ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ШПИНДЕЛЬ ПРИВОДА ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ Российский патент 1998 года по МПК B21B35/14 

Изобретение относится к области прокатного производства и может быть использовано для защиты от технологических перегрузок главных линий приводов прокатных клетей.

В настоящий момент в данной области не решена проблема надежной механической защиты от поломок дорогостоящего прокатного оборудования.

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.

Наиболее часто предохранительные шпиндели используются на маховичных (например, пилигримовых) станах. Подавляющее большинство существующих пилигримовых станов имеют общий привод (двигатель и маховик) для двух клетей. В случае разрушения предохранительного шпинделя одной из главных линий необходимо останавливать двигатель и маховик, что влечет за собой простой всего стана. На остановку и разгон двигателя с маховиком, а также на замену разрушенного предохранительного шпинделя новым уходит более полутора часов. При поломке шпинделя привода вертикального валка черновой клети непрерывного широкополосного стана горючей прокатки его замена длится около часа, из-за чего нарушается технология прокатки полосы в остальных клетях.

Известен предохранительный шпиндель, содержащий трефовые соединения и цилиндрический участок. Кроме того, в известном шпинделе предусмотрены конусные (профильные) участки, соединенные между собой 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 [1].

Известный предохранительный шпиндель из-за наличия концентраторов напряжений 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 в виде валов 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 [2].

Известное устройство не исключает косых изломов и является одноразовым, то есть не подлежит восстановлению после срабатывания.

Известен также предохранительный шпиндель привода прокатной клети (принятый за прототип), содержащий шпиндельный вал с трефовыми головками на концах, состоящий из двух частей, одна из которых выполнена с осевой полостью, в которую входит цилиндрический хвостовик другой части, при этом обе части связаны между собой предохранительным элементом, представляющим собой отрезок трубы, прикрепленной к обеим частям шпиндельного вала при помощи сварных швов [3].

Восстановление работоспособности предохранительного шпинделя привода прокатной клети возможно лишь после замены разрушенного предохранительного элемента, что дорого и чревато простоями стана.

В основу изобретения поставлена задача разработать предохранительный шпиндель прокатной клети, в котором новые элементы и их взаимное расположение позволили бы автоматически восстанавливать работоспособность после срабатывания, что позволит повысить надежность его работы и упростить обслуживание, а также исключить простои стана, связанные с заменой разрушенных предохранительных элементов.

Для решения поставленной задачи в предохранительном шпинделе прокатной клети, содержащем шпиндельный вал с трефовыми головками на концах, состоящем из двух частей, одна из которых выполнена с осевой полостью, в которую входит цилиндрический хвостовик другой части (при этом обе части связаны между собой предохранительным элементом), согласно изобретению, предохранительный элемент выполнен в виде втулки из эластомера, размещенной в зазоре между цилиндрическим хвостовиком и стенкой осевой полости и поджатой в осевом направлении кольцевым буртом фланца, свободно посаженного на открытую часть хвостовика и связанного с фланцем, выполненным на части вала, имеющей полость.

Кроме того, между буртом поджимного фланца и втулкой из эластомера установлено уплотнительное кольцо.

Связь поджимного фланца с фланцем на части вала выполнена в виде болтов или шпилек, гайки которых подпружинены.

Далее текст соответствует первоначальному описанию.

Выполнение предохранительного шпинделя привода прокатной клети в виде двух раздельных шпиндельных головок, соединенных втулкой из эластомера (например, полиуретана), позволяет исключить расход предохранительных шпинделей при срабатывании из-за отсутствия физического разрушения и добиться автоматического восстановления работоспособности предохранительного шпинделя после срабатывания.

Известно, что в замкнутом объеме эластомеры ведут себя подобно жидкостям. Давление фланца на втулку из эластомера в осевом направлении приводит к равномерной передаче этого давления втулкой по всему замкнутому объему.

Между охватываемой деталью, втулкой и охватывающей деталью возникают силы трения, позволяющие шпинделю передавать полный крутящий момент. Если момент, приложенный к валкам стана, превышает момент трения в предохранительном шпинделе, то происходит поворот охватываемой детали относительно втулки. После нормализации величины внешнего технологического момента поворот прекращается и предохранительный шпиндель автоматически восстанавливает свою работоспособность.

Крутящий момент, передаваемый предохранительным шпинделем, вычисляются по формуле:
,
где
P - осевое усилие поджатия фланца;
d - диаметр охватываемой детали;
l - длина втулки;
f - коэффициент трения скольжения полиуретана по стали;
δ - - толщина втулки.

Коэффициент трения f может быть существенно повышен увеличением шероховатости охватываемой втулкой детали. При одинаковой механической обработке охватываемой и охватывающей деталей поворот всегда будет происходить по внутренней поверхности втулки, так как давление передается втулкой равномерно, а диаметр внутренней поверхности меньше диаметра наружной. Поэтому момент трения между охватываемой деталью и внутренней поверхностью втулки меньше, чем момент трения между охватывающей деталью и наружной поверхностью втулки. Увеличивая шероховатость охватываемой детали, можно добиться равенства моментов трения на внутренней и наружной поверхностях втулки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен осевой разрез варианта выполнения неразрушающегося предохранительного шпинделя привода прокатной клети.

Неразрушающийся предохранительный шпиндель привода прокатной клети размещен в главной линии привода и включает левую 1 и правую 2 трефовые головки, установленные в трефовых муфтах (на чертеже не показаны) и соединенные втулкой 3 из эластомера (например, полиуретана), расположенной в осевом цилиндрическом отверстии правой трефовой головки 2 и охватывающей осевой цилиндрический выступ левой трефовой головки 1. Фланец 4 через уплотнительное кольцо 5 поджимает втулку, создавая в ней напряженное состояние всестороннего сжатия. С правой трефовой головкой 2 фланец 4 соединен болтами 6, под гайками 7 которых расположены пружины 8 (например, тарельчатые).

Возможен вариант выполнения неразрушающегося предохранительного шпинделя привода прокатной клети без уплотнительного кольца 5 и без установки пружин 8 под гайками 7. Также возможна замена болтов шпильками, вкрученными одним концом в тело правой трефовой головки 2.

Неразрушающийся предохранительный шпиндель привода прокатной клети работает следующим образом.

При эксплуатации предохранительного шпинделя в рабочем диапазоне технологических нагрузок крутящий момент M_к передается с левой трефовой головки 1 через втулку 3 из эластомера на правую трефовую головку 2 (или наоборот) за счет трения, возникающего при поджатии втулки 3 фланцем 4 через уплотнительное кольцо 5. Фланец 4 притянут к правой трефовой головке 2 болтами 6 или шпильками. Под гайками 7 установлены пакеты тарельчатых пружин 8, по осадке которых определяется усилие затяжки. Кроме того, пружины 8 препятствуют самооткручиванию гаек 7 в процессе эксплуатации предохранительного шпинделя.

При превышении передаваемым крутящим моментом определенного заранее значения выключающего момента начинается вращение левой трефовой головки 1 относительно втулки 3 из эластомера и правой трефовой головки 2. После исчезновения перегруза вращение прекращается и предохранительный шпиндель автоматически восстанавливает свою работоспособность, передавая полную величину технологического крутящего момента точно так же, как и до срабатывания.

Сборка предохранительного шпинделя производится в механических мастерских в вертикальном положении. В цилиндрическое отверстие правой трефовой головки 2 последовательно вкладываются втулка 3 из эластомера, уплотнительное кольцо 5, фланец 4. Затем сверху до упора опускается левая трефовая головка 1. Вращением фланца 4 совмещаются отверстия под болты в нем и в правой трефовой головке 2. В отверстия вставляются болты 6, на них надеваются пакеты тарельчатых пружин 8 и накручиваются гайки 7. Усилием затяжки гаек 7, измеряемым по осадке пружин 8, регулируется давление втулки 3 на трефовые головки 1 и 2, создаваемые фланцем 4, а, следовательно, и передаваемый предохранительным шпинделем крутящий момент.

Предложенный предохранительный шпиндель испытан в лаборатории кафедры "ПГС и сопротивление материалов" Приазовского государственного технического университета. Опытный образец был изготовлен для привода вертикальных валков черновой клети N 2 непрерывного широкополосного стана 1700 горячей прокатки Мариупольского металлургического комбината им. Ильича. Втулка была выполнена из полиуретана марки СКУ ПФЛ-100 (E = 58 МПа, μ = 0.493) наружным диаметром D = 220 мм, внутренним диаметром d = 200 мм и длиной l = 300 мм. Правая лента трефовые головки были изготовлены из стали 45. Коэффициент сухого трения полиуретана по стали принят равным f = 0.12. Для обеспечения передачи необходимого крутящего момента M_к = 143 кНм усилие P поджатия втулки фланцем принято равным 400 кН (давление в рабочей полости при этом составило 63 МПа). Оно обеспечивается восемью шпильками М48х3. Под гайками на каждой шпильке установлены последовательно по 4 тарельчатых пружины НД 100 x 50 x 6.0 x 2.5. Для усилия P осадка составила 0.8 от полной.

Использование неразрушающегося предохранительного шпинделя привода прокатной клети, описанного в примере конкретного выполнения, в сравнении с прототипом позволяет полностью избежать аварийных простоев стана, связанных с восстановлением работоспособности предохранительного шпинделя.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявленного технического решения обеспечивает выполнение поставленной задачи.

Использование: прокатное производство, защита от технологических перегрузок главных линий прокатных клетей (преимущественно маховичных станов). Сущность изобретения: неразрушающийся предохранительный шпиндель привода прокатной клети представляет собой разъемный вал, образованный трефовыми головками, причем цилиндрический выступ одной из головок размещен в цилиндрической полости другой головки с зазором, снабженным втулкой из эластомера, контактирующей с фланцем, свободно посаженным на цилиндрический выступ и соединенным с полой трефовой головкой. Фланец установлен с возможностью взаимодействия со втулкой из эластомера через уплотнительное кольцо. Фланец создает во втулке напряженное состояние всестороннего сжатия. Втулка из эластомера, находясь в замкнутом объеме, равномерно передает осевое давление во всех направлениях. На цилиндрических контактных поверхностях между втулкой и трефовыми головками возникают силы трения, которые позволяют шпинделю передавать крутящий момент. При возникновении перегруза в главной линии крутящий момент, передаваемый предохранительным шпинделем, превышает момент трения, и одна трефовая головка поворачивается относительно втулки и другой трефовой головки. Средствами осевой фиксации фланца и полой трефовой головки могут служить шпильки или болты. Под их гайками установлены пружины, по осадке которых контролируется усилие затяжки, а, следовательно, и передаваемый крутящий момент. После срабатывания предохранительный шпиндель автоматически восстанавливает свою работоспособность. Технический результат: использование неразрушающегося предохранительного шпинделя привода прокатной клети в сравнении с прототипом позволяет полностью исключить простои стана, связанные с восстановлением работоспособности разрушенных предохранительных звеньев, что позволит повысить качество проката и обеспечить безаварийную работу оборудования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Предохранительный шпиндель привода прокатной клети, содержащий шпиндельный вал с трефовыми головками на концах, состоящий из двух частей, одна из которых выполнена с осевой полостью, в которую входит цилиндрический хвостовик другой части, при этом обе части связаны между собой предохранительным элементом, отличающийся тем, что предохранительный элемент выполнен в виде втулки из эластомера, размещенной в зазоре между цилиндрическим хвостовиком и стенкой осевой полости и поджатой в осевом направлении кольцевым буртом фланца, свободно посаженного на открытую часть хвостовика и связанного с фланцем, выполненным на части вала, имеющей полость. 2. Шпиндель по п. 1, отличающийся тем, что между буртом поджимного фланца и втулкой из эластомера установлено уплотнительное кольцо. 3. Шпиндель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что связь поджимного фланца с фланцем на части вала выполнена в виде болтов или шпилек, гайки которых подпружинены.