Предохранительное устройство Советский патент 1985 года по МПК B21B33/02 

Изобретение относится к неразрушающимся средствам защиты от аварийных и динамических нагрузок, преимущественно рабочих клетей прокатных станов. Цель изобретения - повышение нагрузочной способности. На фиг. 1 показано предохранительное устройство с наружными кольцами - половина вида с половиной вертикального разреза по плоскости симметрии; на фиг. 2 - половина вида сверху с половиной разреза А-А на фиг. I; на фиг. 3 развертка гибкой ленты с прямоугольными пазами; на фиг. 4 - то же, с пазами в виде узких прорезей, имеющих, на торцах круговые отверстия; на фиг. 5 - устройство с внутренним расположением колец, на которые насажена цилиндрическая спираль; на фиг. 6 разрез Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 график зависимости усилия Р на предохранительное устройство, от величины сближения нагруженных торцов спирали. Устройство состоит из гибкой лен ты 1 , установленной своей плоскость параллельно направлению воспринимаемых внешних сил и навитой в цилиндрическую спираль, свободно опер тую торцами 2 и 3, например, на подушку 4 валка и подпятник 5 нажимно го устройства. Вдоль образующей цилиндрической спирали выполнены скво ные пазы 6 в радиальном направлении Внутренний 7 и наружный 8 концы лен 1 приклеены, приварены к спирали, либо закреплены за счет посаженных натягом колец 9 (фиг. 1, 2), либо 10 (фиг, 5, 6). На концах пазов 6, вьшолнены круговые отверстия 11 радиусом в 10-15 раз большим толщины ленты. Совместно с лентой 1 вдоль е торцов и посередине могут быть нави ты прокладки 12, толщина которьпс за висит от наибольшего хода устройств На фиг. 5, 6 показан пример нави ки спирали пакетом из нескольких ле а также пример расположения призмат ческих стяжек 13, проходящих свобод но сквозь отверстия П. Устройство работает следующим о разом. До тех пор, пока усилие Р, воспринимаемое подушкой 4, и тем самым предохранительным устройством, не достигнет величины предельно допу7стимого (верхнего критического значения Pg, цилиндрическая спираль, свернутая из ленты 1, сжимается как монолитный блок сечением л(), высотойЬ(участок а на фиг.7) и имеет высокую жесткость С, составляющую (пренебрегая наличием пазов 6,и подпирающим влиянием колец 9 или 10 Г ()Е - где R, г - наружный и внутренний радиус цилиндрической спирали;L - ширина ленты (высота устройства) ; Е - модуль упругости материала ленты. Это практически не снижает жесткость клети в целом и обеспечивает высокую точность прокатки. Если усилие в клети достигает значения Р, то лента 1 в цилиндрической спирали теряет устойчивость, выпучивается и далее работает в закритической области деформации на продольный изгиб. Жесткость предохранительного устройства благодаря этому становится близкой к нулю, обеспечивая надежное ограничение аварийных динамических (и статических ) нагрузок в клети. При этом изогнутая по радиусу лента 1 в среднем сечении А-А (фиг. I) выпрямляется в плоскости, перпендикулярной направлению воспринимаемых сил, за счет чего Pg падает до Р - нижнего критического значения усилия. Наружные 9, либо внутренние 10 кольца, насаженные с натягом закрепляют спираль от раскручивания, задают однозначное направление выпучивания ленты при потере устойчивости (пунктир на фиг. 1, 2 и на фиг. 5, 6) и ограничивают максимальный ход предохранительного устройства, равный сближению краев 2 и 2 ленты. При расположенииколец 9 снаружи спирали лента вьшучивается внутрь, поэтому пазы 6 (фиг. 3) следует делать более широкими, а при расположении колец 10 изнутри пазы могут быть выполнены минимальной ширины, т,е. в виде прорезей (например, электроискровым методом), однако, во избежание концентрации напряжений у вершин пазов, как показывают расчеты, следует выполнять круговые отверстия 11 (фиг, 4)радиусом порядка (10-15) h (h - толщина ленты). Для ускорения навивки спирали болъ шого диаметра и учитывая, что ленты некоторых профилеразмеров изготавливаются промьшшенностью недос1аточной длины, спираль может быть навита пакетом из нескольких лент m равной толщины h (фиг. 5). При этом из условия упругой деформащи каждого такого многослойного витка число m удовлетворяет условию: m 4(2,,5-3)г6у/Еп (г -- внутренний радиус спирали, Е, - предел и модуль упругости материала ленты). После выхода из валков участка раската, вызвавшего перегрузку, лента 1 под действием сил упругости распрямляется, возвращая подушку 4 валка в исходное положение. Предлагаемое устройство по срав нению с прототипом значительно проще в изготовлении и эксплуатации, поскольку его несущий элемент пред ставляет собой единое целое - витую цилиндрическую спираль. Бпаго „ даря применению цилиндрической спирали вместо пакетов из отдельных пластин с плоскими участками нагрузЪчная способность устройств существенно выше, а габариты - меньше, чем у соответствующих устройств по Прототипу поэтому их можно применять не только в отдельностоящих, но и в непрерывных группах кле тей современных заготовочных, сортовых, полосовых и листовых прокатных станов, в любых машинах и механизмах, нуждающихся в неразрушающих ся самовосстанавливающихся, предохранительных устройствах. При требуемом значении максимального усилия Рц и хода Х предохранительного устройства и заданных габаритах: R и L, толщину ленты Ь определим по формуле )) Pe/lE(5 -V-An), U где -О - коэффициент Пуассона; Л - толщина прокладки между ви ками спирали; г - число витков спирали. Внутренний радиус цилиндрической спирали: -( , (S) где -у - наибольший поперечный про при выпучивании ленты. Суммарная толщина прокладок между витками, равная суммарному зазору между витками ленты, составит Ah(R-H(bCQSfli) , ( где о - максимальный угол поворот сечения ленты при выпучиваг-i НИИ. При 1 , что соответствует 0,25; , -Il Требуемый предел упругости для изотропного материала ленты v, Ёп/2г (7 . Выражения (2 I - (7 ) получены из анализа и решения следующих уравнений прочности, устойчивости ,совместности и упругой закритической деформации цилиндрической спирали. Как показывают экспериментальные исследования устойчивости тонко- стенньгх цилиндрических оболочек и высокопод-ьемистых панелей., верхнее критическое напряжение удовлетворительно описывается выражением (г 4г .R) .-.,(i.o,004E/6j, ,1|3(1-Л)2) (8) где 6-г предел текучести материала. Для стальной ленты при с высокими упругими и прочностными свойствами (210000 МПа, ( МПа) можно с достаточной точностью положить: 6 piEli/2rvf3(l-) пренебрегая с Одной стороны подпирающим влиянием соседних слоев ленты в спирали, а с другой - ослабляющим влиянием продольных- пазов. После потери устойчивости спирали усилие Pg падает до РН (участок б на фиг. 7 ). При дальнейшем сближении опертых торцов 2 и 3 спираль переходит к новой форме равновесия (участок в на фиг. 7) с жесткостью близкой к нулевой. В закритической области деформации напряженное состояние ленты описывается двумя главными напряжениями d, 60 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Наибольшего значения по модулю i, достигает у торцов ленты и посере- дине ее высоты L, и составляет при прогибе э и соответствующем ему усилии Р (в частности, наибольшему значению у. соответствует усилие )

,,/5/пЬЧР) (И

Наибольшее значение eij очевидно на внутреннем витке спирали при

наименьшем

(

6, БЬ/2г

Соотношение между Р, Р можно представить, как и. в прототипе в виде (с погрешностью не более 2% при 1,0 Р/Р„ 1,15, или О X/L

0,25);

f --,

У 21т|1(Р-Р„) , )

причем формула для P в данном случае имеет вид ,

P nE()bV30-V)L . (13)

Связь между at, X и у (в удобном для анализа виде) найдем из Лежандровых эллиптических интегралов, описывающих точные геометрические зависимости искривленных пластин и лент. Как показал численный анализ при X/i. 0,25 (06- 1 ) с ошибкой менее 1%

, (1 СН) и с ошибкой не более 4%

-i(4x- . (ffj Условие совместности деформаций при искривлении витков ленты в закритической области,очевидно, имеет вид:

/lh (cosV-lKR-v- n) . С«)

Приравняв вьфажения (.12) и (15), дифференцируя по х и полагая х /4 L бесконечно малой по сравнению с vX/L, получим выражение для жесткости предохранительного устройства 0 на участке Ь (фиг. 7)

причем наибольшего значения С дости5 гает при х Хд.

Подставляя выражение (13) з (17) с учетом (1 ) после упрощений получим, например, при ,l, ,3

()4,.

Отсюда видно, что даже при наименьших значениях L/k 100-4.00 .10)Сц,а при : L/ti 7 400 становится J еще меньше. Таким образом., можно на участке fc (в закритической области ) полагать : , P FH const.

Искомые значения h, г, и, ,0, Хд, 6,, согласно выражениям (2)-(7) получены из уравнений (9 )-(),

(13)-(16) при , ,,

bi 2. .

Как показывают расчеты, предлагаемые устройства обеспечивают передачу в 4-5 раз большей предельной нагрузки, либо при заданной нагрузке

иМеют в раз меньше габариты, что позволяет применить их не только для защиты отдельно стоящих, но и для непрерывных групп клетей современных высокоскоростных станов горячей прокатки.

/ 2

JV

1. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО преимущественно прокатных станов, включающее гибкие элементы, установленные своей образующей параллельно направлению воспринимаемой нагрузки, отличающееся тем, что, с целью повышения нагрузочной способности,- гибкие элемент) выполнены в .виде ленты, навитой цилиндрической спиралью, вдоль образукщей которой имеются сквозные в радиальном направлении пазы с круговыми отверстиями на их концах. 2. Устройство по п. 1, о тличающееся тем, что оно снабжено кольцами, на кото(/) рые с натягом посажена спираль, причем суммарная высота колец меньше ширины ленты на величину максимального рабочего хода устройства..

фигЛ

Фиг.З