Модернизация шпиндельного соединения клети 1250 обжимного стана с целью повышения надежности

Модернизация шпиндельного соединения клети 1250 обжимного стана с целью повышения надежности

Введение

В современных условиях одной из самых главных задач черной металлургии является снижение себестоимости проката черных металлов, при значительном повышении качества металлопродукции. Эта задача решается главным образом путем широкого технического перевооружения предприятий черной металлургии. К числу важных мероприятий в решении этой задачи относится реконструкция уже существующих производств, с целью повышения качества, надежности, экономичности и производительности машин и оборудования.

Необходимость быстрейшего перевооружения металлургической промышленности способствует совершенствованию и развитию организации и технологии монтажа, технического обслуживания и ремонта металлургического оборудования.

В процессе развития черной металлургии значительно повысились требования к надежности агрегатов и оборудования. Высокая эксплуатационная надежность металлургических машин достигается благодаря применению наиболее современных методов технического обслуживания и ремонтов. Последующее развитие металлургического производства неразрывно связан с внедрением новых высокоэффективных технологий производства металлопроката. С этой целью разрабатываются проекты реконструкции действующих технологических линий и комплексов, которые предусматривают замену устаревшего металлургического оборудования новым, высокопродуктивным, способным удовлетворить потребность современной промышленности.

Особенное внимание следует уделить вопросам повышения надежности прокатного оборудования, которое характеризуется повышенной интенсивностью процесса, сложностью конструкции и действием высоких температур.

1. Аналитический обзор

.1 Литературный обзор

Шпиндели, предназначенные для передачи вращения и крутящих моментов от шестерной клети или непосредственно от главных электродвигателей к валкам рабочей клети.

В основу конструкции универсальных шпинделей заложен принцип шарнира Гука, потому шпиндели могут передавать вращение и крутящие моменты под углом наклона до 8 - 10°. Благодаря шарнирной конструкции универсальные шпиндели работают плавно; вместе с тем они позволяют передать большие крутящие моменты, потому их применяют для привода валков как листовых и сортовых станов (при угле наклона около 1 - 2° и моменте 50 - 200 кНм), так и обжимных, толстолистовых и заготовочных станах (при угле наклона 3 - 10° и моменте 0,5 - 3,0 МНм).

Длину шпинделя (по осям шарниров) определяют исходя из допустимого или принятого угла наклона его и высоты перемещения одного из шарниров, которая характеризуется высотой подъему верхнего вала при прокатывании металла наибольшей толщины по формуле L = H/tg.

Например, при прокатывании слябов на ребро высота подъема верхнего вала доходит до 2000 мм, потому длина шпинделя при максимальном допустимом кутье наклона 10° составит 12 м, а масса его приблизительно 40 т. Для уменьшения угла наклона верхнего шпинделя и создания более или менее одинаковых условий работы нижний шпиндель также устанавливают под углом (меньше, чем верхний).

Поскольку шпиндели передают большими крутящими моментами, то шарниры их должны быть весьма крепкими. Внешний диаметр шарнира шпинделя со стороны повода ограничивается межосевым расстоянием шестерен шестерной клети (или валов электродвигателей), а со стороны рабочей клети диаметром валов (когда верхний вал лежит на нижнем). Поскольку в процессе работы состояния валков изнашиваются и диаметр их уменьшается при перетачиваниях, то со стороны рабочей клети диаметр шарнира шпинделя должен быть меньше диаметра переточенного вала. Таким образом, диаметр шарнира шпинделя со стороны рабочей клети всегда меньше чем со стороны привода, потому прочность первого шарнира также меньше прочности второго. Рассчитывать на прочность нужно именно шарнир, расположенный со стороны валков, а не со стороны повода.

На рисунке 1 показан универсальный шпиндель четырехвалкового реверсивного клети конструкции ВНИИМетмашу. В конструкции шпинделя предусмотрен оригинальный и весьма простой способ подведения густого масла к бронзовым вкладышам через осевые и радиальные отверстия от стационарного подшипника с уплотнением, которое входит в состав устройства для уравновешивания шпинделя; в подшипник густое масло периодически подается питательными клапанами, включенными в цеховую систему автоматической централизованной смазки.

Рисунок 1 - Универсальный шпиндель привода валков реверсивного стана

Большой износ вкладышей, который вызывает значительную затрату дорогой и дефицитной бронзы для изготовления запасных вкладышей, масса каждого из которых на больших станах достигает 300 кг, побуждает конструкторов находить более рациональные конструкции шарниров. Опыт замены бронзовых вкладышей пластмассовыми (текстолитовыми) дает позитивные результаты при надежном подведении смазки и охлаждения шарниров. На рисунке 2 представлено устройство шпинделя с гидравлическим уравновешиванием для четырехвалковой реверсивной клети 2800. В средней части шпиндели опираются на подшипники с баббитовой заливкой. Подшипник нижнего шпинделя опирается на плунжер гидроцилиндра, установленного в стойке на фундаменте. Верхний шпиндель уравновешивается двумя боковыми гидроцилиндрами.

Гидравлическое устройство уравновешивания работает плавно и отличается большой надежностью, однако применять его целесообразно только тогда, когда в цехе действует насосно-аккумуляторная станция высокого давления, обслуживающая другие механизмы и устройства (гидравлическое уравновешивание валов, гидрозбив окалины и тому подобное).

Рисунок 2 - Гидравлическое уравновешивание шпинделей

На рисунке 3 приведен общий вид шпиндельного устройства с пружинным уравновешиванием шпинделей четырехвалкового состояния 2500 холодного прокатывания. Шпиндели изготовлены из кованой высокопрочной стали марки 30ХГВТ.

Баббитовые подшипники уравновешивающего устройства и шарниры шпинделей смазываются густым маслом, которое подается через осевые и радиальные отверстия, соединенные с системой централизованной автоматической густой смазки.

Рисунок 3 - Пружинное уравновешивание шпинделей

За последние годы разработано несколько удачных конструкций универсальных шарниров на подшипниках качения по типу карданных валов автомобилей. Трудности, связанные с применением таких шарниров для передачи больших крутних моментов до 2 - 3 МНм шпинделями прокатных станов, ограничены в настоящее время только недостаточной грузоподъемностью подшипников качения. Опыт эксплуатации таких шпинделей на прокатных станах при передаче крутящих моментов до 1,2 МНм дал полностью удовлетворительные результаты.

На рисунке 4 показан универсальный шпиндель с шарнирами на роликовых конических подшипниках для привода рабочих валов дрессеровочного четырехвалкового стана 500/15002500 конструкции ВНИИМетмашу - НКМЗ.

Шпиндель предназначен для передачи крутящего момента 50 кНм при частоте вращения до 800 об/мин. Со стороны рабочего валка и со стороны повода вилки-полумуфты 3 соединенные с фланцами 1: два диаметральных зуба (кулака) вилки входят в соответствующие пазы (западини) в фланце. Вторые вилки-полумуфты 10 насаженные на шлицевые концы среднего вала шпинделя. Вилки изготовлены из высокопрочной стали марки 34ХН3М, вал - из стали 45.

Рисунок 4 - Универсальный шпиндель с шарнирами на подшипниках качения

Осевые перемещения шпинделей допускаются за счет скольжения фланца 1 на конце вала. Крестовина шарнира образуется четырьмя осями 8, изготовленными из стали 40ХМ, с роликовыми подшипниками 5, что входят в отверстия на четырех концах двух вилок 3 и 10, внутренней втулкой 9 и внешней обоймой 4. От перемещения оси 8 фиксируются болтами 7, закатанными во внутренней гайке 6 с четырьмя отверстиями с резьбой М36. Смазка роликовых подшипников и осей 8 густым маслом, набивное. Периодически масло пополняется через пробки в оси 8.

Для привода валков жестепрокатных и дрессировочных станов при больших скоростях прокатывания (до 40 м/с) применяют шпиндели типа продленных зубчатых муфт, зубья которых обработаны внешне по сфере и пересечение их бочкообразной формы. Такие зубчатые шпиндели показали хорошие результаты в эксплуатации. [1]

1.2 Патентный обзор

Шарнир универсального шпинделя [2] (рисунок 5). Изобретение относится к металлургическому машиностроению и может быть использовано в приводах валков прокатных станов.

Цель изобретения - обеспечение повышения долговечности шарнира.

Формула изобретения. Шарнир универсального шпинделя, преимущественно привода прокатных валков, который включает лопасть и вилку, между которыми установлены вкладыши, сухарь, камень и расположены между вкладышами и лопастью сегменты, отличный тем, что, с целью обеспечения повышения долговечности шарнира, сухарь установлен в вилке с возможностью вращения относительно оси расточки вилки, а поверхности контакта сухаря с камнем выполнены сферическими.

Лопасть 1 охватывается вилкой 2 с цилиндровой расточкой, в которой расположены бронзовые вкладыши 3, своими плоскими поверхностями контактирующие с сегментами 4. Сегменты 4 своими цилиндровыми поверхностями контактируют с цилиндровыми расточками в лопате 1 и содержатся буртами этих расточек от смещения вдоль породільної оси шарниру.

Сухарь 5 своей цилиндровой внешней поверхностью, на которой выполнено наплавление (или закреплены накладки) антифрикционным материалом, установленный в центральной части цилиндровой расточки вилки 2. Плоскими параллельными боковыми поверхностями сухарь 5 контактирует с торцами вкладишем 3, содержась ими от поперечного смещения, а четырьмя выполненными на сухаре для удобства сбора плоскими выступлениями упирается в плоские рабочие поверхности вкладышей 3. Сухарь 5 имеет внутреннюю сферическую поверхность, по которой происходит контакт с сферическим камнем 6, который имеет плоские параллельные лиски, которыми он контактирует из проріззю лопасти 1.

Для удобства монтажа камня 6 сухарь 5 выполненный составляющим из двух частей, плоскость разъема которых проходит через центр сферы.

При изнашивании вкладышей 3 в процессе работы шарнира сегменты 4 самоустанавливаються в расточках лопасти 1, а лопасть возвращается в вилке относительно оси, благодаря соответствующий поворот камня 6 в сухаре 5 по сфере, и сохраняется равномерное распределение удельного давления на рабочих поверхностях вкладышей 3.

Рисунок 5 - Шарнир универсального шпинделя

Универсальный шарнир [3] (рисунок 6). Изобретение относится к поводам прокатных станов, но также может использоваться в поводах других машин, которые используют валы с универсальными шарнирами для соединения несоосных валов.

Цель изобретения - уменьшение изнашивания шарнира путем увеличения плоскости контакта поверхностей трения и снижением контактных давлений, сокращение времени перевалки путем исключения вспомогательных операций по установлению компенсаторов изнашивания, а также компенсация неравномерности износа деталей, которые противолежат поверхностям трения шарнира.

Формула изобретения: 1) Универсальный шарнир, преимущественно привода прокатной клети, который содержит лопасть, вилку, расположенные между лопастью и вилкой вкладыши, соединенные между собой осью, и компенсаторы изнашивания с упругим элементом, отличный тем, что с целью уменьшения изнашивания шарнира путем увеличения плоскости контакта поверхностей трения и снижения контактных давлений, компенсаторы изнашивания выполнены в виде установленных между лопастью и вкладышем клиньев с сферической головкой, которая взаимодействует с толкателем, расположенным в вилке по ее оси и он опирается на упругий элемент; 2) Шарнир, отличный тем, что с целью компенсации неравномерности изнашивания противоположных поверхностей трения шарнира, толкатель выполнен в виде основы и шарнирно установленного на нем коромысла, на соответствующее плечо которого опирается сферическая головка каждого из клиньев.

Универсальный шарнир содержит лопасть 1, связанную с прокатным валком, и вилку 2, установленную на валу шпинделя, который передает вращение от двигателя клети к валку. Между цилиндровыми поверхностями щек вилки и лопастью установлении вкладыши 3, соединении между собой осью 4 и компенсаторы 5 изнашивания, каждый из которых выполнен в виде цилиндрового клина, который контактирует с наклонными поверхностями 6 лопасти и плоской поверхностью 7 вкладыша. Головки 8 компенсаторов выполнены сферическими и взаимодействуют с коромыслом 9 толкателя, которое шарнирно установлено на основе 10, которая опирается на упругий элемент 11, установленный в цилиндровой расточке вилки. Каждый компенсатор обеспечен кронштейном 12, что взаимодействует с расположенным между ним и лопастью упругим элементом 13. Компенсаторы установленные в пазах лопасти и прижатые к ней через упругий элемент 14 с помощью булавок 15.

Шарнир универсального шпинделя [4] (рисунок 7). Изобретение относится к металлургическому оборудованию, преимущественно к приводам рабочих валков прокатных станов. Цель изобретения - повышение срока службы шарнира путем создания возможности оптимального сочетания материалов трущихся пар и усиления вкладыша. Формула изобретения. Шарнир универсального шпинделя, который включает лопасть, вилку, установленные между вилкой и лопастью вкладыши, соединительный сухарь и расположенные между каждым вкладышем и лопастью в расточках одного из этих элементов цилиндровые сегменты с буртами, отличный тем, что, с целью повышения срока службы шарнира путем создания возможности оптимального сочетания материалов трущихся пар и усилением вкладыша, расточки под сегменты выполненные в лопасти шарнира.

Рисунок 6 - Универсальный шарнир

Рисунок 7 - Шарнир универсального шпинделя

При передаче крутящего момента от вилки 2 к лопасти бронзовые вкладыши 3 передают окружное усилие через пару диаметрально расположенных сегментов 5 на лопасть 1. Под действием окружного усилия сегменты 5 самоустанавливаються в цилиндровых расточках лопасти 1, обеспечивая равномерную контактную нагрузку на рабочих поверхностях шарнира.

Шарнир универсального шпинделя [5] (рисунок 8). Изобретение относится к прокатному производству и может быть применен в приводных шпинделях прокатных станов.

Цель изобретения - увеличение срока службы шарнира путем обеспечения регуляции представления смазки в зависимости от угла перекоса в шарнире.

Формула изобретения. Шарнир универсального шпинделя, преимущественно привода прокатного стана, который содержит головку, лопасть и сегментные вкладыши с устройством для их смазки, выполненные в виде плунжера насосу, расположенного в головке шпинделя, отличный тем, что, с целью регуляции представления смазки в зависимости от угла перекоса в шарнире, насос расположен в углублении головки так, что ось плунжера параллельна оси шпинделя и торец плунжера упирается в торец лопасти шарнира.

Шарнир универсального шпинделя образуется лопастью 1 со стороны валка, головкой (вилкой) 2 шпинделя 3, сегментными вкладышами 4 и сухарем 5. Устройство для смазки вкладышей выполнено в виде четырех насосов плунжеров 6, которые расположены попарно в головке шпинделя 2 диаметрально противоположно друг другу с возможностью взаимодействия торцов плунжеров 7 насосов с торцом лопасти 1 шарнира. Емкостью 8 для масла служит цилиндровая расточка, которая выполнена в теле головки 2 шпинделя по его оси. В емкости 8 расположен поршень 9, подпружиненный пружиной 10. С помощью смазочных каналов 11 емкость 8 соединенная с полостями насосов 6, при этом нагнетательная полость каждого насосу соединенная каналами 12 с определенным смазочным местом вкладышей 4.

Рисунок 8 - Шарнир универсального шпинделя

Для заправки емкости 8 маслом служит канал 13 с обратным клапаном 14. Для соединения с атмосферой воздушной полости емкости 8 служит отверстие 15.

Шарнир универсального шпинделя [6] (рисунок 9). Изобретение относится к машиностроению и может быть использован в поводах рабочих валков клетей прокатных станов.

Цель изобретения - увеличение долговечности шарнира путем предотвращения возможности передачи крутящего моменту нерабочим поверхностям вкладыша и обеспечения работы шарнира по расчетным схемам нагрузки.

Формула изобретения. Шарнир универсального шпинделя, который включает у себя разрезную лопасть, вилку с проточкой, вкладыши с буртом, смонтированные в проточке вилки, сухарь, который входит в отверстия вкладышей и связанный с лопастью по цилиндровой поверхности, отличен тем, что, с целью повышения долговечности шарнира, проточка в вилке и бурт вкладыша выполнены сферическими с геометрическим центром в центре шарнира. Шарнир включает разрезную лопасть 1, вилку 2 с проточкой, вкладыши 3 с буртом, смонтированные в проточке вилки 2, сухарь 4, который входит в отверстия вкладышей 3 и связанный с лопастью 1 по цилиндровой поверхности. Соединение буртов вкладышей 3 с проточкой в вилке 2 выполнено по сферической поверхности с геометрическим центром в центре шарнира. По мере изнашивания плоских контактных поверхностей вкладышей 3 лопасть 1, возвращаясь по сегментным выпуклостям сухаря 4, хранит полноту контакта с вкладышами 3 и не должен возможности контактировать с сухарем 4, чем исключается передача моменту через сухарь 4. При изнашивании цилиндровых контактных поверхностей вкладышей 3 они, возвращаясь по сферической поверхности проточки, выполненной в вилке 2, предотвращают возможности передачи моменту через бурты вкладышей 3.

Рисунок 9 - Шарнир универсального шпинделя

Шарнир универсального шпинделя [7]. Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к универсальным шпинделям, которые передают крутящий момент валковим машинам и механизмам.

Цель изобретения - повышение срока службы вкладышей.

Формула изобретения. Шарнир универсального шпинделя, преимущественно привода прокатной клети, который содержит лопасть и расположенные на нее сухарь и пару вкладышей, отличный тем, что, с целью увеличения срока службы вкладышей, на обращенной к лопасти поверхности вкладышей выполнены симметричные скосы от середины к краям протяжностью (D-d) /2.

В процессе передачи крутящего момента, например, из лопасти 1 на вилку 3 вкладыша 2 и сухарь 4 обеспечивают этот процесс при изменении углов между осью головки и осью лопасти шпинделя. При этом поверхность вкладыша 2 контактирует с головкой 3, а другая поверхность контактирует с лопастью 1, обеспечивая передачу крутящего моменту. Через наличие зазоров между вкладышем и лопастью шпинделя их контакт при отсутствии скоса происходит не по всей поверхности, а лишь по периферии, которая приводит к концентрации контактного давления и, в конечном итоге, разрушению вкладыша.

Универсальный шарнир [8] (рисунок 10). Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к универсальным шарнирам шпинделей поводов преимущественно прокатного оборудования.

Цель изобретения - повышение надежности и долговечности путем улучшения условий смазки.

Формула изобретения. Универсальный шарнир, отличный тем, что, с целью повышения надежности и долговечности шарнира путем улучшения условий смазки, выводы каналов на поверхностях торцов размещены друг к другу под углом, ровным не более чем двум минимальным углам перекоса шарнира.

Универсальный шарнир состоит из полумуфт 1 и 2, связывающей их с помощью подшипников 3 и 4 крестовины 5 с внутренней полостью 6 и каналами 7 для подачи масла к радиальным 3 и упорных 4 подшипников. Каналы 7 для подачи масла выполнено по касательной к поверхности 8 внутренней полости 6 в направлении вращения шарнира.

Рисунок 10 - Универсальный шарнир на подшипниках качения

Шпиндельное устройство [9] (рисунок 11). Изобретение относится к металлургии, а точнее к прокатному производству, и может быть использован для совершенствования конструкций шпиндельных устройств.

Цель изобретения - сокращение времени на перевалку.

Формула изобретения. Шпиндельное устройство, которое содержит полумуфту вала и универсальный шпиндель, вилку шарнира головка которого соединена с полумуфтой вала через лопасть и средство сцепления в виде смонтированного перпендикулярно продольной осе вилки центрирующего подпружиненного пальца с клином затягивания торца, причем, поверхности торцов вилки и полумуфты, обращения одна к другой, выполнены перпендикулярно рабочим плоскостям лопастей и цилиндровой формы с радиусами, которые имеют общий центр, отличное тем, что, с целью сокращения времени на перевалку, цилиндровые поверхности торцов вилки и полумуфты выполнены эксцентрически осе шарнира головки шпинделя, при этом эксцентрическое смещение оси цилиндровых поверхностей от оси шарнира головки шпинделя перпендикулярно продольной осе полумуфты.

При перевалке валков прокатного стана шпиндель 1 фиксируют от сдвигов относительно, например, стоек. Потом соединение вилки 4 головки 3 шпинделя 1 с полумуфтой 5 вала освобождают от центрирующего подпружиненного пальца 7 с клином 8 затягивания торца и возвращают вилку 4 вокруг оси шарнира 2.

Рисунок 11 - Шпиндельное устройство

При этом поверхность торца А вилки даже при небольшом повороте выходит из соединения 2 с поверхностью торца А полумуфты 5, исключая трение между ними при повороте вилки. За счет этого облегчается вивод вилки из лопасти полумуфты 5. После замены рабочих валков, соединения вилки 4 с полумуфтой 5 осуществляется в обратном порядке. При этом поверхности торцов А вилки 4 и полумуфты 5 входят в соединение при окончании поворота вилки 4, то есть когда продольная ось вилки 4 совпадает с продольной осью полумуфты 5.

Такое конструктивное выполнение шпиндельного устройства позволяет исключить контакт между поверхностями торцов полумуфты и вилки при повороте вилки за счет того, что ось цилиндровых поверхностей торцов вилки и полумуфты смещена относительно оси поворота вилки. При этом перпендикулярный сдвиг оси цилиндровых поверхностей относительно продольной оси полумуфты от оси поворота вилки обеспечивает даже при минимальной величине этого сдвига свободный выход из соединения друг с другом цилиндровых поверхностей торцов вилки и полумуфты при повороте вилки вокруг оси шарнира головки шпинделя, исключая трение между этими поверхностями при разъединении-соединении вилки головки шпинделя с полумуфтой прокатного валка, значительно облегчая тем самым эти операции и сокращая время на перевалку.

Вкладыш универсального шарнира скольжения [10] (рисунок 12) Изобретение относится к прокатному производству, в частности к устройствам главного привода прокатных клетей, и может быть использовано для передачи валкам рабочей клети вращения и крутящего момента. Целью изобретения - является повышение стойкости и надежности работы, а также снижение динамических нагрузок.

Рисунок 12 - Вкладыш универсального шарнира скольжения: 1 - головка шпинделя; 2 - лопасть; 3 - сухарь; 4 - цапфа; 5 - центрирующая часть; 6, 7 - сегментный элемент; 8 - глухое отверстие; 9 - пружины; 10 - отверстие под цапфу; 11- фиксирующий замок

Формула изобретения: Вкладыш универсального шарнира скольжения, состоящий из центрирующей части, выполненной в виде сдвоенного клина с уклонами по краям и опирающихся на нее взаимно подпружиненных сегментных элементов, причем в центрирующей части выполнено отверстие под цапфу сухаря, а между поверхностями сопряжения головки и сегментных элементов выполнен фиксирующий в продольном направлении замок в виде выступа и соответствующего ему паза, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости и надежности работы за счет снижения динамических нагрузок, вкладыш снабжен дополнительным фиксирующим в продольном направлении замком, размещенным между контактными поверхностями элементов. Универсальный шарнир [11] (рисунок 13) Изобретение относится к прокатному оборудованию, а именно к шпиндельным соединениям главных приводов прокатных клетей и приводов вспомогательного оборудования прокатных станов. Цель изобретения - повышение долговечности шарнира при углах перекоса преимущественно 3 - 6. Формула изобретения. Универсальный шарнир, содержащий внутреннюю и наружную обоймы с полуцилиндрическими продольными расточками, в которых размещены тела качения, и сепаратор, состоящий из двух дисков, каждый из которых взаимодействует с внутренней и наружной обоймами по 10 сферических поверхностям, центры которых расположены симметрично относительно центра вращения. На продольной оси шарнира, при этом внутренняя обойма зафиксирована относительно наружной при помощи дисков сепаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности шарнира при углах перекоса 3 - 6º, тела качения выполнены в виде роликов бочкообразной формы и установлены в расточках обойм с радиальным зазором.

Рисунок 13 - Универсальный шарнир: 1 - внутренняя обойма; 2 - наружная обойма; 3 - тела качения; 4 - два диска; 5 - крышка; 6 - уплотнительное кольцо; 7 - подпружиненная крышка

2. Подробное описание объекта проектирования

Устройство шпиндельное предназначено для передачи крутящего момента от электродвигателя главного привода через муфты к рабочим валкам.

Устройство шпиндельное состоит из двух универсальных шпинделей, кожухов, двух моторных полумуфт, стоек, механизма уравновешивания, подшипники скольжения.

Каждый шпиндель состоит из вала и двух головок (со стороны привода - головка шарнира на подшипниках качения, со стороны клети - головка шарнира скольжения на вкладышах), насаженных на вал шпинделя по посадке с гарантированным натягом. На валу шпинделя установлены разъемные подшипники скольжения с баббитовой заливкой. Материал шпинделя - легированная кованая сталь 40Х. Материал головок шарниров - сталь 40ХН.

Шпиндель снабжен универсальными шарнирами на бронзовых вкладышах. Шпиндель имеет две опоры в виде подшипников скольжения с баббитовой заливкой. Подшипники закреплены на балках.

Механизм уравновешивания предназначен для разгрузки универсальных шарниров от веса шпинделей и снижения динамических нагрузок в приводе клети.

Техническая характеристика шпиндельного устройства приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Техническая характеристика шпиндельного устройства

3. Разработка мероприятий проекта

Выучив известные конструкции шпинделей я определил такие недостатки шарниров шпинделей на бронзовых вкладышах:

Бронзовые вкладыши быстро изнашиваются их замена проводится приблизительно 1 раз в три месяца (со стороны привода);

Бронза дорого стоит и проведение замены четырех вкладышей со стороны привода 4 разы в год наносит предприятию значительных потерь;

В результате стирания контактных поверхностей вкладыша, между ним и головкой шпинделя образуются зазоры, что негативно влияет на качество поверхности писем;

Конструкция универсального шарнира на бронзовых вкладышах ненадежная;

В рассмотренных раньше конструкциях универсальных шпинделей тоже есть недостатки, например в конструкциях по [2], [3], [5] основной недостаток - это сложность изготовления вкладышей, то есть стоимость вкладышей будет состоять не только из стоимости бронзы, но и из стоимости изготовления.

Конструкция универсального шпинделя по [4], в которой проточки производятся в лопате шарнира, также имеет свой недостаток - за счет проточки в лопате шарнира прочность лопасти будет уменьшена. Шпиндельное устройство с таким шарниром не способно передавать значительные круговые моменты.

Конструкция универсального шарнира по [7] имеет такой недостаток - при задании металла в валки прокатной клети, будет наблюдаться момент удара бронзовых вкладышей о щеки головки шпинделя, то есть значительно растет возможность возникновения аварии.

В своем проекте я предлагаю заменить со стороны привода универсальные шарниры на бронзовых вкладышах на универсальные шарниры на подшипниках качения. Конструкция такого шарнира похожа с конструкцией универсального шарнира НКМЗ, которая изображена на рисунку 4, но вместо роликовых конических подшипников нужно установить подшипники роликовые сферические двурядные, которые обеспечат надежную работу при угле перекоса до 6º в то время как наибольший угол перекоса шпиндельного устройства обжимного цеха - 5,72º.

Для установления с приводной стороны предлагаю конструкцию универсального шарнира на подшипниках качения конструкции УЗТМ, с максимальным диаметром головки шпинделя - 1780 мм, с незначительными доработками, а именно:

Головку нужно изготовить с диаметром шипа, на который садит подшипник, діаметром 320 мм;

Диаметр посадочного места для посадки тела шпинделя необходимо изменить из 678 мм до 600 мм с посадкой Н8.

Подшипник качения [12] - роликовый сферический двурядный 3003264, с такими параметрами:

Внутренний диаметр d = 320 мм;

Внешний диаметр D = 580 мм;

Ширина В = 208 мм;

Динамическая грузоподъемность С = 2870 кН;

Номинальная частота вращения при густой смазке - 320 об/мин;

4. Расчет деталей узлов рабочей линии

.1 Расчет головки универсального шарнира скольжения

Материал головки шпинделя - сталь 40ХН ГОСТ 4543-71 для этой марки стали порог прочности равняется  МПа, принимаем запас прочности, тогда допустимый порог прочности будет равняться  МПа [13], с. 64. Значение крутящего момента, который передает шпиндель, -  кНм.

На рисунке 14 представлена схема к расчету головки шарнира.

Момент, который передает один шпиндель, будет равняться, где  - усилие, с которым нижний бронзовый вкладыш жмет на нижнюю щеку головки шпинделя, а верхний вкладыш - на верхнюю щеку; - расстояние между точками приложения сил.

где  - ширина щеки,  мм, согласно чертежа;

 - ширина проточки в щеке, с = 255 мм, согласно чертежа;

 мм

Принимаем, что удельное давление вкладыша на щеку шарнира распределяется по трапеции и сила, которая прилагается в плоскости центра веса этой трапеции.

При передачи шпинделем крутящего момента вкладыш будет жать на щеку шпинделя с силой, которая равняется:

 кН.

Таким образом, при передачи шпинделем крутящего момента в сечении I-I на расстоянии x от оси шарнира будут возникать напряжения и от кручения, и от изгиба.

Сечение I-I будет опаснейшим, если сечение строить по технологическим точкам, то есть, исключая округление.

Напряжение кручения в сечении I-I равняется:

,

где - крутящий момент, который передается одним шпинделем,  кНм;

 - момент сопротивления сечения I-I кручению.

Для определения момента сопротивления кручению по заданным размерам головки шпинделя перерез I-I вычеркнут отдельно в виде сегмента (рисунок 15).

Определить точное значение момента сопротивления кручению сечения, который имеет форму сегмента, трудно, потому сегмент приравниваем равновеликому по плоскости прямоугольнику высотой  и шириной . Момент сопротивления перереза прямоугольника кручению определяем за формулой:

,

где - коэффициент, который зависит от отношения ширины прямоугольника к его высоте,

принимаем  [14], с.188;

 мм3.

 МПа.

Напряжение сгибания в перерезе щеки I-I равняется:

,

Рисунок 14 - Схема к расчёту шарнира универсального шпинделя

Рисунок 15

b1 = 490 мм, b2 = 255 мм, h = 380 мм

Рисунок 15 - Разрез шеки головки шарнира

где  - изгибающий момент в сечении I-I, который равняется:

,

где  - расстояние от точки приложения силы  к перерезу I-I, согласно рисунка 15  мм;

 - момент сопротивления сечения I-I сгибанию.

Определить момент сопротивления сгибанию сечения I-I, который имеет форму сегмента, также весьма трудно. Заменяем сегмент равновеликой по плоскости трапецией с основой  и высотой . Момент сопротивления перереза трапеции сгибанию равняется:

 мм3

 кНм.

Тогда напряжение сгибания:

 МПа.

Расчетное напряжение в сечении I-I от действия изгиба и кручения определяем по формуле:

 МПа.

Расчетное напряжение не должно превышать допустимое:

 МПа < МПа,

то есть прочность головки универсального шарнира скольжения обеспечена.

4.2 Расчет лопасти шарнира

Лопасть шарнира выполнена с прорезью. Материал лопасти - сталь 40ХН. Схема к расчету лопасти приведена на рисунку 14. Лопасть шарнира с прорезью воспринимает со стороны вкладыша давление распределенное приблизительно по треугольнику. Поэтому равнодействующая сила  давления на одну ветку лопасти будет смещена от центра ее сечения. Рассмотрим два сечения лопасти: в сечении I-I будут возникать и напряжение изгиба, и напряжение кручения; в сечении II-II будут возникать лишь напряжение кручения.

Сечение I-I

Усилие  в этом перерезе равняется:

где Мкр - крутящий момент, который передает один шпиндель, Мкр = 975 кНм; b0 - полная ширина лопасти, согласно чертежа b0 = 1090 мм;- ширина одной ветки лопасти, согласно чертежа b0 = 450 мм.

 кН.

Изгибающий момент в сечении I-I равняется:

,

где х - плечо силы

,

где α - угол наклона шпинделя, согласно технической характеристики α = 5º20';

х1 - расстояние от центра шарнира к перерезу I-I, согласно чертежа х1 = 175 мм

 м

Тогда момент изгиба:

 кНм.

Напряжение изгиба:

,

где Wиз - момент сопротивления изгиба;

 мм3;

где S = 260 мм - толщина сечения лопасти;

тогда:

 МПа.

Момент кручения в сечении I-I равняется:

 кНм.

Напряжение кручения:

,

Момент сопротивления кручению:

где η - коэффициент, который зависит от отношения, при  принимаем η = 0,425 [15], с. 160;

 мм3.

 МПа.

Расчетное напряжение:

 МПа.

Расчетное напряжение не должно превышать допустимое:

 МПа < МПа.

Сечение II-II

В данном сечении будет действовать только крутящий момент. Напряжение кручения будет равняться:

,

из - момент сопротивления сечения:

 мм3

 МПа.

Расчетное напряжение не должно превышать допустимое:

 МПа < МПа.

5. Выбор и расчет подшипника качения универсального шарнира

При движении качения подшипники выходят из строя в результате образования в них отпечатков тел качения, в нашем случае - канавок от роликов.

Одной из основных причин разрушения поверхностей качения есть фреттинг, который вызван одновременным окислением пластичного масла и металла, и который развивается под воздействием кислорода воздуха, который поступает из атмосферы. Образованные таким образом окислы железа смешиваются с маслом и образуют абразивную пыль, которая увеличивает процесс изнашивания контактирующих поверхностей качения в подшипнике.

В предлагаемом шарнире устанавливается подшипник 3003264, с динамической грузоподъемностью 2870 кН.

Максимальный крутящий момент, который передает универсальный шарнир:

,

где  - номинальный крутящий момент, который передает шарнир

,

где  - динамическая грузоподъемность,  кН;

 - расстояние от оси шарнира к среднему перерезу подшипнику, согласно чертежа  мм;

 кНм;

 - динамический коэффициент, при умеренных толчках и ударах принимаем  [16], с. 143;

 - коэффициент долговечности, при желаемой долговечности часов принимаем  [16], с. 127;

 - коэффициент, который учитывает величину, в которой, - номинальное число оборотов подшипника,  - угол перекоса подшипника, согласно технической характеристики , принимаем  [16], с. 143;

 кНм.

Согласно технической характеристики долговременный крутящий момент, который передает шпиндель равняется 975 кНм.

Вывод: выбранный подшипник отвечает требованиям относительно обеспечения передачи необходимого крутящего моменту 975 кНм, при этом долговечность подшипника будет составлять больше 9000 часов.

6. Обоснование посадок

При монтаже тела шпинделя с шарниром скольжения и с полумуфтой шарнира качения используем посадку с натягом

Разность размеров отверстий и вала, до сборки определяет характер соединения деталей или посадку, то есть большую или меньшую свободу относительного перемещения деталей или степень сопротивления их взаимному перемещению. Разность размеров отверстия и вала, если размер отверстия меньше, чем отверстие вала - называется зазором (рисунок 16).

шпиндель привод стан подшипник

Рисунок 16 - Схема соединения деталей

Натяг обеспечивает плотное, надежное соединение.

Принимаем посадку в системе отверстия 650

Максимальный зазор, обеспечиваемый посадкой:

 = 170 - 0 = 170 мкм

Минимальный зазор, обеспечиваемый посадкой:

= 230 - 125 = 105 мкм

7. Смазка узлов трения

Правильный выбор смазочных материалов, правильно выбранная и безотказная действующая система смазки является одним из основных условий, которые позволяют увеличивать долговечность соединений шпинделей и повысить работоспособность.

Необходимо отметить, что соединение шпинделя с бронзовыми вкладышами требует сложной обработки гнезд и пригона к поверхности вкладышей. Кроме того, при перемещении вкладышей в гнездах и лопастях во вкладышах возникают большие силы трений, которые вызывают повышенное изнашивание деталей, которые трутся. Можно применять минеральные масла, которые обладают большой вязкостью, а также консистентные масла типа ИП.

Все пары соединения шпинделя, которые трутся, смазывают от автоматической станции густого масла.

Таблица 1 - Характеристика масла «ИП - 1»