие бандажа между кольцами и осью на концевых участках посадкой колец на бандаж с натягом вызывает появление больших эквивалентных и растягивающих тангенциальных напряжений в стяжных элементах. Данные напряжения приводят к разрушению колец и, в конечном итоге, снижают срок службы прокатного валка при эксплуатации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности при эксплуатации путем создания предварительно напряженного состояния, устранения остаточных эквивалентных напряжений на посадочной поверхности и обеспечения минимального уровня растягивающих тангенциальных напряжений по толщине бандажа.

Поставленная задача достигается способом сборки составного прокатного валка, включающим предварительное сопряжение бандажа и оси по посадке с зазором и окончательное сопряжение при сборке, при котором в отличие от прототипа окончательное сопряжение бандажа и оси производят при соблюдении соотношения

где D₁ посадочный диаметр бандажа до сборки;
D₂ посадочный диаметр бандажа после сборки.

Общеизвестно, что во всех способах сборки составного прокатного валка, в которых бандаж сопрягается с осью посадкой с натягом различными приемами, например, осевым сжатием бандажа, запрессовкой на ось в холодном состоянии, горячей (тепловой) посадкой за счет охлаждения предварительно нагретого бандажа, посадкой за счет структурных превращений в материале бандажа при термоциклировании и т.д. величина относительного натяга может изменяться от 60•10^-5 (прессовая посадка) до 100•10^-5 (горячая посадка) и эта величина натяга выбирается исходя из допускаемой прочности материала бандажа на изгиб и растяжение, с целью повышения надежности фиксации бандажа на оси, исключающей его проворот при передаче больших крутящих моментов. Причем посадка с натягом во всех случаях вызывает появление на посадочной поверхности бандажа после сборки значительных тангенциальных растягивающих и незначительных радиальных сжимающих напряжений за счет либо увеличения посадочного диаметра без изменения или с одновременным уменьшением диаметра оси, либо уменьшения диаметра бандажа без изменения диаметра оси.

Принципиальное отличие предлагаемого решения состоит в том, что при изменении посадочного диаметра бандажа в указанном интервале со знаком минус изменяется после сборки знак напряжений значительные тангенциальные напряжения из растягивающих переходят в сжимающие, а незначительные радиальные из сжимающих в растягивающие при одновременном уменьшении посадочных диаметров бандажа и оси.

Именно изменение знака напряжения существенно улучшает напряженное состояние бандажа после сборки и при последующей эксплуатации валка. Это дает преимущество перед известными решениями повышения надежности, т.е. гарантированной передачи больших крутящих моментов без снижения усталостной и контактной прочности составного прокатного валка, а именно: прочности на растяжение, изгиб и появления выкрошек.

Если изменение посадочных диаметров бандажа во время стягивания его в тангенциальном направлении при сборке будет меньше -60•10^-5, то в дальнейшем под действием внешней нагрузки происходит интенсивный рост уровня эквивалентных напряжений как на посадочной поверхности, так и в наружных поверхностных слоях бандажа и появляются растягивающие тангенциальные напряжения, снижающие надежность и срок службы валка при эксплуатации. Если величина стягивания будет больше 100•10^-5, то после сборки валка на посадочной поверхности бандажа возникают большие радиальные растягивающие напряжения, превышающие допустимый уровень прочности на разрыв материала оси и бандажа. И, кроме того, при последующей эксплуатации такого валка под нагрузкой вновь наблюдается интенсивный рост эквивалентных напряжений на посадочной поверхности бандажа, отрицательно влияющей на надежность. Таким образом, для стальных валков с тонкостенным бандажом, когда относительная толщина бандажа t/R равна 0,2 (где t толщина бандажа, R наружный радиус валка), относительное стягивание -(60^oC100)•10^-5 являются оптимальным.

На фиг. 1 показан график зависимости относительных радиальных σ_x/q_max тангенциальных σ_y/q_max и максимальных касательных напряжений 2τ_max/q_max = σ_экв/q_max где q_max максимальное контактное давление при прокатке бандажа составного валка по линии действия внешней нагрузки P=1,5 кН при толщине бандажа t/R=0,2 и посадках с относительным зазором δ_r/d 0 (сплошная линия) и относительным радиальным натягом δ_r/d 100•10^-5 (пунктирная линия) и относительным радиальным стягиванием δ_r/d 70 •10^-5 (штрих-пунктирная линия) от величины текущего радиуса ρ
На фиг. 2 показан график зависимости напряжений s_x/q_max σ_y/q_max и 2τ_max/q_max соответственно при толщине бандажа t/R=0,2, внешней нагрузки P= 1,5 кН посадках с зазором δ_r/d 0, относительным натягом δ_r/d 100•10^-5 и относительным стягиванием δ_r/d -60•10^-5.

На фиг. 3 показан график зависимости напряжений σ_x/q_max, σ_y/q_max и 2τ_max/q_max соответственно при посадке с относительным стягиванием δ_r/d -100•10^-5 (где δ_r абсолютный натяг, d посадочный диаметр валка). Причем кривые 1 на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 отражают графическую зависимость относительных радиальных напряжений σ_x/q_max от величины текущего радиуса ρ кривые 2 соответственно графическую зависимость относительных тангенциальных напряжений s_y/q_max а кривые 3 графическую зависимость относительных максимальных касательных напряжений 2τ_max/q_max от величины текущего радиуса ρ
На фиг. 4 представлена графическая зависимость относительных эквивалентных напряжений s_экв/q_max в бандаже составного валка по линии внешней нагрузки P= 1,5 кН от величин относительных радиальных стягиваний при относительной толщине бандажа t/R=0,2. Линия 1 отражает зависимость относительных напряжений σ_экв/q_max от вида посадок в наружном поверхностном слое, а линия 2 соответственно на посадочной поверхности бандажа при t/R=0,2. Причем правые ветви линий 1 и 2 показывают уровень напряжений σ_экв/q_max в бандаже при посадках с натягом, когда величина относительного радиального натяга изменяется от δ_r/d 0 (посадка с зазором) до δ_r/d 100•10^-5 (горячая посадка). Левые ветви линий 1 и 2 отражают уровень напряжений σ_экв/q_max в бандаже при посадках со стягиванием, когда величина относительного радиального стягивания изменяется от δ_r/d 0 (посадка с зазором) до δ_r/d - 100•10^-5.

Предлагаемый способ сборки составного прокатного валка осуществляется следующим образом.

Предварительно к оси валка, содержащей на посадочной поверхности наружный резьбовой участок, бурт, продольные выступы типа "ласточкина хвоста" и внутреннюю глухую полость с резьбовым присоединительным участком, подсоединяют гидросистему.

При подаче жидкости соответствующего давления во внутреннюю глухую полость происходит увеличение посадочного диаметра в радиальном и удлинение оси в осевом направлениях. Затем бандаж, на внутренней посадочной поверхности которого выполнены продольные пазы, соответствующие по профилю выступам оси, насаживают на ось по посадке с зазором и перемещают его в продольном направлении до упора в наружный бурт оси. При этом пазы бандажа свободно входят в зацепление с соответствующими выступами оси. Выборку зазора между торцевыми поверхностями бандажа и наружного бурта осуществляют с помощью накидной гайки, которую навинчивают на ось со стороны наружного резьбового участка и фиксируют стопорными винтами. После торцевого зазора давление жидкости сбрасывают и гидросистему отсоединяют. Ось уменьшается по диаметру и сокращается по длине. Происходит сжатие бандажа между накидной гайкой и упорным буртом оси в осевом направлении и стягивание (сжатие) посадочной поверхности в тангенциальном направлении непосредственно в разъеме "бандаж-ось", которое сопровождается максимальным уменьшением посадочного диаметра в указанном интервале по всей длине бандажа за счет радиального перемещения заплечиков пазов бандажа и соответствующих выступов оси. В прототипе имеет место максимальное уменьшение посадочного диаметра бандажа только на концевых участках в разъеме "бандаж-кольцо", а не в разъеме "бандаж-ось".

После сборки валка по предлагаемому способу в бандаже возникают большие тангенциальные сжимающие и незначительные по величине радиальные растягивающие напряжения, достигающие своих максимальных значений на посадочной поверхности. При последующей эксплуатации валка под нагрузкой радиальные напряжения вновь меняют свой знак на противоположный из растягивающих они полностью переходят в сжимающие по всей толщине (кривые 1 фиг. 1, фиг.2 и фиг. 3) при одновременном сохранении, в отличие от прототипа, определенного уровня сжимающих напряжений в тангенциальном направлении на посадочной поверхности бандажа по всей его длине (штрих-пунктирные кривые 2 фиг. 1, фиг.2 и фиг.3).

Таким образом, посадочная поверхность бандажа находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия. В прототипе имеет место наличие тангенциальных сжимающих напряжений по всей толщине бандажа только на его концевых участках, а на основной длине валка, т.е. на участке бандажа между концевыми стяжными кольцами, при эксплуатации возникают значительные растягивающие тангенциальные напряжения, которые достигают своих максимальных значений именно на посадочной поверхности бандажа и переходят в сжимающие только в зоне поверхностных (приконтактных) слоев валка ( сплошные кривые 2 фиг. 1, фиг. 2 и фиг.3). Это приводит к резкому повышению уровня эквивалентных напряжений ( сплошные кривые 3 фиг. 1, фиг. 2 и фиг.3) и разрушение бандажа.

Фиг.1, фиг.2 и фиг. 3 иллюстрируют, что после сборки валка под действием внешней нагрузки q_max тангенциальные растягивающие напряжения σ_y/q_max на посадочной поверхности бандажа при посадках с зазором δ_r/d 0 (сплошные кривые 2) снижаются в 2,7 раза по сравнению с посадками с натягом δ_r/d 100•10^-5 (пунктирные кривые 2) и переходят в сжимающие при посадках со стягиванием δ_r/d-(60•100)•10^-5 (штрих-пунктирные кривые 2). Максимальная величина данных напряжений по толщине бандажа при посадках с зазором (сплошные кривые 2) уменьшается более чем в 2 раза по сравнению с посадками с натягом δ_r/d 100•10^-5 (пунктирные кривые 2), но увеличивается от 3 раз по сравнению с посадкой со стягиванием δ_r/d -60•10^-5 (штрих-пунктирная кривая 2 фиг.2) до 5 раз по сравнению с посадкой со стягиванием δ_r/d -70•10^-5 (штрих-пунктирная кривая 2 фиг.1). При дальнейшем возрастании величины относительного стягивания до -100•10^-5 растягивающие напряжения σ_y/q_max полностью переходят в сжимающие (штрих-пунктирная кривая 2 фиг. 3).

Кроме того, графические зависимости 2 фиг.1 и фиг.2 показывают, что зона залегания напряжений σ_y/q_max по толщине предварительно сжатого бандажа при посадках со стягиванием во время прокатки смещается от посадочной поверхности и вглубь бандажа по сравнению с посадками с натягом и зазором. Причем протяженность этой зоны по толщине бандажа при посадке со стягиванием δ_r/d -60•10^-5 (штрих-пунктирная кривая 2 фиг. 2) уменьшается на 21% по сравнению с посадкой с зазором δ_r/d 0 (сплошные кривые 2 фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3), а при посадке со стягиванием δ_r/d -70•10^-5 (штрих-пунктирная кривая 2 фиг. 1) она уменьшается на 33% по сравнению с посадкой δ_r/d 0 и составляет не более 50% всей толщины бандажа.

Как показывают результаты, представленные на фиг. 4, для стального составного прокатного валка с толщиной стенки бандажа t/R=0,2 величина относительного радиального стягивания должна составлять δ_r/d -(60•100)•10^-5.

Если величина стягивания δ_r/d будет меньше -60•10^-5, то наблюдается интенсивный рост уровня эквивалентных напряжений σ_экв/q_max на посадочной поверхности бандажа более чем на 7% (левая ветвь линии 2 фиг. 4) и свыше 5% в наружных слоях (левая ветвь линии 1 фиг.4), что влечет за собой увеличение зоны залегания растягивающих тангенциальных напряжений σ_y/q_max по толщине бандажа свыше 12% (штрих-пунктирные кривые 2 на фиг. 2 и фиг. 1) и снижение надежности валка при эксплуатации. Посадка бандажа со стягиванием свыше δ_r/d -100•10^-5 нецелесообразна, так как в этом случае возможно пластическое сжатие и разрушение при сборке валка элементов сопряжения бандажа и оси по условию прочности на разрыв. И, кроме того, возрастает более чем на 20% уровень напряжений σ_экв/q_max на посадочной поверхности бандажа (левая ветвь линии 2 фиг. 4), что вновь отрицательно сказывается на надежности валка при эксплуатации.

Установлено, что возможно получить нулевой уровень эквивалентных напряжений σ_экв/q_max при минимальном уровне растягивающих тангенциальных напряжений σ_y/q_max на посадочной поверхности бандажа со стягиванием, равным или близким к δ_r/d -70•10^-5 (левая ветвь линии 2 фиг.4), что практически исключено при посадках с зазором и натягом, имеющих место в прототипе (правая ветвь линии 2 фиг. 4). Причем максимальная величина эквивалентных напряжений σ_экв/q_max в наружном слое валка при переходе от посадок с натягом δ_r/d 100•10^-5 к посадкам с зазором δ_r/d 0 уменьшается в 1,48 раза (кривая ветвь линии 1 фиг. 4), а при переходе от посадки с зазором δ_r/d 0 к посадке со стягиванием δ_r/d -70•10^-5 уменьшается в 1,53 раза (левая ветвь линии 1 фиг. 4), что положительно сказывается на повышении надежности всего валка при эксплуатации.

Применение предлагаемого способа сборки составной конструкции наиболее эффективно для валков малого диаметра, например, для двухвалковых клетей станов холодной прокатки и плющения тонких полос, лент и фольги. В качестве примера приведена технология сборки составного валка двухвалковой клети плющильного стана 70/45 Московского завода по обработке специальных сплавов.

Пример 1. Берут составной прокатный валок, содержащий ось из стали 40ХН с наружным посадочным диаметром по впадинам 55,6 мм и бандаж из стали 9Х2 с наружным диаметром 70 мм и внутренним посадочным диаметром по выступам 56 мм. На посадочной поверхности бандажа выполнены продольные пазы в виде "ласточника хвоста" глубиной 3 мм, а на оси продольные выступы соответствующего профиля высотой 3 мм. Диаметр внутренней глухой полости оси в районе сопряжения с бандажом равен 50,4 мм. Масло во внутреннюю полость подают под давлением 165 атм.

После обработки валка с относительной толщиной стенки бандажа t/R=0,2 и диаметром внутренней полости оси 50,4 мм величина относительного стягивания бандажа в окружном направлении составляет δ_r/d -70•10^-5 (фиг.4), т.е. посадочный диаметр бандажа после сборки уменьшается на 39 мкм. В этом случае при прокатке напряжения на посадочной поверхности бандажа равны или весьма близки к нулевому уровню (левая ветвь линии 2, фиг. 4), а в наружном слое (зоне действия максимальных касательных напряжений) они составляют 71% q_max (левая ветвь линии 1 фиг.4), т.е. давление 166 атм является оптимальным.

Пример 2. Берут составной прокатный валок, содержащий ось из стали 40ХН и бандаж из стали 9Х2 с аналогичными примеру 1 геометрическими размерами. Масло во внутреннюю глухую полость оси подают под давлением 142 атм после сборки валка посадочный диаметр бандажа уменьшается на 34 мкм, что соответствует величине относительного стягивания δ_r/d -60•10^-5.

Снижение давления масла, подводимого во внутреннюю полость оси при сборке валка, со 166 атм до 142 атм приводит к незначительному увеличению при эксплуатации напряжений σ_экв/q_max на посадочной поверхности бандажа и в его наружных слоях. Это увеличение не превышает 7% на посадочной поверхности (левая ветвь линии 2 фиг. 4) и 5% в наружных слоях (левая ветвь линии 1 фиг. 4). Дальнейшее снижение давления масла ниже 142 атм, например до 118 атм, приводит к резкому увеличению (более 15%) напряжений σ_экв/q_max как на посадочной поверхности, так и в наружных слоях бандажа, и в конечном итоге снижает на 20-30% надежность и срок службы валка при эксплуатации.

Пример 3. Берут составной прокатный валок, содержащий ось из стали 40НХ и бандаж из стали 9Х2 с аналогичными примеру 1 геометрическими размерами. Масло во внутреннюю глухую полость подают под давлением 237 атм. После сборки вала посадочный диаметр бандажа уменьшается на 56 мкм, что соответствует величине относительного стягивания δ_r/d -100•10^-5.Повышение давления масла при сборке валка с 166 атм до 237 атм приводит к уменьшение напряжений σ_экв/q_max в наружных слоях на 15-16% (левая ветвь линии 1 фиг.4), но к увеличению напряжений σ_экв/q_max на посадочной поверхности до 20-21% (левая ветвь линии 2 фиг. 4). Дальнейшее увеличение давления масла свыше 237 атм, например 260 атм, приводит к резкому увеличению (более 30% ) напряжений σ_экв/q_max на посадочной поверхности бандажа и снижение на 30-40% надежности валка при эксплуатации.

Предлагаемый способ сборки составного прокатного валка обеспечивает улучшение напряженного состояния тонкостенного бандажа в результате обеспечения нулевого или минимального уровня эквивалентных напряжений на посадочной поверхности и минимального уровня тангенциальных растягивающих напряжений по толщине бандажа при эксплуатации, перераспределения напряжений на посадочной поверхности бандажа после сборки: тангенциальные напряжения из растягивающих переходят в сжимающие. Кроме того, при эксплуатации такого валка снижается от 20% до 100% протяженность зоны залегания растягивающих тангенциальных напряжений по толщине бандажа (фиг. 1, фиг. 2, фиг.3), исключается проскальзывание бандажа относительно оси и его разрушение по образующей и повышается в 1,8-2,0 раза надежность и срок службы валка за счет создания предварительно напряженной конструкции с большим уровнем сжимающих напряжений в тангенциальном и осевом направлениях.

Использование: повышение надежности прокатного валка при эксплуатации путем создания предварительно - напряженного состояния, устранения остаточных эквивалентных напряжений на посадочной поверхности и обеспечения минимального уровня растягивающих тангенциальных напряжений по толщине бандажа. Сущность изобретения: окончательное сопряжение бандажа и оси производят при соблюдении соотношения (D₂ - D₁)/D₁ =- (60•100)•10^-5, где D₁ - посадочный диаметр бандажа до сборки, D₂ - посадочный диаметр бандажа после сборки. 4 ил.

Способ сборки составного прокатного валка, включающий предварительное сопряжение бандажа и оси по посадке с зазором и окончательное сопряжение при сборке, отличающийся тем, что окончательное сопряжение бандажа и оси производят при соблюдении соотношения

где D₁ посадочный диаметр бандажа до сборки;
D₂ посадочный диаметр бандажа после сборки.