ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЕ НАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК B21B31/32 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано в качестве нажимного устройства рабочих клетей листовых станов горячей и холодной прокатки.

Известно гидромеханическое нажимное устройство (ГМНУ) прокатной клети, включающее винт с гайкой-плунжером, установленной в цилиндре в верхней поперечине станины, на торце винта выполнена сферическая пята, контактирующая со сферическим подпятником, установленным на подушке верхнего опорного валка, при этом цилиндр зафиксирован от проворота на станине с помощью горизонтальных полукольцевых скоб (см. А.И.Целиков и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. - М.: Металлургия, 1981, с. 190-191, рис. 1V, 33, в).

Недостатками аналога являются сложность, низкая надежность конструкции и перекосы гайки-плунжера относительно нажимного винта из-за сферического контакта пяты нажимного винта с подпятником. Это приводит к быстрому износу резьбового соединения винта с гайкой, уплотнений между гайкой-плунжером и цилиндром и выходу ГМНУ из строя.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является гидромеханическое нажимное устройство прокатной клети, включающее винт с гайкой, установленной в верхней поперечине станины, на торце хвостовика которого закреплена пята, месдозу для измерения усилия прокатки, короткоходовой гидравлический цилиндр, опирающийся на подушку верхнего опорного валка, ступенчатый плунжер, установленный в цилиндре и закрепленный на хвостовике нажимного винта, уплотнительную направляющую крышку, закрепленную на цилиндре, через которую проходит верхняя часть плунжера меньшего диаметра, при этом плунжер выполнен с глухим центральным отверстием, в котором установлен подпятник, контактирующий с пятой нажимного винта, кроме того, плунжер связан с траверсой, взаимодействующей с датчиками измерения относительного перекоса цилиндра и плунжера, закрепленными на цилиндре (см. публикацию фирмы SMS "Гидравлическое нажимное устройство", рис. 12, 13, а также журнал "МРТ (Verlag Stahleisen)" ФРГ, 1985, 1, с. 54-65, рис. 12, 13).

Прототип при более надежной конструкции, чем аналог, также обладает рядом недостатков. Главным из них, как и у аналога, является сопряжения пяты нажимного винта с подпятником по сферической поверхности.

При захвате полосы рабочими валками возникают их крутильные колебания, вызываемые изменением моментов упругости в шпинделях привода валков. На фиг. 1 в качестве примера показаны осциллограммы изменения моментов упругости в верхнем (М_S1) и нижнем (М_S2) шпинделях чистовой клети 12 стана 2000 горячей прокатки ОАО "Северсталь" при прокатке полосы 3х1420 мм из стали марки 08пс.

Как следует из осциллограмм, в начальный момент захвата происходит нарастание моментов упругости, которое сопровождается торможением и снижением угловой скорости рабочих валков. Максимумы моментов (М_S1 = 41,8 кН•м и М_S2 = 100,7 кН•м) соответствуют минимальной скорости валков. В момент снижения угловой скорости рабочих валков до минимума возникает проскальзывание относительно них опорных валков и на их контакте действуют силы трения скольжения, которые изменяют характер нагружения валков, подушек и нажимного винта.

На фиг. 2 показана схема нагружения внешними силами верхнего участка валковой системы и нажимного винта четырехвалковой клети с известным ГМНУ со сферическим контактом пяты нажимного винта и подпятника в начальный период захвата. В этот период в очаге деформации образуется только зона отставания, и на контакте рабочего валка с полосой возникают сила трения Т_S и сила P_S давления металла на валок. На опорный валок со стороны рабочего действует нормальная сила Р_w и сила трения - скольжения Т_w, обусловленная разницей окружных скоростей V_в= ω_вr_в и V_w= ω_wr_w и относительным проскальзыванием опорного и рабочего валков, где ω_вω_w - угловые скорости валков; r_в, r_w - их радиусы. При этом сила трения Т действует на опорный валок в направлении по ходу прокатки с некоторым наклоном к горизонтам, вызванным технологическим смещением ("свалом") рабочего валка относительно опорного в направлении прокатки.

Сила Т_w вызывает действие такой же силы на подушки опорного валка со стороны его шеек в точке А и момента М_w = Т_wr_в, действующего на валок против направления угловой скорости ω_в его вращения (на основании правила параллельного переноса сил). Этот момент увеличивает сопротивление вращению опорного валка и отчасти снижает его угловую скорость. Однако момент М_w практически не влияет на положение подушки, так как это влияние определяется силой жидкостного трения в подшипнике валка, которая не изменяется при изменении скорости его вращения.

Под действием силы Т_w, приложенной к подушке в точке А, происходит ее смещение в поле бокового зазора Δ_в между подушкой и стойкой станины в направлении прокатки и размыкание сферических поверхностей пяты и подпятника. На кромке сферической поверхности пяты в точке К возникает точечный контакт со сферической поверхностью подпятника, и подушка под действием момента М_в = Т_w•l, где l - плечо силы Т относительно точки К, разворачивается относительно этой точки против хода часовой стрелки. При этом гидроцилиндр ГМНУ, закрепленный на подушке опорного валка, совершает такие же движения, как и подушка. На пяту нажимного винта со стороны подпятника действует сила Р_h, приложенная в точке К и направленная по нормали к его сферической поверхности, и сила трения Т_w, направленная по касательной к ней. Реакция R_h силы Р_h, действующая на подушку, направлена по линии, проходящей по радиусу r_h в направлении оси опорного валка. На этой оси расположен центр О_в сферической поверхности пяты, поэтому реакция в начальный период захвата не создает момента, действующего на подушку.

Силы Р_h и Т_h вызывают появление момента М_h, действующего на нажимной винт, который разворачивает его против хода часовой стрелки в поле радиальных зазоров Δ_h в резьбовом соединении винт-гайка. Разворот происходит вокруг некоторого центра О_h, расположенного на оси нажимного винта.

В известной конструкции ГМНУ сферический подпятник установлен в глухой центральной расточке плунжера гидроцилиндра и перемещается вместе с плунжером. При описанных смещениях подушки и нажимного винта в поле зазоров Δ_в и Δ_h подпятник с плунжером вначале смещаются вместе с подушкой и гидроцилиндром по ходу прокатки, преодолевая силу трения Т в точке К. При этом, как уже отмечалось, происходит размыкание сферических поверхностей пяты и подпятника первоначальным его разворотом относительно точки К против хода часовой стрелки. При последующем движении под давлением жидкости в гидроцилиндре происходит замыкание сферического контакта пяты и подпятника, и он прижимается к пяте со смещением относительно нее и разворотом относительно гидроцилиндра и нажимного винта уже по ходу часовой стрелки. К этому моменту усилие поджатия подпятника к пяте определяется установившимся усилием прокатки, наступает устойчивое равновесие внешних и реактивных сил и моментов, в результате чего такое положение подушки с гидроцилиндром, плунжера с подпятником и нажимного винта становится устойчивым и сохраняется до конца прокатки полосы. Структурная схема ГМНУ и нагружения его элементов в этом положении показана на фиг. 3.

Как следует из схемы, подпятник с плунжером в устойчивом положении смещен относительно гидроцилиндра в направлении прокатки и развернут относительно них по сферической поверхности контакта с пятой радиуса r_h по ходу часовой стрелки. Смещение плунжера относительно цилиндра вызывает одностороннюю деформацию уплотнения, снижение его радиального поджатия к плунжеру и цилиндру и герметичности с противоположной стороны. При этом центр опорного валка перемещается из первоначального положения О_в в положение О'_в, а точка К кромки пяты нажимного винта занимает положение К'.

Устойчивое положение элементов ГМНУ обусловлено равновесием следующих внешних и реактивных сил и моментов, действующих на подушку, гидроцилиндр, плунжер и нажимной винт: Р_w - сила, действующая на подушку со стороны шейки опорного винта; R_l - сила давления рабочей жидкости на плунжер; R_w - реакция, действующая на подушку со стороны станины; R_h = P_l - реакция, действующая на подпятник со стороны пяты нажимного винта; Р_h = P_l - сила, действующая на пяту нажимного винта со стороны плунжера; R'_h - нормальная реакция на нажимной винт со стороны гайки; N_h - тангенциальные реакции, действующие на нажимной винт со стороны гайки; М'_в - суммарный момент, действующий на подушку от сил R_l и P_w и уравновешиваемый моментом от реакции R_w; M'_h - суммарный момент, действующий на нажимной винт от сил R'_h и P_h, уравновешиваемый моментом от реакций N_h.

В устойчивом положении при прокатке нажимной винт устанавливается с перекосом относительно гайки на угол α в поле радиальных зазоров Δ_h в резьбовом соединении, подушка - с перекосом на угол β относительно вертикальной оси клети в поле боковых зазоров Δ_в между подушкой и станиной, а плунжер - с перекосом на угол γ>β-α относительно гидроцилиндра.

При выходе полосы из рабочих валков возникает их ускорение под действием моментов упругости в шпинделях. Окружная скорость валков становится больше, чем опорных, и направление силы трения Т_w в точке С их контакта (см. фиг. 2) меняется на противоположное. В результате подушка опорного валка смещается против направления прокатки, разворачивается по часовой стрелке в поле боковых зазоров, и положение системы нажимной винт - плунжер - гидроцилиндр изменяется на противоположное, симметричное относительно оси рабочей клети, показанному на фиг. 3. При прокатке очередной полосы эта система вновь занимает положение, показанное на фиг. 3, и процесс чередования этих положений повторяется.

Из-за смены положений возникают периодические перекосы нажимного винта относительно гайки и плунжера относительно цилиндра. Эти перекосы происходят при больших контактных давлениях между ними, что ведет к быстрому разрушению уплотнений между плунжером и цилиндром, нарушению герметичности и появлению через него течей масла, повышенному износу резьбового соединения винт-гайка и выходу из строя ГМНУ.

По мере разрушения уплотнения увеличиваются угол γ перекоса плунжера относительно цилиндра и соответственно момент М'_h, действующий на нажимной винт, что повышает интенсивность износа резьбового соединения и увеличивает угол α перекоса винта относительно оси клети.

Так как плунжер через траверсу связан с датчиками измерения перекоса подушки с цилиндром относительно нажимного винта, от которых в систему управления поступает усредненный сигнал на установку раствора рабочих валков и соответственно на изменение давления рабочей жидкости в гидроцилиндре, при увеличении углов α и γ показания датчиков существенно не соответствуют истинным значениям раствора между валками. Это приводит к снижению эффективности работы автоматизированной системы управления процессом прокатки и точности прокатки, увеличению выхода вторых сортов проката, невозможности вести прокатку в поле суженных допусков и с минусовыми допусками и снижению производительности прокатного стана из-за невозможности вести учет прокатанного металла по теоретическому весу.

Целью настоящего изобретения является повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос, обеспечение возможности прокатки в поле суженных допусков и с минусовыми допусками, увеличение производительности прокатного стана за счет расчета количества прокатываемого металла по теоретическому весу, повышение надежности ГМНУ и эффективности автоматизированной системы управления процессом прокатки.

Поставленная цель достигается тем, что подпятник закреплен на диске, опирающемся на месдозу, установленную на дне глухого отверстия плунжера, контактирующие поверхности пяты нажимного винта и подпятника выполнены плоскими, над пятой на хвостовике нажимного винта установлено ограничительное кольцо, удерживаемое кольцевым буртом большего диаметра, чем диаметр хвостовика, выполненным на пяте, на кольце снизу закреплена траверса, к которой своим верхним торцом прикреплен плунжер, а на траверсе по обе стороны от оси нажимного винта выполнено по три кронштейна - один центральный, взаимодействующий с датчиком измерения перекоса плунжера относительно цилиндра, и два боковых с упорными башмаками, контактирующими с плоскими направляющими упорами, жестко закрепленными на стойках станины.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.4 изображено гидромеханическое нажимное устройство - общий вид в верхнем (слева от оси) и нижнем (справа от оси) положениях; на фиг. 5. - то же, разрез 1-1 на фиг. 4; на фиг. 6 - структурная схема ГМНУ с плоским контактом пяты нажимного винта и подпятника и схема нагружения элементов ГМНУ в устойчивом положении.

Гидромеханическое нажимное устройство включает нажимной винт 1 с гайкой 2, установленной в стакане 3 в верхней поперечине станины 4. На торце хвостовика винта с помощью болтов 5 закреплена съемная пята 6, которая от проворота на винте при его вращении удерживается шпонкой 7. Устройство содержит короткоходовой гидравлический цилиндр 8, опирающийся на промежуточную плитовину 9, закрепленную на подушке 10 опорного валка винтами 11. На внутренних поверхностях крюков подушки, предназначенных для ее подвешивания на балках уравновешивающего устройства, закреплены планки 12, контактирующие с лысками, выполненными на наружной поверхности цилиндра 8. Лыски предназначены для удержания цилиндра от проворота при вращении нажимного винта. В цилиндре установлен ступенчатый плунжер 13, закрытый уплотнительной направляющей крышкой 14, закрепленной на цилиндре винтами 15. Через крышку проходит верхняя часть плунжера 13 меньшего диаметра. Нижняя часть плунжера большего диаметра установлена непосредственно в цилиндре 8.

Плунжер выполнен с центральным глухим отверстием, на дне которого установлена месдоза 16 для измерения усилия прокатки. На месдозу опирается диск 17, на котором винтами 18 закреплен подпятник 19. Подпятник контактирует с пятой 6 нажимного винта 1 по плоской поверхности.

Между дном цилиндра 8 и нижним основанием плунжера 13 образуется напорная камера, в которую подается рабочая жидкость под давлением, обеспечивающим требуемое перемещение цилиндра с подушкой 10 при установке заданного раствора рабочих валков. Между заплечиками нижнего участка плунжера 13 большего диаметра и крышкой 14 образуется кольцевая возвратная камера 30, в которую подается рабочая жидкость при подъеме цилиндра. Герметизация напорной и возвратной камер осуществляется с помощью уплотнений 21 и 22.

Узел гидроцилиндра 8 с плунжером 13 закреплен на хвостовике нажимного винта 1. Для этого пята 6 нажимного винта выполнена с кольцевым буртом большего диаметра, чем диаметр хвостовика винта, а над буртом установлено ограничительное кольцо 23. На кольце снизу болтами 24 закреплена траверса 25, к которой своим верхним торцом с помощью болтов 26 прикреплен плунжер. Таким образом, плунжер жестко закреплен на траверсе, благодаря чему узел гидроцилиндра с плунжером надежно удерживается на хвостовике нажимного винта при перевалках верхнего опорного валка. В этом случае нажимной винт и гидроцилиндр перемещаются в крайнее верхнее положение. На фиг. 4 верхнее положение узла показано слева от оси нажимного винта.

На траверсе 25 по обе стороны от оси нажимного винта выполнено по три кронштейна (фиг. 5). Центральные кронштейны 27 связаны с датчиками 28, закрепленными на крышке 14 и предназначенными для измерения относительного перекоса подушки 10 с цилиндром 8 и плунжера 13. Величина перекоса определяется по разнице показаний левого и правого датчиков. Заданное положение шейки опорного валка по высоте при установке требуемого раствора рабочих валков определяется по полусумме показаний датчиков.

На боковых кронштейнах 29 закреплены опорные башмаки 30, контактирующие с плоскими направляющими упорами 31, жестко закрепленными на стойках станины 4.

Для удержания гидроцилиндров 8 от смещения в поперечном направлении вдоль оси клети в вертикальных пазах планок 12 установлены шпонки 32, расположенные в глухих прорезях, выполненных на наружной поверхности гидроцилиндров.

Благодаря использованию ГМНУ с плоским контактом пяты нажимного винта с подпятником при смещении подушки опорного валка в поле зазоров по ходу прокатки в период захвата полосы рабочими валками на подушку со стороны нажимного винта в горизонтальном направлении действует только сила трения на плоском контакте пяты с подпятником, которая весьма невелика из-за постоянной подачи смазки на поверхности контакта. В известном ГМНУ, кроме силы трения, на подушку действует также горизонтальная составляющая реакции R_h (см. фиг. 2), направленная против хода прокатки, которая значительно увеличивает момент М_в, разворачивающий подушку против хода часовой стрелки. Поэтому при использовании предлагаемого ГМНУ угол β разворота подушки будет меньше, чем в известном ГМНУ.

Уменьшается момент М_h, действующий на нажимной винт, и соответственно угол α его перекоса относительно гайки.

Под действием усилия Р_e давления жидкости в напорной камере подпятник 17 через диск 19 (фиг. 4) сопрягается с пятой 6 нажимного винта по плоским поверхностям, и плунжер наклоняется относительно гайки 2 на угол α (фиг. 6). При этом угол γ = β-α перекоса плунжера относительно цилиндра оказывается значительно меньше, чем в известном ГМНУ. Соответственно уменьшаются перекосы плунжера 13 относительно гидроцилиндра 8, интенсивность износа уплотнений 21 и 22 между плунжером и цилиндром утечки масла из гидросистемы, износ резьбового соединения винт-гайка и повышается надежность ГМНУ в целом.

Уменьшение углов относительных перекосов плунжера и цилиндра позволяет повысить точность измерения с помощью датчиков 28 углов перекоса подушки опорного валка 10 относительно нажимного винта 1 и установки рабочих валков в требуемое положение. Повышается эффективность работы автоматизированной системы управления процессом прокатки, точность прокатки и качество прокатываемых полос, снижается выход пониженных сортов и увеличивается выход годного проката. ГМНУ обеспечивает возможность прокатки в поле суженных допусков с минусовыми допусками и повышения производительности стана за счет расчета количества прокатанного металла по теоретическому весу.

Важным достоинством ГМНУ усовершенствованной конструкции является его компактность, высокая ремонтопригодность и надежность крепления на нажимном винте при отсутствии подушки опорного валка. Установка месдозы в плунжере надежно защищает ее от повреждений и обеспечивает высокую точность измерения усилия прокатки, что также способствует повышению точности и качества прокатываемых полос.

Достоинством ГМНУ является также возможность его использования в системах регулирования формы и профиля полосы при прокатке в скрещивающихся валках. Благодаря плоскому контакту пяты и подпятника обеспечивается возможность разворота опорного валка в горизонтальной плоскости относительно оси клети и рабочего валка в поле зазоров между нажимным винтом и элементами ГМНУ, закрепленными на подушках.

При применении же известного ГМНУ со сферическим контактом такой разворот опорных валков относительно оси клети невозможен.

Таким образом, конструкция ГМНУ с плоским контактом пяты нажимного винта с подпятником обеспечивает достижение более высоких показателей качества прокатываемых полос и надежности ГМНУ, чем со сферическим контактом, и может быть рекомендована к применению как на новых, так и на действующих листовых станах.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано в качестве нажимного устройства рабочих клетей листовых станов горячей и холодной прокатки. Гидромеханическое нажимное устройство прокатной клети включает нажимной винт с гайкой, месдозу для измерения усилия прокатки, короткоходовой гидравлический цилиндр, ступенчатый плунжер и уплотнительную направляющую крышку. Гайка нажимного винта установлена в верхней поперечине станины. На торце хвостовика нажимного винта закреплена пята. Короткоходовой гидравлический цилиндр смонтирован на подушке верхнего опорного валка. Ступенчатый плунжер установлен в цилиндре и закреплен на хвостовике нажимного винта. Через закрепленную на цилиндре уплотнительную направляющую крышку проходит верхняя часть плунжера меньшего диаметра. Плунжер выполнен с центральным глухим отверстием, в котором установлен подпятник. Подпятник контактирует с пятой нажимного винта по плоской поверхности. Плунжер прикреплен к траверсе своим верхним торцом. Траверса взаимодействует с датчиками измерения относительного перекоса цилиндра и плунжера, закрепленными на цилиндре. При этом месдоза установлена на дне глухого отверстия плунжера. Подпятник закреплен на диске, опирающемся на месдозу. Над пятой на хвостовике нажимного винта установлено ограничительное кольцо. Траверса закреплена снизу на кольце. По обе стороны от оси нажимного винта выполнено по три кронштейна. Центральный кронштейн взаимодействует с датчиком измерения переноса плунжера относительно цилиндра. Два боковых контактируют с плоскими направляющими упорами, жестко закрепленными на стойках станины. Изобретение обеспечивает повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос, увеличение производительности прокатного стана, повышение надежности ГМНУ и эффективности автоматизированной системы управления процессом прокатки. 6 ил.

Гидромеханическое нажимное устройство прокатной клети, включающее нажимной винт с гайкой, установленной в верхней поперечине станины, на торце хвостовика которого закреплена пята, месдозу для измерения усилия прокатки, короткоходовой гидравлический цилиндр, смонтированный на подушке верхнего опорного валка, ступенчатый плунжер, установленный в цилиндре, закрепленный на хвостовике нажимного винта и имеющий центральное глухое отверстие, в котором установлен подпятник, контактирующий с пятой нажимного винта, траверсу, связанную с плунжером и выполненную с возможностью взаимодействия с датчиками измерения относительного перекоса цилиндра и плунжера, закрепленными на цилиндре, и уплотнительную направляющую крышку, закрепленную на цилиндре и выполненную с возможностью размещения в ней верхней части плунжера меньшего диаметра, отличающееся тем, что месдоза установлена на дне глухого отверстия плунжера, на месдозу опирается диск с закрепленным на нем подпятником, контактирующие поверхности пяты нажимного винта и подпятника выполнены плоскими, над пятой на хвостовике нажимного винта установлено ограничительное кольцо с закрепленной снизу траверсой, удерживаемое выполненным на пяте кольцевым буртом большего диаметра, чем диаметр хвостовика, при этом плунжер прикреплен к траверсе своим верхним торцом и по обе стороны от оси нажимного винта на траверсе закреплены по три кронштейна, центральный из которых выполнен с возможностью взаимодействия с датчиком измерения перекоса плунжера относительно цилиндра, а два боковых - с упорными башмаками, выполненными с возможностью контакта с плоскими направляющими упорами, жестко закрепленными на стойках станины.