ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ КОРОБКА ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ Российский патент 1998 года по МПК B21B33/00 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для защиты от технологических перегрузок нажимных устройств и валков прокатной клети.

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

Известно предохранительное устройство прокатной клети [1], включающее расположенный между подушками валков и нажимным устройством клиновой предохранительный механизм, выполненный несамотормозящимся с пружинным элементом, размещенным между клином и регулировочным винтом.

Известное устройство снижает жесткость прокатной клети, так как клинья перемещаются даже при незначительных усилиях за счет податливости пружины.

Известно также предохранительно-разгрузочное устройство прокатной клети [2], включающее размещенные под нажимным средством пуансон и корпус, образующие рабочую полость, заполненную эластомером, передающим давление, и разрушаемый элемент, выполненный в виде кольцевого бандажа, установленного на корпусе с охватом материала, передающего давление. При этом кольцевой бандаж выполнен с вертикальной проточкой и имеет бурт на внутренней поверхности со стороны опорного торца.

Проточка является концентратором напряжений, что снижает усталостную прочность разрушаемого элемента и всего известного устройства в целом при повторно-переменных нагрузках.

Известна также предохранительная коробка (принятая за прототип), включающая два боковых клина, соединенных между собой и контактирующих с упорным клином [3]. Боковые клинья соединены двумя болтами, имеющими проточенные цилиндрические шейки.

В известной предохранительной коробке соединительные болты разрушаются неодновременно, вследствие чего возникает перекос коробки. При разрушении соединительных болтов возникают удары в линии нажимного устройства. Проточенные цилиндрические шейки соединительных болтов являются концентраторами напряжений, что снижает усталостную прочность болтов и вызывает их разрушение при номинальных нагрузках. Кроме того, известная предохранительная коробка обладает высокой упругой податливостью, снижающей жесткость рабочей клети.

В основу изобретения поставлена задача разработать предохранительную коробку прокатной клети, в которой новые элементы и их взаимное расположение позволили бы уменьшить динамические усилия в линии нажимного устройства после срабатывания, увеличить усталостную прочность соединительных болтов, выровнять усилия трения на торцах предохранительной коробки и упростить ее замену, а также уменьшить упругую податливость предохранительной коробки.

Для решения поставленной задачи в предохранительной коробке прокатной клети, включающей два боковых клина, соединенных между собой и контактирующих с упорным клином, согласно изобретению боковые клинья установлены вплотную друг к другу и снабжены тремя соединительными болтами, причем центральный соединительный болт выполнен из высокопрочного материала, а крайние соединительные болты выполнены из пластичного материала.

Центральный соединительный болт имеет проточную цилиндрическую шейку, а крайние соединительные болты выполнены гладкими.

Кроме того, предохранительная коробка прокатной клети снабжена дополнительным упорным клином, симметричным имеющемуся, при этом упорные клинья установлены с возможностью перемещения друг к другу.

Верхний и нижний упорные клинья соединены между собой стяжными болтами.

Для того, чтобы исключить удары и перекосы в линии нажимного устройства при срабатывании предохранительной коробки, крайние соединительные болты не разрушаются, а лишь пластически деформируются до замыкания упорных клиньев. Усилие срабатывания определяет третий, центральный болт, выполненный из высокопрочного материала. Он может быть гладким или с проточенной цилиндрической шейкой. При наличии шейки все пластические деформации будут сосредоточены в ней, следовательно, общая податливость предохранительной коробки уменьшится, что позволит увеличить жесткость прокатной клети. Однако шейка является концентратором напряжений, который снижает усталостную прочность болта.

Усталостную прочность центрального соединительного болта эффективнее всего повысить изменением характера его нагружения (коэффициента асимметрии цикла). Это возможно, если предохранительная коробка будет представлять собой предварительно напряженную пару, причем одним из элементов пары должен являться центральный соединительный болт. Пара предварительно нагружена усилием P_п, при этом в болте возникает напряжение σ_п. При внешнем воздействии на такой элемент пульсирующим циклом σ_min= 0; ; σ_max= σ_в он будет нагружен циклом σ_min= σ_п; σ_max= σ_в. Это меняет коэффициент асимметрии и увеличивает запас усталостной прочности, который можно определить по формуле (1)

где σ_α - амплитуда переменных составляющих цикла напряжений;
σ_m - постоянная составляющая цикла напряжений;
ψ_σ - коэффициент, корректирующий влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости;
K_d - масштабный фактор;
K_F - фактор шероховатости;
K _$$$ - эффективный коэффициент концентрации напряжений;
K_σ - предел выносливости.

Для центрального соединительного болта, выполненного из легированной стали
σ_-1
Постоянная составляющая цикла
ψ_σ= 0,15; K_d= 1,0; K_F= 1,0; K_σ= 1,6; σ_-1≈ 0,4•σ_в
амплитуда переменной составляющей цикла:

Для разрушающейся детали После подстановки имеем
n_σ= 1,0.
Решая полученное уравнение относительно , получаем
σ_п
т.е. для исключения влияния усталости на центральный соединительный болт в нем необходимо создать предварительное напряжение не менее 0,65 от предела прочности.

Для гладкого центрального соединительного болта σ_п≈ 0,65•σ_в,
Тогда имеем
K_σ= 1,0.
Решая полученное уравнение относительно , получаем
σ_п
т. е. для исключения влияния усталости в этом случае потребуется создать в болте предварительное напряжение не менее 0,4 от предела прочности.

С этой целью в конструкцию введены стяжные болты. Кроме того, они позволяют устанавливать предохранительную коробку в прокатную клеть и демонтировать ее как единое целое.

Введение в конструкцию предохранительной коробки прокатной клети нижнего упорного клина позволяет выровнять условия трения на торцах коробки. Боковые клинья установлены вплотную друг к другу с целью облегчения монтажа.

На фиг. 1 представлен вариант выполнения предохранительной коробки прокатной клети в сопряженном состоянии; на фиг. 2 - крайний гладкий соединительный болт; на фиг. 3 - вариант выполнения предохранительной коробки прокатной клети со стяжными болтами; на фиг. 4 - центральный соединительный болт с проточенной цилиндрической шейкой; на фиг. 5 - диаграммы растяжения соединительных болтов из пластичного материала (а - с проточкой; б - без проточки); на фиг. 6 - диаграммы растяжения соединительных болтов из высокопрочного материала (в - с проточкой; г - без проточки); на фиг. 7 - нагрузочная диаграмма предохранительной коробки прокатной клети; на фиг. 8 - схема усилий, возникающих в клиновой паре.

Предохранительная коробка прокатной клети включает боковые клинья 1, связанные тремя соединительными болтами 2 (фиг. 1). Центральный соединительный болт выполняется из высокопрочного материала (например, легированной стали) и может иметь проточенную цилиндрическую шейку (фиг. 4). Крайние соединительные болты выполняются из пластичного материала (например, малоуглеродистой стали). Они гладкие (фиг. 2). С боковыми клиньями контактируют упорные клинья 3 и 4. Они могут быть соединены стяжными болтами 5 (фиг. 3).

Предохранительная коробка прокатной клети работает следующим образом.

В процессе предварительной настройки предохранительную коробку прокатной клети, собранную так, как показано на фиг. 3, осаживают при помощи тарировочного пресса. При этом сближение упорных клиньев 3 и 4 происходит за счет деформации соединительных болтов 2, которые получают предварительное напряжение растяжения. По достижении требуемой величины предварительного напряжения затягивают гайки стяжных болтов 5. После этого предохранительную коробку прокатной клети извлекают из тарировочного пресса.

В прокатной клети предохранительную коробку устанавливают между нажимным средством и подушкой прокатного валка. Зависимость усилия на болтах Q от внешнего усилия P (фиг. 8) определяется по формуле (2)
σ_п≈ 0,4•σ_в,
где f - коэффициент трения скольжения в клиновой паре;
- угол наклона поверхностей скольжения в клиновой паре к вертикали.

Формула (2) применима для значений угла α, меньших угла самоторможения в клиновой паре.

Центральный соединительный болт разрушается при нагрузке P_р (фиг. 6). Крайние соединительные болты пластически деформируются (т.е. "текут") при усилии P_т каждый (фиг. 5). Тогда усилие срабатывания предохранительной коробки прокатной клети (фиг. 7)
P_ср. = P_р + 2 • P_т,
причем 2 • P_т приблизительно равно 0,8 • P_р, т.е. P_т приблизительно равно 0,4 • P_р. Этим достигается "мягкость" срабатывания. Крайние соединительные болты не разрушаются, т.к. раньше происходит замыкание упорных клиньев 3 и 4. После снятия избыточной нагрузки предохранительная коробка целиком извлекается из прокатной клети для замены соединительных болтов.

Предложенная предохранительная коробка прокатной клети испытана в лаборатории кафедры "ПГС и сопротивление материалов" Приазовского гостехуниверситета.

Использование предохранительной коробки прокатной клети в сравнении с прототипом позволяет уменьшить ее упругую податливость в 1,2-1,3 раза, увеличить усталостную прочность соединительных болтов в 2,5-3,0 раза, уменьшить динамические усилия в линии нажимного устройства в 4,0-5,0 раз, упростить замену предохранительной коробки в 1,5-2,0 раза.

Использование: прокатное производство, защита от технологических перегрузок нажимных устройств и валков прокатных клетей. Сущность изобретения: предохранительная коробка прокатной клети представляет собой два боковых клина, которые соединены между собой болтами. Сверху и снизу с боковыми клиньями контактируют верхний и нижний упорные клинья, воспринимающие усилие прокатки. Болты работают на разрыв. При возникновении перегруза в линии нажимного устройства болты разрушаются. Верхний и нижний упорные клинья перемещаются навстречу друг другу, ликвидируя перегруз. Кроме того, при заедании нажимного винта или защемлении между валками прокатываемого металла винт легко освобождается ослаблением гаек соединительных болтов коробок и раздвижением их боковых клиньев. Для удобства монтажа боковые клинья могут быть сдвинуты вплотную друг к другу. Соединительные болты выполнены гладкими с целью повышения их усталостной прочности посредством ликвидации концентрации напряжении. Предлагается соединять боковые клинья тремя болтами. При этом центральный соединительный болт выполнен из высокопрочного материала (например, легированной стали), а крайние соединительные болты выполнены из пластичного материала (например, малоуглеродистой стали). Основную часть нагрузки воспринимает центральный болт. После его разрушения крайние соединительные болты пластически деформируются до соприкосновения верхнего и нижнего упорных клиньев. Эти болты не разрушаются. Таким образом суще- ственно снижаются динамические нагрузки в линии нажимного устройства. Для удобства установки и извлечения предохранительной коробки под нажимной винт предлагается верхний и нижний упорные клинья соединить стяжными болтами. Этими же болтами можно предварительно нагрузить коробку усилием, равным 0,4... 0,6 от разрушающего. Соединительные болты оказываются предварительно напряженными, что увеличивает их усталостную прочность. При этом с целью уменьшения деформации, предшествующей разрушению, центральный соединительный болт можно выполнять с проточкой. Крайние соединительные болты остаются гладкими. Технический результат: использование предохранительной коробки прокатной клети в сравнении с прототипом позволяет уменьшить ее упругую податливость в 1,2 - 1,3 раза, увеличить усталостную прочность соединительных болтов в 2,5 - 3,0 раза, уменьшить динамические усилия в линии нажимного устройства в 4 - 5 раз, упростить замену предохранительной коробки. 3 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Предохранительная коробка прокатной клетки, включающая два боковых клина, соединенных между собой и контактирующих с упорным клином, отличающаяся тем, что боковые клинья установлены вплотную друг к другу и снабжены тремя соединительными болтами, причем центральный соединительный болт выполнен из высокопрочного материала, а крайние соединительные болты - из пластичного материала. 2. Коробка по п. 1, отличающаяся тем, что центральный соединительный болт имеет проточенную цилиндрическую шейку, а крайние соединительные болты выполнены гладкими. 3. Коробка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным упорным клином, симметричным имеющемуся, при этом упорные клинья установлены с возможностью перемещения друг к другу. 4. Коробка по п. 3, отличающаяся тем, что верхний и нижний упорные клинья соединены между собой стяжными болтами.