Патент на изобретение №2210449

(54) ШАРНИР ШПИНДЕЛЯ ПРОКАТНОГО СТАНА

(57) Реферат:

Использование: изобретение относится к прокатному оборудованию, а точнее к приводам прокатных станов, и касается универсальных шпинделей главных линий приводов прокатных станов. Сущность: шарнир шпинделя прокатного стана содержит обойму, втулку и установленные между обоймой и втулкой в цилиндрических пазах бочкообразные ролики, имеющие бочкообразный центральный участок и концевые участки, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных к центральному участку своими большими основаниями, образующие которых касательны к образующей центрального участка в его крайних точках, при этом радиус образующей бочкообразного центрального участка поверхности ролика определяется из соотношения R= K (R_оsin-r_о), где К – коэффициент, выбираемый в пределах от 1 до 2 в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к шпинделю, причем для шпинделей, обеспечивающих высокую точность проката, К=1, а для тяжелонагруженных шпинделей К=2; R_о – радиус делительной окружности; r_о – радиус центрального сечения ролика; – угол давления в контакте ролика с пазами втулки и обоймы. Изобретение обеспечивает повышение нагрузочной способности шарнира шпинделя прокатного стана. 5 ил.

Изобретение относится к прокатному оборудованию, а точнее к приводам прокатных станов, и касается универсальных шпинделей главных линий приводов прокатных станов.

Известен шарнир шпинделя прокатного стана, содержащий обойму, втулку и бочкообразные ролики, установленные между обоймой и втулкой в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки (авт. свид. СССР 1577898, В 21 В 35/14, заявл. 04.04.88 г., опубл. 15.07.90 г.). Ролики установлены в полуцилиндрических пазах втулки и обоймы с радиальным зазором, определяемым по зависимости.

Недостатком этого шарнира является то, что предложенная величина радиального зазора между роликами и пазами обеспечивает работоспособность шарнира, но не обеспечивает равномерность нагружения всех роликов, так как это зависит от величины зазора в контакте ролик-впадина, а этот зазор в зависимости от положения ролика относительно оси поворота, величины угла перекоса и радиуса кривизны ролика в продольном направлении различен, что вызывает неравномерность нагружения роликов, их перегрузку и снижение долговечности шарнира.

Известен также шарнир шпинделя прокатного стана, содержащий обойму, втулку и бочкообразные ролики, установленные между обоймой и втулкой в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки, с расположением центров роликов на делительной окружности шарнира (РФ описание к заявке 94040294, кл. В 21 В 35/14, заявл. 01.11.94 г., опубл. 10.09.96, Бюл. 25).

Образующая роликов выполнена по кривой переменного радиуса, определяемой из условия создания беззазорного соединения роликов с обоймой и втулкой на всем интервале изменения угла их относительного перекоса.

На практике при изготовлении ролика задаются рядом значений координаты Х (расстояния от центрального сечения ролика до рассматриваемого текущего сечения и текущем радиусом r_x этого сечения) от 0 до l, обычно разделяя половину длины l ролика на равные интервалы, и для каждого Х вначале определяют – угол перекоса шарнира, а затем текущий радиус r_х по формуле:

где R₀ – радиус делительной окружности;
r₀ – радиус центрального сечения ролика;
f – расстояние между центром шарнира и центром вращения переменного радиуса точки контакта ролика с образующими пазов.

Недостаток известной конструкции шарнира шпинделя прокатного стана заключается в том, что он имеет недостаточно высокую нагрузочную способность, так как ролики с образующей по приведенным расчетным зависимостям имеют радиус образующей значительно превышающий радиус делительной окружности.

При таком радиусе перекос в шарнире вызывает значительно большую разнозазорность в зацеплении, а следовательно, неравномерное нагружение и перегрузку роликов. Такой шарнир приведет к значительной неравномерности вращения рабочих валков прокатной клети.

Кроме того, этот расчет радиуса образующей бочкообразной формы ролика довольно сложен и трудоемок.

Из известных шарниров наиболее близким по технической сущности является шарнир, содержащий обойму, втулку и установленные между обоймой и втулкой в цилиндрических пазах бочкообразные ролики, имеющие бочкообразный центральный участок и концевые участки, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных к центральному участку своими большими основаниями, образующие которых касательны к образующим центрального участка в его крайних точках (SU 1601873, В 21 В 35/14, 20.09.96 г.).

Длина дуги образующей центрального участка равна R _max, где R – радиус образующей бочкообразной поверхности ролика; _max– предельный угол перекоса R бочки ролика в ее продольном сечении назначается из условия обеспечения перекоса шарнира на угол _max.

Длина концевых участков ролика равна (0,3-1,0) d, где d – наибольший диаметр бочки ролика.

Угол наклона образующей концевых роликов составляет половину угла .
Данная конструкция шарнира позволяет снизить контактные давления на концевых участках роликов без увеличения их длины, что способствует уменьшению осевых габаритов и металлоемкости шарнира.

Недостаток известной конструкции шарнира заключается в том, что величина радиуса образующей бочкообразной поверхности ролика не исключает получение различных по величине зазоров по всем роликам, а это отрицательно скажется на нагрузочной способности шарнира, так как ролики будут находиться под различными нагрузками.

Задача настоящего изобретения состоит в создании шарнира шпинделя прокатного стана, позволяющего повысить нагрузочную способность шарнира.

Поставленная задача достигается тем, что в шарнире шпинделя прокатного стана, содержащем обойму, втулку и установленные между обоймой и втулкой в цилиндрических пазах бочкообразные ролики, имеющие бочкообразный центральный участок и концевые участки, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных к центральному участку своими большими основаниями, образующие которых касательны к образующей центрального участка в его крайних точках, согласно изобретению, радиус образующей бочкообразного центрального участка поверхности ролика определяется из соотношения:
R = K(R_оsin-r_о), (1)
где К – коэффициент, выбираемый в пределах от 1 до 2 в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к шпинделю, причем для шпинделей, обеспечивающих высокую точность проката К=1, а для тяжелонагруженных шпинделей К=2,
R₀ – радиус делительной окружности;
r₀ – радиус центрального сечения ролика;
– угол давления в контакте ролика с пазами втулки и обоймы.

Такое конструктивное выполнение шарнира шпинделя прокатного стана позволяет повысить нагрузочную способность за счет обеспечения беззазорности в соединении при перекосе осей втулки и обоймы на угол при К = 2, и повышения точности проката за счет обеспечения постоянной угловой скорости при К = 1.

Величина радиуса R образующей бочкообразной поверхности ролика в его продольном сечении, рассчитанная по предложенной формуле обеспечивает перекос шарнира на максимальный угол _max. Максимальная нагрузочная способность имеет место при радиусе образующей бочкообразной поверхности, рассчитанной по формуле с коэффициентом 2, т.е. по формуле R=2(R₀sin-r₀), а формула с коэффициентом К= 1(R=R₀sin-r₀) используется при необходимости обеспечения постоянной угловой скорости при небольшом снижении нагрузочной способности.

От радиуса образующей ролика зависит, какими будут зазоры при контакте каждого ролика с цилиндрической поверхностью паза втулки и обоймы во всем интервале изменения угла их относительного перекоса (_max).
В результате экспериментов по достижению минимального зазора по всем роликам шарнира установлено, что это обеспечивается выполнением радиуса образующей ролика, зависящему от радиуса делительной окружности и угла давления в контакте ролика с пазами втулки и обоймы.

При радиусе R образующей бочкообразной поверхности ролика больше, чем R= 2(R₀sin-r₀), при перекосе шарнира зазоры в контакте по роликам будут различными, изменяясь от 0 в плоскости максимального перекоса до максимальной величины в плоскости, расположенной под углом 90^o. Соответственно нагрузки по роликам будут распределяться неравномерно: максимальные на двух противоположно расположенных роликах с нулевым зазором и минимальные (или нулевые) на двух роликах с максимальными зазорами. Чем больше величина R, тем больше разнозазорность по всем роликам и тем больше будет нагрузка на максимально нагруженных двух роликах.

Установлено, что при предложенном радиусе бочкообразной поверхности будут нагружены все ролики равномерно и крутящий момент будет передаваться всеми роликами при минимальной нагрузке на каждый ролик.

Таким образом, ролик с образующей, величина радиуса которой определена из предложенного соотношения, обеспечивает беззазорное соединение всех роликов с обоймой и втулкой, обеспечит требуемую нагрузочную способность.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 изображен шарнир шпинделя прокатного стана;
на фиг.2 – то же, разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 – разрез Б-Б на фиг.2, при К=2;
на фиг.4 – то же, при К=1;
на фиг.5 – узел I на фиг.2.

Шарнир шпинделя прокатного стана состоит из обоймы 1, втулки 2 и бочкообразных роликов 3, установленных между обоймой 1 и втулкой 2 в полуцилиндрических пазах 4, выполненных на внутренней поверхности обоймы 1, и полуцилиндрических пазах 5, выполненных на наружной поверхности втулки 2.

При определении профиля бочкообразных роликов 3 считаются заданными: максимальный угол _max перекоса обоймы относительно втулки (угол перекоса шарнира); радиус R₀ центрального сечения ролика; радиус r₀ делительной окружности шарнира: половина длины ролика 3-l=В/2.

Рабочая поверхность роликов 3 состоит из трех участков. Центральный участок является бочкообразным и образован дугой, радиус R которой рассчитывается по формуле:
R=K(R₀sin-r₀),
где К – коэффициент, равный 1 или 2;
R₀ – радиус делительной окружности;
– угол давления в контакте ролика с пазами втулки и обоймы;
r₀ – радиус центрального сечения ролика.

Формулу с коэффициентом 2 используют при расчете шарнира шпинделя с максимальной нагрузочной способностью, а формулу с коэффициентом 1 – при необходимости обеспечения постоянной угловой скорости при небольшом снижении нагрузочной способности.

Длина L образующей бочкообразной поверхности (длина центрального участка) равна Rsin_max, где _max– предельный угол перекоса шарнира.

Концевые участки роликов 3 могут быть выполнены в виде усеченных конусов, расположенных симметрично относительно центрального участка обращенных к нему своими большими основаниями, образующие которых выполнены как касательные к образующей бочкообразной поверхности центрального участка в ее крайних точках и образующие угол, равный /2 с продольной осью ролика 3.

Образующая концевых участков может быть также выполнена по радиусу R₁, который равен R₁10R.

Шарнир работает следующим образом.

Вращение и крутящий момент от втулки 2 к обойме 1 передаются через ролики 3.

Перекос шарнира на угол сопровождается перекатыванием роликов 3 по пазам 4 и 5.

Под действием крутящего момента контакт роликов 3 с пазами 4 и 5 обоймы 1 и втулки 2 происходит по линии, расположенной под углом давления с касательной к делительной окружности. Величина этого угла зависит от разницы радиуса r₀ центрального сечения ролика и радиуса r_n паза втулки или обоймы и величины ₁ смещения центров впадин втулки (или обоймы) от делительной окружности и определяется по формуле:

где R_ц.вт – радиус окружности центров паза втулки.

Если рассматривать ролик, расположенный на делительной окружности, под углом к горизонтальной оси шарнира (зона I на фиг.2), то линия действия сил будет вертикальной.

При перекосе обоймы относительно втулки она поворачивается вокруг оси 1-1 (фиг.2) на угол . Дно паза 4 втулки 2 остается на месте (положение 1-1 на фиг. 3), а дно паза 5 обоймы 1 из положения 2-2 по радиусу ₁K₁, равному R₀sin+r₀ поворачивается на угол вокруг центра O₁, лежащего на оси 1-1 фиг. 2 до положения 3-3 на фиг.3, со скольжением поворачивая ролик 3 на угол /2. Точки К и K₁ – начальные до перекоса, это точки контакта ролика с пазами 4 и 5 втулки и обоймы, расстояние между которыми равно диаметру ролика в средней части (KK₁=2r₀).

При перекосе на угол точки контакта перемещаются в положение KK₁. Таким образом, в данном положении ролика на делительной окружности при перекосе шарнира зазора (или натяга) в контакте не появляется. Это возможно при определенной величине радиуса R образующей бочкообразной поверхности ролика 3 и диаметра 2r₀ центрального сечения ролика, равном исходному расстоянию между пазами 4 и 5 обоймы 1 и втулки 2.

R в этом случае определится следующим образом. Для того, чтобы ролик 3 повернулся в пазу 4 втулки 2 без скольжения на угол /2. Дуга (фиг.3) должна быть равна прямой K’₁K₁, рассчитываемой по формуле:

Так как дуга то

При малых углах tg, тогда
R_оптим.=2(R₀sin-r₀).

В положении ролика 3 под углом +90^o (зона II на фиг.2) линия действия сил (проходящая через точки контакта) расположена горизонтально оси 1-1 и при перекосе образующие паза, касательные к ролику, переместятся параллельно друг другу, т.е. зазор (или натяг) не появится.

Радиус R, при котором отсутствует разнозазорность, назовем оптимальным – R_оптим.

Схема расчета радиуса R образующей бочкообразной поверхности ролика, при которой точки контакта находятся в бисекторной плоскости O₁-Б (фиг.4), которая занимает в пространстве постоянное положение, перпендикулярное плоскостям, описываемым осями обоймы 1 и втулки 2 и делит угол пополам, что отвечает шарниру с постоянной угловой скоростью вращения. Для этого необходимо, чтобы ролик 3 при перекосе контактировал с пазом 4 втулки в точке K’₁ (фиг.4), находящейся в плоскости О₁Б.

Для этого R должен быть:

так как
tg/2/2, то R = (R_osin-r_o).

L = Rsin/2.

Этот радиус шарнира равных угловых скоростей и он равен 1/2 радиуса R_оптим.
При R>R_оптим, также как при Rоптим, в соединении шарнира появляется разнозазорность. Максимальный зазор будет в контакте ролика, который при R>R_оптим находится в зоне I (фиг.2), а при Rоптим – в зоне II.

Наиболее нагруженный ролик будет находится, соответственно, в зоне II и I.

Предложенный шарнир шпинделя прокатного стана по сравнению с известными позволяет повысить нагрузочную способность.

Формула изобретения

Шарнир шпинделя прокатного стана, содержащий обойму, втулку и установленные между обоймой и втулкой в цилиндрических пазах бочкообразные ролики, имеющие бочкообразный центральный участок и концевые участки, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных к центральному участку своими большими основаниями, образующие которых касательны к образующей центрального участка в его крайних точках, отличающийся тем, что радиус образующей бочкообразного центрального участка поверхности ролика определяется из соотношения
R= K(R_оsin-r_о),
где К – коэффициент, выбираемый в пределах от 1 до 2 в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к шпинделю, причем для шпинделей, обеспечивающих высокую точность проката, К= 1, а для тяжелонагруженных шпинделей К= 2;
R_о – радиус делительной окружности;
r_о – радиус центрального сечения ролика;
– угол давления в контакте ролика с пазами втулки и обоймы.

РИСУНКИ