научная статья по теме ДЕМПФИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РОЛИКОВЫХ ШАРНИРОВ ШПИНДЕЛЕЙ В ПРИВОДАХ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ДЕМПФИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РОЛИКОВЫХ ШАРНИРОВ ШПИНДЕЛЕЙ В ПРИВОДАХ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ»

УДК 621.771.06

ДЕМПФИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РОЛИКОВЫХ ШАРНИРОВ ШПИНДЕЛЕЙ В ПРИВОДАХ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

© Бобух Всеволод Иванович, Суков Геннадий Сергеевич

АО «Новокраматорский машиностроительный завод», Украина, г. Краматорск, ул. Орджоникидзе, 5

Бобух Иван Александрович, Сатонин Анатолий Владимирович

Донбасская государственная машиностроительная академия, Украина, г. Краматорск, ул. Шкадинова, 76 Статья поступила 03.09.2008 г.

Определена демпфирующая способность универсальных роликовых шарниров при различных условиях эксплуатации валопроводов.

Ключевые слова: роликовый шарнир, демпфирующая способность, приводы прокатных станов, приведенная жесткость.

В последнее время в приводах валков прокатных станов наряду со шпинделями с вкладышами скольжения, зубчатыми муфтами и шарнирами Гука широко используются шпиндели с роликовыми шарнирами [1-3], которые при тех же габаритах обладают более высокой нагрузочной способностью, долговечностью, низким уровнем шума и способностью передавать повышенные крутящие моменты при больших углах перекоса соединяемых валов (рис. 1).

Созданы и разрабатываются новые конструктивные решения роликовых шарниров, направленные в одних случаях на передачу значительных крутящих моментов при малых скоростях вращения, в других - на работу в условиях высоких динамических нагрузок [4-6]. Для реализации этих решений потребовались новые технологические приемы и способы обработки, которые позволили получать детали шарниров с высокой точностью по шагу полуцилиндрических пазов [7]. Оригинальный способ обработки силовых деталей для внешнего и внутреннего зацеплений позволил получать детали не только с высокой точностью по шагу [8], но и по соосности, что обеспечивает практически идеальный шарнир [4, 5, 9, 10].

Эксплуатация роликовых шпинделей показала, что работоспособность роликовых шарниров существенно зависит от их конструкции, размеров полуцилиндрических пазов, первоначальных зазоров, способов и точности изготовления, наличия смазки, способа ее удержания и от жесткости валов, соединяющих роликовые шарниры.

Однако демпфирующая способность универсальных роликовых шарниров практически не изучена. Исключение составляет работа [6], где эти вопросы связаны с общей динамикой приводов прокатных станов.

Роликовый универсальный шарнир (см. рис. 1) включает в себя сферическую головку 1, насаженную § на хвостовик рабочего валка 2, и обойму 3, насажен-£ ную на вал шпинделя 4. Между сферической голов-• кой 1 и обоймой 3 в нарезанных на них полуцилин-| дрических пазах установлены бочкообразные ролики < с хвостовиками 5 для передачи крутящего момента от 2 обоймы к головке. Головка 1 и обойма 3 сопряжены

между собой по сферическим контактным поверхностям сферы В через сферические кольца 6-8. Кольцо 6 жестко установлено на головку 1 со стороны торцовой крышки 9 и ограничивает осевое смещение роликов в ее сторону. Крышка 9 закреплена болтами 10 на торце обоймы 3. В крышку вмонтированы сферическое кольцо 7, уплотнение 11, прижимной фланец 12 и прижимные болты 13. В обойме 3 выполнены отверстия, закрытые пробками 14 для подачи смазки и выпуска воздуха.

При работе роликовой муфты в диапазоне углов наклона ±а между осью рабочего валка 2 и шпинделем 4 бочкообразные ролики 5 наклоняются относительно своей продольной оси на угол а/2. С учетом этого выбирается свободный ход роликов относительно продольной оси, но при диаметре роликов до 60 мм ход равен не более 1,2-1,5 мм. В результате этого ролики 5 удерживаются упорным кольцом 6 от осевого смещения относительно биссектральной плоскости, соответствующей углу наклона а. Кроме того, при работе роликовой муфты в режиме наклона, благодаря сферическому сопряжению головки 1 и кольца 8, а также сопряжению колец 6 и 7, положение оси шарнира остается постоянным, как и радиальный зазор в силовой цепи «головка - ролик - обойма». Все это обеспечивает равномерное нагружение роликов по окружности зацепления.

Следует отметить, что поскольку роликовые шарниры связаны жестко через обойму и вал шпинделя, то при изменении угла наклона шпинделя в диапазоне ±а, сферическая головка 1 своими плоскими 15 и цилиндрическими 16 направляющими скользит по хвостовику рабочего валка 2. Когда суммарный износ сферической поверхности трения на головке 1, кольцах 8, 6 и 7 выйдет за предельные размеры, для восстановления оптимальных осевых и радиальных зазоров в роликовом шарнире перемещают крышку 9 болтами 10, предварительно уменьшив толщину прокладок 17.

Кинематика и методика расчета на прочность роликовых шарниров рассмотрена в ряде работ [11 -13].

Демпфирующее влияние универсальных роликовых шпинделей в приводах оборудования прокатных

Рис. 1. Базовая конструкция универсального роликового шарнира

станов связано со снижением величины момента упругости (Муп) в валопроводах с применением универсальных роликовых шарниров.

Известно, что в динамике моменты упругости, действующие в валопроводах, в общем виде определяются по формуле[14]:

г dw

М уп = Мст + J—,

dt

(1)

где Мст - статический крутящий момент, определяемый технологическим режимом нагружения; / - приведенный к валу машины момент инерции валопровода;

— = б - угловое ускорение деталей валопровода;

ёю - приращение угловой скорости; Аь - время, за которое происходит приращение скоростей.

В начале захвата металла валками прокатных станов статический момент близок к нулю, а упругий момент в валопроводе практически мгновенно достигает максимальной величины, поэтому в момент захвата

М УП = 7 * •

(2)

Исходя из этого, демпфирующую способность вало-проводов с приводом, включающим в себя универсальные роликовые шарниры, можно представить в виде:

М' - М"

d -^уп -^уп

урш

M"

уп

(3)

где М' и М"уп - моменты упругости валопровода, первоначальный и с универсальными роликовыми шарнирами.

Рассмотрим валопровод - шпиндель, включающий в себя два универсальных роликовых шарнира и промежуточный вал диаметром d = 180 мм, длиной 1400 мм из кованой стали 45, термообработан-ный до категории прочности 420-450 МПа, при этом ст = 142,8 МПа, т = 100 МПа.

из кр

Промежуточный вал передает крутящий момент Мкр = 116,64 кН-м.

Угол закручивания промежуточного вала фпв при действии крутящего момента равен [15]:

Фпв =

МКрЬ G7„ '

(4)

В рассматриваемом примере фпв = 0,0155 рад.; модуль сдвига G = 0,8-10и Н/м2; 1р = 0,Ы4.

Для решения поставленной задачи необходимо определить угол взаимного закручивания ведущих и ведомых деталей универсального шарнира, т.е. головки относительно обоймы. На рис. 2 показана схема нагружения силовых элементов универсального роликового шарнира при расчетных значениях радиуса расточки гр и радиуса роликов г0, т.е. при размерах, соответствующих технической документации на изготовление деталей. Силовая цепь замыкается при свободном угле контакта ф [16]:

Ф= агссо$(1 ——) , (5)

4 А

где А - расстояние между центрами полуцилиндрических расточек

r

A = (-i - 1)-2r0. ro

(6)

Здесь г/2 - тангенциальное смещение ведущей и ведомых деталей за счет суммарного радиального зазора между ними; гр - радиус расточки полуцилиндрических пазов обоймы 1 и втулки 2; г0 - максимальный радиус ролика 3 (см. рис. 2).

При нагружении крутящим моментом силовые детали упруго деформируются, и определить суммарную деформацию, т.е. реальную величину (г) очень сложно. Поэтому при изготовлении партии шпинделей в конструкцию универсальных шарниров был введен индикатор тангенциального перемещения, состоящий из стрелки, установленной на роликовой обойме, и шкалы, установленной на головке [5].

На испытательном стенде при статической нагрузке, прикладываемой к обойме при закрепленной от

проворота головке, провели замеры тангенциального смещения обоймы относительно головки. При нагрузке, равной 10% расчетного крутящего момента, величина г, отнесенная к радиусу делительной окружности, не превышала 0,8-1,2 мм. При расчетной нагрузке величина г не превышала 2,5-3 мм.

На основании полученных результатов замеров г определили угол тангенциального поворота обоймы относительно головки:

Фпп =-

- = — (рад), R0

(7)

где R0 - радиус делительной окружности, R0 = 185 мм (см. рис. 2).

В нашем случае, угол закручивания каждого роликового шарнира ф00 = 0,0162 рад.

Суммарный угол закручивания исследуемого валопровода, включающего в себя промежуточный вал и два роликовых универсальных шарнира:

2Ф1 = Фпв + 2Ф00 = 0,052 рад.

Необходимо отметить, что увеличение £ф1 - необходимое условие увеличения демпфирующей способности универсальных роликовых шарниров, так как при увеличении угла закручивания растет величина dt (формула 2), что ведет к уменьшению Муп при прочих равных условиях. Второе необходимое и достаточное условие демпфирующей способности валопроводов -снижение величины ускорения dw/dt.

Рассмотрим, как меняется приведенная жесткость валопровода при наличии универсального роликового шарнира.

Приведенная жесткость (при М0 = 0 и ф0 = 0):

валопровода С

С

прив

ЛМ ЛЕф

(8)

где ДМ - приращение крутящего момента; АЕф - приращение суммарного угла закручивания. В нашем случае Сприв = 2243 кН-м/рад. При этом жесткость промежуточного вала, исходя из приращения передаваемого момента и приращения угла закручивания, равна:

АМ

С

прив

ЛЕф

= 5982 кН-м/рад.

Согласно [14], определим жесткость универсальных роликовых шарниров Сурш при реальном статическом нагружении:

С

прив

= 1/

+

С

С

урш

(9)

В нашем случае жесткость каждого универсального шарнира равна: Сурш = 7177,6 кН-м/рад, что превышает жесткость прокатного валка Спв = 5982 кН-м/рад.

При нормальном износе силовых элементов универсального роликового шарнира с уменьшением г0 на 1 мм и увеличением гр на 1 мм расчетным путем определено [5], что относительное тангенциальное их перемещение по делительной окружности

Рис. 2. Схема нагружения

составляет 13,3 мм. При этом угол ф увеличивается до 0,072 рад. Суммарный угол закручивания валопровода увеличивается до Еф2 = 0,1635 рад, а величина АЕф = Еф1 - Еф2 = 0,1115 рад.

Приведенная жесткость валопровода, согласно (9), при нормальном износе равна: С'прив = 1046,1 кН

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком