Универсальный шарнир шпинделя привода прокатного стана Советский патент 1992 года по МПК B21B35/14 F16D3/20 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано на прокатных станах как листовых, так и сортовых.

Известна конструкция шпиндельного устройства, содержащего шарниры с двумя степенями свободы. Шпиндель в этой конструкции соединен с полумуфтами, надетыми на валки через тонкостенные диски малой жесткости, что делает конструкцию ненадежной в эксплуатации.

Известно также устройство, разработанное фирмой Volth Transmit (ФРГ). В данной конструкции предусмотрено применение шарнира с подвижными цапфами, в которых использованы подшипники повышенной прочности. Однако, эта конструкция ненадежна, а высокая стоимость подшипников значительно увеличивает стоимость всего шпиндельного соединения.

Известно устройство, которое включает головку шпинделя с установленными б Ней сегментными вкладышами, взаимодействующими с лопастью, выполненной с отверстием для центрирования упомянутых вкладышей, В данной конструкции каждый вкладыш выполнен из двух элементов, подпружиненных и контактирующих друг с другом. Это устройство позволяет уменьшить динамические нагрузки, однако, прочность лопасти, представляющей собой плиту прямоугольного сечения с прорезью (или с отверстием), недостаточна и часто происходят ее поломки, что снижает надежность конструкции. (

Цель изобретения - обеспечить повышение надежности и долговечности за счет по- вышения прочности шпиндельного соединения.

Это достигается за счет того, что в шарнире шпинделя прокатного стана, включающем головку шпинделя с установленными в ней сегментными вкладышами, взаимодействующими с лопастью, выполненной с отверстием, лопасть выполнена в поперечном сечении в виде двутавра и размещена с возможностью взаимодействия с вкладышами

(Л

с

X 00 N СО

СЛ

своей полкой, при этом боковые стенки лопасти расположены по обе стороны головки.

Кроме того, отношение ширины боковых стенок двутавра к толщине его средней стенки равно 4,0-5,0.

На сбиг.1 показан общий вид шарнира

7 - .t,, «-I|- гшпинделя; на фиг,2 - то же, план; на фиг.З - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - расчетная схема, поясняющая повышение прочности.

Шпиндель 1 содержит головку 2 с вилками 3,4 и установленными в них вкладышами 5,6 лопасть в виде двутавра, состоящего из стенки 7 и полых 8,9 и выполненного с прорезью 10 для размещения сухаря 11, валок 12. Введено обозначение плоскостей контакта сегментных вкладышей со средней полкой лопасти В и С и плоскость боковой стенки Д.

Устройство работает следующим образом.

Шпиндель 1 передает крутящий момент от привода к рабочему валку прокатной клети. Головка шпинделя 2 снабжена двумя вилками 3,4, внутренние поверхности которых выполнены цилиндрическими с центром в точке О (через эту точку проходит ось цилиндра). Вкладыши 5,6 выполнены сегментными, своими цилиндрическими поверхностями они взаимодействуют с вилками 3,4, а плоскими поверхностями, (по плоскостям В и С), с лопастью 7 вдоль В,С, вдоль которых имеет место скольжение при вращении шпинделя. Величина скольжения тем больше, чем больше угол перекоса шпинделя и валка, соединяемых данным ш арн иро м.

При вращении шпинделя 1 через вкладыши 5,6 создается давление на лопасть и вилки 3,4 приводят ее во вращение. В известных конструкциях лопасть имеет прямоугольное сечение, а в заявляемой - форму двутавра с полкой 7, взаимодействующей с вкладышами 5,6, и двумя боковыми стенками 8,9 расположенными по обе стороны от головки шпинделя (и вилок 3,4).

Сечение лопасти имеет форму двутавра, в полке которого 7 выполнено обычно отверстие или прорезь 10. На поверхностях имеются канавки и каналы для подачи смазки, большая часть которых на фиг.1-3 не показана. Преобладающими (в случае прорези в полке 9) являются напряжения изгиба. На каждую головку стенки 7 действует давление с суммарным,усилием Р (фиг.4). Имеет место равенство й

М

2Р10 М, Р 0,5

L

где М - передаваемый шарниром крутящий момент,

10 - плечо силы Р относительно центра шарнира.

При равномерном распределении давления 10 а + 0,5Ь, где размеры а (половина ширина прорези) и b показаны на фиг.4.

Если давление нарастает по линейному закону и максимально у наружного края полки,то

ID

:a+fb2(a+Jb)

При расстоянии I до опорного сечения, изгибающий момент в нем равен

MH PJ (2)

2(a+Jb)

а напряжения изгиба

а ргде Z - расстояние от оси х наиболее удаленной от нее точки сечения;

I - момент инерции относительно оси.

В случае шпинделя, используемого в прототипе (сечение показано на фиг.4 с пунктирным участком),

3 16 b h2 Z b

, bh° ° 12

В данном сечении с полкой 7 и стенкой 8.

ц /-Н3 гА . (ь + ьрь3,..оЬ1()

12 12

(Ь 4- bi)h3 ы (Н3 - h3)

12 48

bjЈri+bi+±LfH3 1

Z 6H L b 4b V vj W

Напряжения изгиба с учетом (3) равны

-т +й$-ог «

а при шарнире известной конструкции

и Л Л

(H hibi 0) cr поэтому вы1 1

bh

50

игрыш в уменьшении напряжений изгиба равен

0Ь

3bi . bi H3

д - v° - (Л л. ° 1 о- . п

А-а-ти +Ть | ТГ

+ н ь4ТГь

4bh3 3hbi

(5)

bi

b,. Н

Коэффициент А при -г- - 1 ; -г 3; тг-4

42 1 равен + 4

3 -4

1,64

а при Q 5, А 2,08 + 0,20 + 0,05 2,33, что

показывает, что уменьшение напряжений может быть достигнуто в 1,6-2,3 раз, что при усталостном разрушении намного увеличит число циклов до разрушения (и долговечность). Обычно имеет место степенная зависимость числа циклов от напряжения с показателем степени 3-7, т.е. даже при минимальной его величине, равной трем, долговечность конструкции возрастает в (1,б-2,3)3 4,1 12 раз. Однако высота стенок (8 и 9) должна соответствовать определенным соотношениям, поскольку при высокой прочности стенок возможна реализация иной схемы разрушения, при которой оно произойдет не в сечении EF (фиг.4), в опоре полки, рассматриваемой как консоль, а на более близком к силе Р расстоянии 1Х I.

Конечно для обычной консоли разрушение наиболее вероятно при максимальном изгибающем моменте, т.е. там, где величина 1Х - максимальная (в опорном сечении консоли). Однако, в описываемой конструкции мы имеем консольную балку 7, опертую сбоку на стенку 8 (в плоскости D). Поэтому в сечении стенкой 8, в плоскости, действуют (по площади Ix x h) касательные напряжения г и возможно разрушение на расстоянии от силы Р : 1Х меньшем всей длины консоли I. Конечно, здесь изгибающий момент меньше, чем о опорном сечении, и он равен Мн Plx, но зато и сила среза, равная (г Ых), меньше, чем при Ix I. Поэтому необходимо исследовать функцию Р(х) на экстремум. Пусть сила Р в сечении на расстоянии Ix от нее создаст момент , который уравновесится моментом сил в опоре консоли 7 (в плоскости параллельной оси х и плоскости EF), и моментом касательных напряжений в плоскости D, (перпендикулярной оси х, фиг.4). (Этот момент

, п с и 1 2

равен

tlxliT 0,5 т Ых

В предельном случае при предела текучести

Р1х

7Т b

6

hz , От N Ix

-+TW

где От - предел текучести при (сжатии), а - при срезе.

W

vT,

От -bh 1 .х ч I 1 h h )

6 MX bh Исследование (6) на экстремум жение

n 1 V5 ;

ix ojeVBTT ()

а при

b 3h; . 5 Подставив (7) в (6), получим силу

Р 0,44 От h VbҐ(8)

Если используется конструкция, описанная в прототипе, то второй член в скобках выражения (6) отсутствует, всегда -т-г- 0 и при

о ix

IIID °т b h2

Ix Imakc I; Po -ST

и величина выиг15

рыша в предельной величине силы Ai -g-:

г о

0

5

2-6Vw

(9)

При b 3h; I (2-3)h; Ai 3,0-4,6.

Если At А, то произойдет разрушение всего сечения (полки 7 и стенки 8 одновременно), а если AI А, то вероятнее разрушение одной полки 7 и дальнейшее увеличение прочности стенки 8, например, за счет увеличения размера Н, теряет смысл. Используя формулы (5) и (9) получаем условие разрушения всего сечения

2,64

FF

( 4b V

+нО

+ ЗЬк + 4Ь

а при bi h; b 3h;

о n /i г 1 / 1ч2 i 1,25 h 3,0-4,6 .) + -ТГПриближенное решение этого неравенства

LJ

-г- 6,0-7,4, а с коэффициентом запаса равным 1,5, (поскольку нецелесообразно принимать такие величины Н, при которых они уже не оказывают влияние на прочность детали, ведь ясно, что поломка полки 9 нарушает работоспособность узла, даже, если стенки 10,11 останутся неразрушенными), Н

получим

h

4,0-5,0, что доказывает опти45

мальность предложенного соотношения размеров деталей конструкции.

Снижение этой величины менее нижнего предела приведет к тому, что прочностные возможности конструкции не будут

использованы. Если же будет превышен

и

верхний предел соотношения (-г- ), то излом

полки произойдет без разрушения стенок, т.е. повышение прочности за счет увеличе- ния размера Н будет бесполезным.

Формула изобретения 1. Универсальный шарнир шпинделя привода прокатного стана, включающий головку с установленными в ней сегментными

вкладышами, взаимодействующими с лопастью, выполненной с отверстием, в котором установлен сухарь, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, лопасть снабжена полками и выполнена в поперечном сечении з виде

двутавра, при этом полки лопасти расположены по обе стороны головки.

2. Шарнир по п.1,отличающийся тем, что отношение ширины полок двутавра к толщине его стенки равно 4,0-5,0.

Использование: на прокатных станах как листовых, так и сортовых. Сущность изобретения: в шарнире, содержащем головку с сегментными вкладышами, взаимодействующими с лопастью, последняя выполнена в поперечном сечении в виде двутавра и размещена с возможностью взаимодействия с вкладышами своей стенкой, а боковые полки расположены по обе стороны головки. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

10

Фиг. 2

L JL A-A A. 5

Р

§

U

Фиг.

Фиг.З