СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК Российский патент 2003 года по МПК B21B27/02 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве прокатных валков.

Известен составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бурт и бандаж, сопряженный с осью по посадке с натягом. После механической обработки сопрягаемых поверхностей оси валка и бандажа с обеспечением гарантированного натяга последующее их соединение осуществляют путем увеличения внутреннего диаметра бандажа или уменьшения диаметра оси валка за счет нагрева бандажа или охлаждения оси валка [1].

Недостатком данной конструкции валка является невозможность ее использования для бандажей, выполненных из износостойких, но недостаточно прочных на растяжение материалов, например чугуна.

Известен составной прокатный валок, содержащий ось и установленный на нее бандаж, имеющий на внутренних торцевых поверхностях кольцевые проточки с монтированными в них пружинно-затяжными кольцами, а в наружных проточках бандажа, выполненных у его торцов, с целью повышения прочности бандажа установлены кольцевые втулки, при этом сопряженные поверхности втулок и проточек бандажа выполнены коническими [2].

Недостатком данной конструкции валка является сложность изготовления элементов валка, низкая прочность бандажа, имеющего на наиболее опасных торцевых участках бандажа наружную и внутреннюю проточки, недостаточная надежность фиксации пружинно-затяжных колец с помощью гайки.

Известен составной прокатный валок, содержащий ось, бандаж с кольцами на концевых участках, посаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом [3]. Данная конструкция валка взята за ближайший аналог.

Недостатком валка является необходимость использования для посадки стяжных колец натяга, максимально допустимого из условий прочности материала стяжных колец, а также использовать для изготовления стяжных колец материалы, допускающие большие растягивающие напряжения. Кроме того, использование максимально допустимого натяга стяжных колец для обеспечения жесткости соединения бандажа с осью не позволяет компенсировать снижение натяга, а следовательно, и жесткости соединения бандажа с осью при нагреве валка при прокатке, вызванного разными коэффициентами температурного расширения материала бандажа и стяжных колец (у стальных стяжных колец он выше, чем у бандажа, изготовленного для данного типа конструкций из чугуна), а также при уменьшении наружного диаметра стяжных колец при переточках.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стойкости валка, улучшение условий работы бандажа и стяжных колец путем снижения необходимого натяга стяжных колец на кольцевых участках бандажа, расширения марочного сортамента материала стяжных колец, повышение надежности валка в работе при изменении натяга стяжных колец при нагреве валка или при переточках.

Поставленная задача достигается за счет того, что предложен составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, при этом ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, величина натяга концевых участков бандажа на оси валка определяется прочностью бандажа при сборке, а величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа определяется в зависимости от натяга концевых участков бандажа на оси валка, размеров и материала оси валка, бандажа, стяжных элементов и допустимого момента прокатки, причем величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа может определяться по следующей зависимости:

где d_Б - натяг концевых участков бандажа на оси валка;
р_о - необходимое радиальное давление по поверхности контакта бандаж - ось валка;
К_ОБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
К_БК - коэффициент упругости системы бандаж-стяжное кольцо;
К_ф - коэффициент формы и материала бандажа;
D_O - диаметр оси валка;
D_Б - диаметр кольцевых проточек бандажа.

На чертеже показан описываемый валок, продольный разрез. Составной прокатный валок содержит ось 1 с буртом 2, бандаж 3, стяжные кольца 4, 5. Бандаж 3 имеет с обоих сторон наружные кольцевые проточки 6 с цилиндрической или конической поверхностью, в которых установлены, с сопряжением поверхностей по посадке с натягом, стяжные кольца 4, 5.

Валок работает следующим образом.

На ось 1 по посадке с натягом d_Б на концевых участках бандажа и по посадке с зазором на центральном участке бандажа, насаживается бандаж 3, нагретый до температуры t_Б. После этого в наружные кольцевые проточки бандажа по посадке с натягом d_к последовательно насаживаются стяжные кольца 4 и 5, нагретые до температуры t_к. При насадке бандажа на ось валка с натягом d_Б на кольцевых участках бандажа и нагрева оси за счет теплообмена от контакта с бандажом в момент сборки валка на поверхности контакта концевых участков бандажа и оси возникают контактные радиальные давления р_о, которые приводят к возникновению в бандаже и оси тангенсальных и радиальных напряжений. При этом ось валка испытывает напряжения сжатия, а бандаж - напряжения растяжения. Величина натяга концевых участков бандажа на оси валка d_Б выбирается с учетом обеспечения прочности бандажа в момент сборки валка без установки стяжных колец. После посадки с натягом d_к в кольцевые проточки бандажа стяжных колец и выравнивания температуры элементов валка, на поверхности контакта стяжных колец и бандажа возникают контактные радиальные давления р_к, а в стяжных кольцах и бандаже, на участке посадки стяжных колец в кольцевые проточки бандажа, возникают тангенсальные и радиальные напряжения G_t и G_r. При этом стяжные кольца испытывают растягивающие напряжения, а бандаж - напряжения сжатия. Эквивалентные напряжения в бандаже на концевых участках от растягивающих напряжений натяга на ось и напряжений сжатия от стяжных колец определяются по известным методикам расчета составных толстостенных труб.

Определение величины необходимых натягов в системе ось - бандаж - стяжные кольца ведется в следующей последовательности. Исходя из конструктивного исполнения и размеров шеек и бочки валка, расположения и размеров калибров и буртов на бочке валка, пластических и упругих свойств материала оси, бандажа, стяжных колец, допустимого давления и момента прокатки, а также из условий работы элементов валка на смятие и срез по известным методикам определяют или задают диаметр оси валка, ширину участков контакта бандажа и оси валка по посадке с натягом В₀₁ и В₀₂, ширину и диаметр кольцевых проточек бандажа.

Величину необходимых радиальных давлений р_o по поверхностям контакта концевых участков бандажа и оси валка определяют по допустимому моменту прокатки с учетом коэффициента запаса по моменту прокатки по следующей зависимости:

где р_o - необходимое радиальное давление по поверхности контакта концевых участков и оси валка;
К_З - коэффициент запаса по моменту прокатки;
М_ПР - допустимый момент прокатки;
D_o - диаметр оси валка;
В₀₁, B₀₂ - ширина участков контакта оси и бандажа по посадке с натягом;
f_ГР - коэффициент трения по поверхности контакта бандаж - ось валка.

Величину натяга концевых участков бандажа на оси валка d_Б задают с учетом обеспечения прочности бандажа в момент сборки при его посадке на ось исходя из размеров элементов валка, выбранной системы допусков и посадок и опытных данных.

После определения величины необходимых радиальных давлений по поверхности контакта ось - бандаж, используя известные методики расчета составных толстостенных труб, определяется величина натяга d_к при посадке стяжных колец в кольцевые проточки бандажа на концевых участках по следующей зависимости:

где : К_ОБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
К_БК - коэффициент упругости системы бандаж - стяжное кольцо;
К_Ф - коэффициент формы и материала бандажа;
D_Б - диаметр наружных кольцевых проточек бандажа.

Значения коэффициентов упругости системы ось - бандаж и системы бандаж - стяжное кольцо предварительно определяются по следующим зависимостям:


где D_к - наружный диаметр стяжного кольца;
μ_O - коэффициент Пуассона материала оси валка;
μ_Б - коэффициент Пуассона материала бандажа;
μ_K - коэффициент Пуассона материала стяжного кольца;
Е_о - модуль упругости материала оси валка;
Е_Б- модуль упругости материала бандажа;
Е_К - модуль упругости материала стяжного кольца.

Коэффициент формы и материала бандажа К_Ф предварительно определяется по следующей зависимости:

Для определения тангенсальных и радиальных напряжений в бандаже определяют величину контактных радиальных давлений р_к по поверхности контакта бандажа и стяжных колец по зависимости:

Радиальные и тангенсальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях концевых участков бандажа, нагруженных внутренним р_о и наружным р_к радиальными давлениями, определяются по известным методикам расчета толстостенных труб.

На внутренней поверхности

Gr Б вн = -p_o (8)
На наружной поверхности

Gr Б нар = -p_k (10)
При этом тангенсальные (окружные) напряжения в зависимости от соотношения размеров и внутреннего и наружного давлений могут быть растягивающими или сжимающими, а радиальные напряжения - только сжимающими. Эквивалентное напряжение согласно пятой теории прочности (гипотеза О. Мора) определяется по следующей зависимости:
G экв = maxG_t-ν•minGr<[Gp] (11)
где max G_t - максимальное окружное (тангенсальное) напряжение;
ν - отношение допустимого напряжения растяжения материала бандажа к допустимому напряжению сжатия;
min Gr - минимальное радиальное (нормальное) напряжение;
[G р] - допустимое напряжение растяжения материала бандажа.

Эквивалентное напряжение будет или растягивающим или сжимающим в зависимости от соотношения тангенсальных и радиальных напряжений.

Величина радиальных и тангенсальных напряжений на внутренней и наружной поверхностях стяжных колец, нагруженных внутренним радиальным давлением р_к, определяется по известным методикам расчета толстостенных труб.

На внутренней поверхности

Gr К вн = - p_k (13)
На наружной поверхности

Gr К нар = 0
Эквивалентное напряжение согласно пятой теории прочности (гипотеза О. Мора) определяется по формуле (11), принимая значение ν=1.

В таблице 1 приведены задаваемые значения для расчета необходимой величины натяга в системе стяжное кольцо - бандаж для составного прокатного валка проволочного стана с размером бочки валка 400х1000 мм для различных значений величины натяга в системе ось - бандаж для предлагаемого валка и величины зазора в системе ось - бандаж для сравниваемого ближайшего аналога. При этом значения зазора взяты из системы допусков и посадок для посадки с зазором в поле допусков Н8/h8, H8/h7 и H8/h6, для которых максимально допустимый зазор по диаметру составляет 0,178 мм, 0,141 мм и 0,093 мм.

В таблице 2 - результаты расчета величины натяга в системе бандаж - стяжное кольцо, контактных радиальных давлений на поверхности контакта ось - бандаж, возникающих в бандаже напряжений после сборки валка, а также эквивалентных напряжений на внутренней поверхности стяжных колец.

Расчеты показывают, что эквивалентные напряжения на внутренней поверхности стяжного кольца валка-аналога шириной 50 мм составляют 57,3-64,8 кг/мм². При этом натяг стяжных колец должен быть 0,92-1,1 мм. Для предлагаемого составного валка при натяге концевых участков бандажа на оси валка 0,032 мм требуется натяг стяжных колец 0,65 мм и при этом эквивалентное напряжение на внутренней поверхности стяжного кольца составит 46,2 кг/мм². При натяге концевых участков бандажа на оси валка 0,126 мм требуется натяг стяжные колец 0,45 мм и при этом эквивалентное напряжение составит 38 кг/мм². То есть в предлагаемом составном валке эквивалентные напряжения стяжных колец в ~1,5 раза меньше, чем у валка-аналога. Так как при выборе материала стяжных колец предусматривается отсутствие пластической деформации, то без учета коэффициента запаса прочности эквивалентные напряжения не должны превышать предела текучести материала колец. Для стяжных колец валка-аналога взята улучшенная или закаленная сталь 65Г, у которой предел текучести составляет 70 кг/мм² и 125 кг/мм². Для предлагаемого валка для стяжных колец можно использовать менее прочные стали. Кроме того, увеличивая величину натяга бандажа на оси валка, можно снизить натяг стяжных колец и использовать для их изготовления любые конструкционные стали без специальной термообработки.

Наличие бурта на оси валка, посадка концевых участков бандажа на ось валка с предварительным натягом позволяет снизить трудоемкость сборки, корректировать при изготовлении валка натяг стяжных колец в случае брака при токарной обработке, так как позволяет проводить токарную обработку или шлифовку кольцевых проточек бандажа после посадки его на ось валка. При этом величина натяга бандажа на оси - валка и возникающие на поверхности контакта радиальные давления достаточны для проведения любых операций транспортировки и мехобработки.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО РАСЧЕТА
Расчет величины необходимых натягов в системе ось - бандаж и бандаж - стяжное кольцо проводили для составного прокатного валка проволочного стана 250 с размерами бочки 400х1000 мм. Исходя из конструктивного исполнения и размеров шеек и бочки валка, расположения и размеров калибров и буртов на бочке существующего цельнолитого валка, задаем следующие размеры элементов составного валка: диаметр оси валка D_o=260 мм, диаметр кольцевых проточек бандажа D_Б= 320 мм, наружный диаметр стяжного кольца D_К=370 мм, ширина участков контакта оси и бандажа по посадке с натягом В₀₁=В₀₂=50 мм. Допустимый момент прокатки М_ПР=3830 кг•м, коэффициент запаса по моменту прокатки К_З= 3, коэффициент трения по поверхности контакта бандаж - ось валка f_ГР= 0,17.

По формуле (1) определяем величину необходимых радиальных давлений р_о по поверхностям контакта концевых участков бандажа и оси валка:

Зададим величину натяга концевых участков бандажа на оси валка. Из таблицы допусков и посадок в системе отверстий для посадки с натягом выбираем поле допусков Н7/r6. При этом для диаметра оси D_о=260 мм величина натяга по диаметру составит 0,032-0,126 мм. Для расчета берем минимальное значение натяга d_Б=0,0.32 мм и максимальное значение d_Б=0,126 мм.

По формулам (3), (4) и (5) определяем коэффициенты упругости системы ось - бандаж К_ОБ и системы бандаж - стяжное кольцо K_БК, коэффициент формы и материала бандажа К_Ф:



Определяем по формуле (2) величину натяга d_к при посадке стяжных колец в кольцевые проточки на концевых участках бандажа:
- для минимального натяга бандажа d_Б=0,032 мм:

- для максимального натяга бандажа d_Б=0, 126 мм:

Определив требуемую величину минимального и максимального натяга при посадке колец в кольцевые проточки бандажа, выбираем систему допусков и посадок, которая обеспечит требуемое поле натяга.

Далее расчет будем вести только для максимального натяга бандажа, так как в этом случае бандаж наиболее нагружен.

По формуле (6) определяем величину возникающих радиальных давлений по поверхностям контакта стяжных колец и бандажа:

По формулам (7) и (9) определяем величину тангенсальных напряжений на внутренней и наружной поверхностях бандажа:


При этом радиальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях бандажа определяем по формулам (8) и (10):
Gr Б вн = -р_о = -6,365 кг/мм²
Gr Б нар = -р_к = -4,79 кг/мм²
По формуле (11), принимая значение коэффициента ν=0,3, определяем эквивалентное напряжение на внутренней и наружной поверхностях концевых участков бандажа:
G эмв.вн =2,91-0,3•(-6,365)=4,82 кг/мм²
G экв.нар =1,34-0,3•(-4,79)=2,77 кг/мм².

Так как для чугунных валков допустимое напряжение растяжения [G p]=35+40 кг/мм², то запас прочности бандажа на растяжение выше принимаемого для валков пятикратного запаса.

Определим напряжения в концевых участках бандажа, возникающие при сборке валка в момент посадки бандажа на ось до посадки стяжных колец. При посадке нагретого бандажа на ось валка с натягом на концевых участках бандажа d_Б и последующего выравнивания температуры оси и бандажа на поверхности контакта возникают радиальные давления сборки р_об, которые определяем по известным методикам расчета составных толстостенных труб:

Определяем радиальные давления сборки р_об на концевых участках бандажа при сборке валка с максимальным натягом d_Б=0,126 мм:

По формулам (7) и (9) определим тангенсальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях концевых участков бандажа:


Принимая допустимое напряжение растяжения [G р]=35 кг/мм², определим коэффициент запаса прочности бандажа при сборке: K_З.ПР = 35/7,03=4/98, что гарантирует прочность бандажа.

В предлагаемой конструкции составного прокатного валка прочность бандажа и стяжных колец при сборке валка и в процессе эксплуатации гарантирована размерами элементов валка и возможностью задавать натяг бандажа и стяжных колец в зависимости от допустимого момента прокатки, размеров и прочностных характеристик материала элементов валка. Наличие на оси валка бурта, выполненного со стороны приводной шейки, посадка концевых участков бандажа, соответствующих ширине стяжных колец, на ось валка с натягом, позволяет повысить точность сборки, снизить требуемую величину натяга стяжных колец и расширить марочный сортамент материала стяжных колец.

Источники информации
1. В. П. Полухин и др. Составной рабочий инструмент прокатных станов. - М.: Металлургия, 1977, с.21-25.

2. А.с. СССР 554897, пр.04.01.76, Мкл. В 21 В 27/02.

3. А.с. СССР 503387, пр.17.07.73, Мкл. В 21 В 27/02 - ближайший аналог.

Использование: изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве прокатных валков. Сущность: составной прокатный валок содержит ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, при этом ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, а соотношение величины натягов стяжное кольцо - бандаж и бандаж - ось валка определяется в зависимости от размеров и материала оси валка, бандажа и стяжных колец и допустимого момента прокатки. Изобретение обеспечивает повышение стойкости валка, улучшение условии работы бандажа и стяжных колец путем снижения необходимого натяга стяжных колец на концевых участках бандажа, расширения марочного сортамента материала стяжных колец, повышение надежности валка в работе при изменении натяга стяжных колец при нагреве валка или при переточках. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, отличающийся тем, что ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, при этом величина натяга концевых участков бандажа на оси валка определяется прочностью бандажа при сборке, а величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа определяется в зависимости от натяга концевых участков бандажа на оси валка, размеров и материала оси валка, бандажа, стяжных колец и допустимого момента прокатки. 2. Валок по п. 1, отличающийся тем, что величина натяга стяжных колец d_k определяется по следующей зависимости

где d_Б - натяг концевых участков бандажа на оси валка;
ρ_O - необходимое радиальное давление по поверхности контакта концевых участков бандажа и оси валка;
К_OБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
К_БК - коэффициент упругости системы бандаж-стяжное кольцо;
К_ф - коэффициент формы и материала бандажа;
D_О - диаметр оси валка;
D_Б - диаметр кольцевых проточек бандажа.