Модернизация шпинделей вертикальной клети 730 с целью повышения надежности

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Украины

Донбасский Государственный Технический Университет

Кафедра машин металлургического комплекса и прикладной механики

Отчёт

По дисциплине «Научно исследовательская работа студента»

на тему «Модернизация шпинделей вертикальной клети 730 с целью повышения надежности»

Выполнил:

ст. гр. МЗ-01-2

Чижевский М.С.

Проверил:

ст. преп. Боровик П.В.

Алчевск 2006

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Литературный обзор линии 730
• 2. Конструкция и принцип работы шпиндельного соединения
• 3. Патентный обзор
• 4. Разработка мероприятий проекта
• 5. Модернизация шпиндельного соединения линии 730
• 6. Расчет шпиндельного соединения
• 6.1 Определение геометрических размеров верхнего шарнира роликового универсального шпинделя
• 6.2 Расчет подшипников верхнего шарнира шпиндельного соединения
• Перечень ссылок

Введение

Научно-техническая революция в металлургии значительно повысила требования к надежности агрегатов и оборудования. Повышение надежности прокатного оборудования влечет за собой увеличение выпуска готовой продукции и повышение её качества. Заданием на данную работу модернизация шпинделей линии730, которая установлена на крупносортном стане 600 ОАО «АМК», с целью повышения надежности.

Работа предусматривает рассмотрение таких основных пунктов:

1. Патентный обзор.

2. Литературный обзор.

3. Расчет шпиндельного соединения клети 730.

4. Обоснование модернизации.

шпиндельный модернизация подшипник шарнир

1. Литературный обзор линии 730

Каждая клеть линии 730 (рис.1.1) состоит из станины рабочих валков с подушками и механизмами установки валков, устанавливается внутри стационарных сварных рам, закрепляемых на плитовинах (выполняемых сварными из толстых листов) болтами М115 затянутыми с подогревом.

Каждая плитовина крепится на фундаменте 8-10 анкерными болтами М100. между собой рамы соединены тремя траверсами (две снизу одна сверху), которые крепятся к рамам болтами М42 затянутыми с подогревом.

Узел станины состоит из 2-х стальных литых станин закрытого типа соединенных между собой двумя траверсами. Внутри проема станин устанавливаются рабочие валки с подушками.

Рабочие валки изготавливаются коваными из стали марки 60ХГ. Валки установлены в подушках на 4-х рядных конических подшипниках 380Ч620Ч420 № 1077776.

Осевая регулировка валков осуществляется передвижением верхних подушек с помощью устройства для осевой регулировки валков, состоящего из 2-х рычагов, выполненных в форме клешей которыми за бурты подушек рабочие валки удерживаются от осевых перемещений.

Нижние подушки фиксации в осевом направлении не имеют.

На случай поломки валка, нижние подушки удерживаются от падения в траншею специальными скобами, прикрепленными к нижней станине. В горизонтальном направлении подушки с рабочими валками перемещаются в окнах станины по стальным направляющим планкам от двух одинаковых механизмов установки валков.

Механизм установки валков включает в себя червячный редуктор с от которого вращение передается через два червячных редуктора с к нажимным винтам с упорной резьбой S250Ч24.

Для выверки вертикальности положения валков, механизм имеет муфту переключения. Валки с подушками устанавливаются в специальные траверсы, снабженные проушинами через которые траверсы соединяются с уравновешивающим механизмом. Расстояние между валками контролируется специальными датчиками, которые имеют кинематическую связь через цилиндрические редукторы с механизмом установи валков. Крайнее положение хода винтов контролируется командоаппаратами, установленными на механизме установки валков.

Подъем и опускание вертикальной клети, необходимые для сохранения постоянного уровня прокатки при переходе с одного калибра на другой, осуществляется механизмом подъемам клети.

Механизм подъема клети предназначен также для поднятия нижних шарниров шпинделя в верхнее крайнее положение, в котором они удерживаются специальными захватами на валах шпинделя, и для спускания клети на рельсы, для вывода из её габаритов рам для перевалки валков.

Механизм подъема клети состоит из 2-х червячных редукторов с передаточными числами , прикрепленных снизу к раме и двух нажимных винтов с упорной резьбой S250Ч24.

Требуемое положение клети по вертикали контролируется по шкале установленной на раме со стороны перевалки.

После установки клети механизмом подъема на требуемую высоту, производится закрепление её болтами с резьбой Tr75Ч10 установленными в рамах клети под углом 20⁰ со стороны задачи металла.

Шпиндель клети 730 (рис1.2.2) предназначен для передачи крутящего момента от редуктора к рабочим валкам и для компенсации не соосности между осями выходного вала редуктора и осями рабочих валков. Технологическая характеристика шпиндельного соединения представлена в таблице 1.1.

Верхний шарнир шпинделя клети 730 представлен на рисунке 1.2. а разрез на рисунке 1.3. Он состоит из таких основных деталей: вала шпинделя 5, вилка кулачковая 6, вилка 7 крышка 8, игольчатый подшипник 9, ось 10, шайба стопорная 11, болт специальный 13 и пробка 13.

Таблица 1.1 - Технологическая характеристика шпиндельного соединения

Термины	Обозначения
Номинальный рабочий крутящий момент, передаваемый шпинделем		196200
Максимальный крутящий момент воспринимаемый шпинделем		313920
Число оборотов шпинделя		15-100
Наибольший допускаемый угол перекоса в шарнире
Смазка подшипников скольжения		Жидкая заливная. Масло

В ходе работы этих шпинделей были выявлены следующие недостатки:

1. при применении этих шпинделей возникает сильная вибрация валков во время прокатки;

2. низкая долговечность крестовин на подшипниках качения;



Рисунок 1.1 - Установка клети 730



Рисунок 1.2 -Шарнир универсального шпинделя клети 730



Рисунок 1.3 - Разрез шпинделя клети 730

2. Конструкция и принцип работы шпиндельного соединения

Для передачи вращения и крутящего момента валкам рабочей клети, от шестеренной клети или непосредственно от главных электродвигателей применяют шпинделя двух основных типов: универсальные шарнирные и зубчатые.

В основу конструкции универсальных шпинделей положенный принцип шарнира Гука, поэтому шпинделя могут передавать вращение и крутящий момент, под углом наклона до 8-10⁰.

Благодаря шарнирной конструкции универсальные шпинделя работают плавно; вместе с тем они позволяют передавать большие крутящие моменты, поэтому их применяют для привода валков как листовых так и сортовых станов.

Длину шпинделя (по осям шарниров) определяют исходя из допустимого или принятого угла наклона его, и высоты перемещения одного из шарниров, характеризуемой высотой подъема верхнего валка при прокатке металла наибольшей толщины.

Например, при прокатке слябов на ребро на новых слябингах высота подъема верхнего валка доходит до 2000 мм, поэтому длина шпинделя при максимальному допустимом угле наклона 10° составит 12 м, а масса его будет - 40 т. Для уменьшения угла наклона верхнего шпинделя и создания более или менее одинаковых условий работы, нижний шпиндель также устанавливают под углом (меньшим, чем верхний).

Так как шпинделя передают большие крутящие моменты, то шарниры их должны быть очень крепкими. Внешний диаметр шарнира шпинделя со стороны привода ограничивается межосевым расстоянием шестеренной клети (или валов электродвигателей), а со стороны рабочей клети - диаметром валков (если верхний валок лежит на нижнем). Так как в процессе работы стана валки изнашиваются, и диаметр их уменьшается при перетачиваниях, то со стороны рабочей клети диаметр шарнира шпинделя должный быть немного меньше диаметра переточенного валка. Таким образом, диаметр шарнира шпинделя со стороны рабочей клети всегда меньшее, чем со стороны привода, поэтому прочность первого шарнира также будет меньше прочности второго. Рассчитывать на прочность надо именно шарнир, расположенный со стороны валков, а не со стороны привода.

Шарнир универсального шпинделя (рисунок 2.1) образуется лопастью 1 со стороны или валка лопастью 2 со стороны привода; головкой (вилкой) 3 шпинделя, которые имеет внутри цилиндрическую расточку; бронзовыми сегментными вкладышами 4 и сухарем 5. Так как при прокатке расстояние между валками и угол наклона шпинделя меняются, тот один шарнир должный быть "плавающим" в осевом направлении, а другой фиксированным. Из-за того, что изменение валков осуществляется чаще в горизонтальном (осевом) направлении, плавающим делают шарнир со стороны валка - в его лопасти предусматривают проточку для перемещения сухаря 5. Со стороны привода (рисунок 2.1, б) в фиксированном шарнире лопасть предусмотренный глухое (круглое или прямоугольное) отверстие для сухаря 5. Эти сухари 5 на концах снабженные цапфами для соединения с вкладышами 4. Для уменьшения износа сухаря его облицовывают бронзовыми планками и помещают в бронзовые стаканы; применяют также наплавку бронзы на боковые грани сухаря. Принцип шарнира Гука достигается благодаря возможности поворота в двух перпендикулярных плоскостях; относительно оси расточки головки шпинделя и оси сухаря. Для монтажа бронзовых вкладышей 4 в собранном виде с сухарем 5 необходимо, чтобы просвет между щеками головки шпинделя был немного больше хорды (ширины) вкладыша.



а - открытый шарнир со стороны валков; б - глухой шарнир со стороны привода; в - пересечение головки шпинделя с ребром жесткости посередине расточка.

Рисунок 2.1 - Схема установки универсальных шпинделей и конструктивные элементы шарниров

С целью повышения прочности головки шпинделя в середине ее расточки иногда уставляют ребро жесткости А (рисунок 2.1, в); в этом случае каждый бронзовый вкладыш состоит из двух половин, которые можно менять местами при их неравномерном износе; изменение вкладышей осуществляется сбоку и не требует демонтажа шарнира.

Диаметр расточки в головке обычно равняется половине диаметра головки, а толщина лопасти составляет 0,26D. Конструктивные размеры шпинделя после проверки прочности его необходимо согласовывать с ГОСТ 8059-56.

Так как шарнир шпинделя не является герметичным (поверхности трения открытые) и сам шпиндель при работе вращается, то конструктивное решение вопроса постоянного подведения смазки представляет большую трудность. На рисунке 2.2 показанный универсальный шпиндель реверсивного стана кварто конструкции ВНИИметмаш. В конструкции шпинделя предусмотрен оригинальный и очень простой способ подведения густой смазки к бронзовым вкладышам (бронза марки АЖ9-4) через осевое и радиальные отверстия от стационарного подшипника с уплотнением, которое входит в состав устройства для уравновешивания шпинделя; в подшипник мазь периодически подается питательными клапанами, включенными в цеховую систему автоматического централизованного смазывания.

Рисунок 2.2 - Универсальный шпиндель привода валков реверсивного состояния "кварто" 1700

Рисунок 2.3 - Устройство для подачи густого смазочного масла в шарниры шпинделей

На рисунке 2.3 показанное новое устройство конструкции ВНИИметмаш для автоматической подачи густой смазки в шарниры шпинделей. На каждом шпинделе закреплены по два небольших плунжерных насоса 1 с резервуарами для смазки (рассчитанными на 1-2 дм²); каждый насос обслуживает один шарнир шпинделя. На стационарных средних подшипниках устройства для уравновешивания шпинделей закрепленные профильные полукольца (сегменты) 2. При вращении шпинделя ролик на конце плунжера насоса обкатывается по преклонному профилю недвижимого сегмента и при этом за каждый оборот плунжер выдавливает порцию густого смазочного масла в маслопровод, соединенный с головкой шарнира шпинделя.

Рисунок 2.4 - Грузовое уравновешивание шпинделей слябинга 1150 конструкции НКМЗ

Как сказано выше, универсальные шпинделя характеризуются большими размерами и масса их составляет 5-40 т. Для уменьшения износа бронзовых вкладышей и расточки шарниров, а также разгрузки подшипников рабочих и шестеренных валков (или электродвигателей) применяют уравновешивание шпинделей: грузовое, гидравлическое и пружинное.

На рисунке 2.4 показан общий вид шпиндельного устройства слябинга 1150 конструкции НКМЗ с грузовым уравновешиванием верхнего шпинделя и пружинным уравновешиванием нижнего. Каждый шпиндель передает номинальный крутящий момент, 1,25 МНм, максимальный 3,5 МНм. Диаметр головки шарнира со стороны рабочих валков 1100 мм, со стороны привода 1250 мм. Так как при случайных недопустимых перегрузках возможна поломка вилки (головки), то шпинделя сделаны составными: головки насаженные на вал с прессовой посадкой. Материал вала и головок - легированная углеродистая сталь марки 40ХНМ, длина шпинделя 10,2 м, масса головок 7430 и 10560 кг, масса вала шпинделя 21 т. Вкладыши массой 235 и 280 кг изготовленные из бронзы марки АЖ9-4Л. Центральный сухарь облицован бронзовыми планками.

Шарнир универсального устройства (рисунок 2.5) шпинделя получается лопастью 1 со стороны вала или лопастью 2 головки шпинделя со стороны привода, головкой 3 шпинделя, имеет внутри цилиндра расточку; бронзовыми сегментными вкладышами 4 и сухарями 5. При прокатке расстояние между валами и угол наклона меняются, то один шарнир должен быть "плавающим" в осевом направлении, а другой фиксированным. Учитывая то, что смена валов на клети "Дуо" осуществляется в осевом положении, плавающим сделанный шарнир со стороны вала - в лопасти его предусмотрена проточка для перемещения сухаря (рисунок 2.5, а). Со стороны привода в фиксированном шарнире лопасти головки шпинделя предусмотрено глухое круглое отверстие для сухаря (рисунок 2.5, б.).

Сухарь со стороны рабочей клети свободно оборачивается вокруг своей оси.

Шпинделя, установленные на клети "Дуо" испытывают очень большие нагрузки при работе, поскольку клеть "Дуо" реверсивная. В результате этого появляется большое множество отказов в работе шпиндельных устройств.

Например, износ вкладышей, износ сухарей, износ вилки головки шпинделя. В результате реверсивной работы у шпинделей в основном появляются большие зазоры между лопастью и сухарем, зазоры в головках шпинделей от 15 до 35 мм.

К аварийным отказам в работе шпинделей относится излом вала шпинделя по шейке.

а) - со стороны рабочей клети; б) - со стороны привода

Рисунок 2.5 - Шарнир шпиндельного соединения клети "Дуо"

3. Патентный обзор

Известно авторское свидетельство[6], целью которого является повышение долговечности шарнира. Это достигается путем изменения конструкции, содержащей, внутреннюю и наружную обойму 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 сферическим поверхностям. Передача крутящего момента от наружной обоймы 2 к внутренней обойме 1 осуществляется по средствам тел качения 3, установленных в полуцилиндрических пазах обоймы (рисунок 3.1). Тела качения фиксируются внутри шарнира посредствам сепаратора. Сепаратор состоит из двух дисков 4, имеющих внутреннюю и внешнюю сферические поверхности, взаимодействующие с соответствующими поверхностями обойм 1 и 2. тела качения выполнены в виде бочкообразных роликов. Фиксирование роликов в биссекторной плоскости шарнира осуществляется сепаратором с зазором, определяемым по аналитической зависимости. Это позволяет осуществлять передачу крутящего момента всеми телами качения при значительных углах прекоса осей шпинделя, увеличить срок службы шарнира и его стойкость.



Рисунок 3.1- Универсальный шпиндель с бочкообразными роликами

Известно авторское свидетельство[7]. Целью, которого является повышение долговечности шарнира. Это достигается повышением надежности за счет уменьшения цикличности передачи вращения прокатному валку шарнирные головки выполнены с соотношением чисел зубьев образуемых парой взаимно простых чисел для разных головок (рис.3.2.).

Рисунок 3.2- Универсальный шпиндель с разным числом тел качения в различных головок.

Известно авторское свидетельство[8]. Целью, которого является повышение долговечности шарнира. Это достигается тем, что, с целью повышения долговечности и надежности рабочие поверхности выступов и пазов выполнены цилиндрическими, при этом ширина впадины по окружности центров тел качения больше ширины выступа на 2,02-2,2 максимального диаметра тел качения а выступы входят во впадины на высоту от 0,8 до 1,5 максимального диаметра тела качения и, кроме того, углы, образованные плоскостями разъемов рабочих зазоров по обе стороны выступа с радиальными плоскостями, имеют противоположные знаки (рис3.3).

Рисунок 3.3 - Шпиндель с цилиндрическими пазами

Известно авторское свидетельство[9]. Целью, которого является повышение долговечности шарнира. Это достигается за счет снижения интенсивности износа элементов шарнира при ударных нагрузках, шарнир снабжен упором жестко установленным на валу шпинделя, и нажимной вилкой установленной на валу шпинделя с возможностью вращения, подпружиненной относительно упора в тангенциальном направлении и связанной обоймой через промежуточные проставки со сферическими торцами, при этом оси проставок расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси шарнира (рис3.4).

Рисунок 3.4 - Универсальный шпиндель с упором

Известно авторское свидетельство[10]. Целью, которого является повышение долговечности шарнира. Это достигается тем, что, с целью повышения несущее способности шарнира, упругий элемент выполнен в виде размещенного в обойме упруго изогнутого кольцевого сепаратора, центрируемого на телах качения (рис3.5).

Рисунок 3..5 - Универсальный шариковый шарнир

4. Разработка мероприятий проекта

От работы шпиндельного соединения зависит качество и своевременная прокатка профиля тем более когда оно установлено на клети, которая входит в непрерывную группу клетей. Если в непрерывной группе клетей хоть одна клеть остановится (в случае аварии) это повлечет за собой остановку всей непрерывной группы и даже всего стана. Поэтому в данной клети шпиндельное соединение должно работать как можно более надежно.

Анализ отказов шпиндельного соединения линии 730

Рассмотренные выше отказы в работе шпиндельных соединений происходят, в основном, через неудовлетворительную подачу смазки и низкого контроля над оборудованием со стороны ремонтного и технологического персонала.

Поскольку шарнир является не герметичным и сам шпиндель при работе вращается, то конструктивное решение вопроса беспрерывного подведения смазочного масла представляет большие трудности. Основными рабочими деталями шарнирного соединения шпинделей клети являются вкладыши скольжения. Они выполняются из высокопрочной прокатной бронзы марки АЖ 9-4. Именно на вкладыше приходится основная нагрузка при работе шпинделей, а также на вилку головки шпинделя.

Необходимо отметить, что соединение шпинделей с бронзовыми вкладышами требуют сложной обработки гнезд в головке шпинделя и пригона вкладышей к ее поверхностям. Кроме того, при перемещении вкладышей в гнездах и лопастей во вкладышах возникают большие силы трения, которые вызывают повышенный износ поверхностей касательных деталей. Чтобы продолжить срок службы вкладышей, на стане 600, прорезают канавки (рисунок 4.1).



Рисунок 4.1 - Вкладыши шпиндельных соединений

С точки зрения долговечности работы шпинделя все вкладыши скольжения обладают общим недостатком: в процессе работы в них наблюдаются зазоры. При реверсивном движении даже небольшие зазоры вызывают большие ударные погрузки.

Самой износовой деталью является вкладыши со стороны рабочей клети. Они находятся в более тяжелых условиях, чем вкладыши со стороны шестеренной клети, поскольку на них попадает окалина, вода и т.д., то есть они не защищены никакими кожухами, тогда как вкладыши со стороны шестеренной клети накрыты колпаком вместе с клетью. Также эти вкладыши постоянно смазываются жидкой циркуляционной смазкой от шестеренной клети. Замену вкладышей проводят один раз в две недели

На ОАО «АМК» на линии 730 установлены шпинделя на игольчатых подшипниках качения, у которых есть ряд недостатков, но самым главным из них является низкая надежность крестовин с подшипниками качения. Рассмотрим недостатки шпинделей применяемых на стане 600.

Тип №1

Шарниры этих шпинделей в трения образуется двумя бронзовыми Бр АМи9-2Л и стальными лопастями поверхностей. По торцам, к кожухам крепятся торцевые крышки, предохраняющие масло от вытекания из полости шарнира. В шарнирах установлены тарельчатые пружины для смягчения ударов, возникающих от наличия радиальных зазоров в шарнире, во время работы шпинделя.

Большие контактные давления и скорость скольжения вкладышей на лопастях муфт ограничивают долговечность шарнира шпинделя клети 17Г стана 600 до восстановительного ремонта от 2-х недель до 2-х месяцев. Это крайне низкая долговечность, что явилось основной причиной замены этих шпинделей другим типом.

Тип №2

Карданный шарнир со сквозными отверстиями, а вилках для размещения в этих отверстиях цапф крестовин с подшипниками качения и герметизации крышками этих отверстий вследствие высоких деформаций нагруженных элементов вилок создают крайне неблагоприятные условия для восприятия нагрузок подшипниковыми узлами, до 9 месяцев до утилизации.

Для дозаправки смазкой полостей шарнира полувилок выполнено отверстие и установлена пробка.

Предлагаю заменить шпиндель на подшипниках качения на шпиндель фирмы «Нексус». Срок службы таких шпинделей достигает 5 лет, без капитальных ремонтов.

5. Модернизация шпиндельного соединения линии 730

За основу предлагаемого шпинделя для клетей 730 стана 600 принята конструкция ранее сконструированного, изготовленного и установленного шпинделя на клеть 580 №17. При разработке шпинделя учтён опыт, полученный при изготовлении и эксплуатации шпинделя клети 17Г, замечания и предложения специалистов АМК и персонала сортопрокатного цеха.

Предлагаемый шпиндель для горизонтальных клетей 730 обеспечивает простоту и надежность в эксплуатации. Он более технологичный при изготовлении и ремонте и отличается повышенными запасами по нагрузочной способности для обеспечения длительных межремонтных сроков службы даже при наличии значительных перегрузок, что имеет место на стане 600 с переходом на прокатку профилей, не предусмотренных проектом стана.

Вместо шлицевого соединения хвостовика шпинделя с муфтой шестеренной клети разработано роликовое, что увеличит срок службы элементов зацепления и сопрягаемых деталей.

Применение предлагаемого шпинделя позволит сократить эксплуатационные затраты, повысить срок службы валков, снизить энергопотребление за счёт повышения КПД по сравнению с используемым в настоящее время типом шарниров, а также исключить время на перевалки шпиндельного стула из технологических простоев стана.

Состав оборудования

Для установки в главную линию горизонтальной клети 730 стана „600" СПЦ АМК предлагается следующее оборудование:

шпиндели 2 шт.

роликовая втулка 2 шт.

Ввиду малых зазоров в элементах карданного шпинделя и динамической устойчивости предлагаемого шпинделя (рабочая скорость вращения значительно ниже критической угловой скорости), этот тип шпинделей не требует применения уравновешивающих устройств и может быть использован без динамической балансировки.

Необходимые операции при обслуживании и ремонтах, связанных с заменой изнашиваемых деталей:

Прокачивание смазки. Периодичность: 1 раз в 6 месяцев.

Отсоединение валковой муфты от шпинделя, замена планок и центрирующих колец. Периодичность: по износу.

Необходимые операции при ремонте шарниров и роликового зацепления: Разборка шарнира, ревизия подшипников и их переориентация или замена при необходимости, замена смазки и уплотнений. Выполняется при необходимости, но не чаще чем 1 раз в 4 года. Замена роликов, наплавка и обработка хвостовика и роликовой втулки. Выполняется при необходимости, но не чаще чем 1 раз в 4 года

Устройство и работа составных частей шпинделя фирмы «Нексус»

Шпиндельное соединение состоит из двух шпинделей (верхнего и нижнего), шпиндельного стула и устройства поддержки траверс (подушек шпиндельного соединения).

Габаритные размеры (наружный диаметр и длина) шпинделей, устанавливаемых в линии привода валков клети стана 600, большая разница в диаметрах применяемых рабочих валков при межцентровом расстоянии шестеренных валков 600 мм и небольшом расстоянии, также необходимости перемещения рабочей клети вдоль линии привода на 800 мм для стабилизации линии прокатки в непрерывной группе клетей стана характеризуют крайне ограниченное пространство для установки шпинделей. Широкий профильный и марочный сортамент стана требует применения шпинделей с шарнирами, способными передать крутящий момент до 140 кНм при несоосности валов до 13,37°.

Во внутренней части с внешнего торца полувилок левых выполнены две осевые расточки, одна из которых эксцентрична по отношению к другой.

Во внутренней полости выполнена осевая цилиндрическая расточка с двумя прямоугольными пазами и четырьмя отверстиями. В их пазах расположены планки и закрепленные болтами с зашплинтованными гайками.

Торцевая часть хвостовика левого, взаимодействующего с полувилками, выполнена с двумя цилиндрическими поверхностями, одна из которых эксцентрична по отношению к другой. Осевое отверстие этого участка хвостовика выполнено ступенчатым для размещения гайки с упорной резьбой и втулки центрирования хвостовика рабочего валка. Повышение надежности узла крепления полувилок обеспечивается посадкой «нагорячо» хомута на их наружные поверхности.

Принцип построения шарнира шпинделя шестеренной клети

Карданный шарнир со стороны прокатного валка посажен на цилиндрический (центрирующий) и эксцентрический выступы в торце хвостовика левого, а в этом шарнире цилиндрический (центрирующий) и эксцентрический выступы выполнены на торцах полувилок и заходят в ответные расточки в теле хвостовика правого.

Осевое крепление полувилок обеспечивается болтом стяжным, пропущенным через сквозное осевое отверстие в хвостовике правом и зафиксированном с предварительным напряжением 1500 Н.м гайкой М42хЗ, навинченной на клее LOCTITE 262 и зафиксированной стопорной шайбой от самоотвинчивания.

Крутящий момент полувилкам карданного шарнира передается от хвостовика правого через центрирующие и эксцентричные выступы по вилок находящихся внутри хвостовика правого. Полувилки взаимодействуют с цапфами крестовины через двухрядные сферические подшипники, воспринимающие радиальную нагрузку и упорные цилиндрические роликоподшипники, воспринимающие осевую нагрузку при действии реактивных сил, характерных карданному шарниру.

Надежность соединения полувилок в этом узле обеспечивается двумя прецизионными болтами М42хЗ, хомутом посаженным «нагорячо» и охватывающим полувилки по их наружным цилиндрическим поверхностям, а также хвостовиком правым, во внутренних расточках которого размещены выступы (центрирующий и эксцентричный) полувилок. Цапфы крестовины, расположенные во взаимно-перпендикулярной плоскости с цапфами вышеупомянутого шарнира.

Собственно карданный шарнир со стороны прокатного валка аналогичен шарниру со стороны шестеренной клети. Отличие заключается лишь в конструкции крепления (соединения) полувилок с хвостовиком левым. Здесь крутящий момент от полувилок левых передается хвостовику левому через ступенчатые выступы (центрирующий и эксцентрический) хвостовика левого, расположенные в ответных осевых расточках полувилок. Надежность этого узла обеспечивается двумя прецизионными болтами. В осевом направлении хвостовик левый плотно прижат к полувилкам мощным болтом стяжным с упорной резьбой, гайка которого навинчена на клее LOCTITE 262 и заштифтована тремя болтами M10.

Сборка основных узлов шпинделя

Шпиндель состоит из трех сборочных узлов:

Шарнир шпинделя со стороны прокатного валка (см. рис. 5.1);

Шарнир шпинделя со стороны шестеренной клети {см. рис. 5.2);

Сборку производят в следующей последовательности:

Охлаждают в азоте в течении 30 мин. цапфы крестовины. В отверстия корпуса крестовины запрессовывают с помощью медной полукувалды охлажденные цапфы крестовины. На цапфы крестовины одевают до упора кольца (фторопластовые). В торцевые отверстия на смазке технологической, применяемой в подшипниковых узлах шарнира, вставляют пружины. Укладывают полувилки левые на специальную деревянную подставку расточками отверстий вверх. Наносят слой не более 0,5 мм смазки технологической на все внутренние поверхности гнезда расточки каждой полувилки левой. Охлажденный в азоте подшипник двухрядный сферический опускают в гнездо полувилки, допрессовывая его до упора через медную плиту. В проточку кольцевую шип-выступа одевают кольцо стопорное, фиксируя этим упорный подшипник. В гнездо полувилки вставляют кольцо (фторопластовое) до упора. Уносят УСП с полувилками под сверлильный станок. Через отверстия в гайке под спец. ключ сверлят и нарезают М10 в теле хвостовика левого. Ввинчивают рым-болты в торце хомута, после чего нагревают в электропечи до температуры 180 - 220 ⁰С. Запрессовывают предварительно охлажденную внутреннюю расточку хвостовика левого.

Рисунок. 5.1 - Монтаж-демонтаж шарнира шпинделя со стороны прокатного валка.

Приступают к сборке шарнира со стороны шестеренной клети.

Собирают крестовину и полувилки. Ввинчивают два рым-болта в хомут, нагревают его в электропечи до температуры 180 - 220 °С. Зачаливают хомут и одевают его на наружную цилиндрическую поверхность полувилок. Заводят в паз полувилок внутренних по их боковым коническим поверхностям полукольца таким образом, чтобы разъемы полувилок. Закрепляют полукольца болтами М24х120 с шайбами и гайками. Дозаправляют шарниры технологической смазкой, плотно завинчивают пробки. Перемещая электромостовым краном зачаленный хвостовик правый вертикально замеряют угол перекоса между полувилками внутренними и хомутом. Он должен быть равен 14⁰. Таким же образом проверяют второй шарнир. Шпиндель собран.

Рисунок.5.2 - Монтаж-демонтаж шарнира шпинделя со стираны шестеренной клети.

Боковые участки полувилок имеют сплошные криволинейные поверхности, обеспечивающие гарантированный зазор с парой полувилок промежуточного соединения при не соосности осей. Форма этих поверхностей выполняет две функции: обеспечивает беспрепятственный взаимный поворот пар полувилок на требуемый угол перекоса шарнира и создаёт необходимую деформационную жесткость для обеспечения равномерного внешнего распределения нагрузки на стандартный подшипник. Карданные полушарниры монтируются с промежуточным соединением через крестовину. В центральной части наружной расточки полувилок выполнен уступ, на который установлен упорный подшипник. Одно из колец подшипника внутренним диаметром установлено на крестовине. Подшипник зажат гайкой, установленной на хвостовик крестовины. Каждая пара полувилок соединяется между собой прецизионными болтами и направляющими, предотвращающими относительное смещение полувилок по линии их разъёма. Для передачи крутящего момента на торцевых поверхностях полувилок выполнены мелкомодульные торцевые шлицы, взаимодействующие со шлицевой нарезкой хвостовика. Фиксация шлицевого соединения осуществляется болтами и шпильками. Шпиндель обладает хорошей ремонтопригодностью и взаимозаменяемостью ремонтными узлами, так как он состоит из двух одинаковых полушарниров, которые в свою очередь состоят из одинаковых полувилок. Шарниры соединены с хвостовиком и валковой муфтой торцевыми шлицами и зафиксированы шпильками. Такая конструкция позволяет применять рабочие валки с хвостовой частью любой конструкции, так как в шпинделе при этом достаточно заменить только валковую муфту без демонтажа шпинделя. Роликовая втулка запрессовывается на хвостовик валка шестеренной клети. Она состоит из втулки с роликовой обоймой с одним глухим концом на 10 роликов. Фиксатор не позволяет роликам перемещаться в продольном направлении, а перемещение фиксатора ограничивает пружинное кольцо.



6. Расчет шпиндельного соединения

6.1 Определение геометрических размеров верхнего шарнира роликового универсального шпинделя

Принимаем, что ролики изготовлены из стали ШХ15СГ по ГОСТ 801-78, а пазы обоймы и головки изготовлены из стали 40Х по ГОСТ 4543-71.

Расчетная схема представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схема к расчету геометрических параметров шпинделя

Определим диаметр по впадинам пазов головки по формуле:

м,

где Нм (см таблицу 1.1)

МПа - допускаемое напряжение при кручении для материала головки -- стали 40Х (HB 400-500).

Исходя из конструктивных соображений принимаем м.

Определим плечо пары сил по формуле:

м,

где м - диаметр ролика (принимаем конструктивно).

Рассчитаем силу, действующую на ролик, по рисунку 6.1.2 кривая 2, отвечающая твердости пазов HB500)

МН,

Рисунок 6.1.2 - График зависимости от диметра ролика

Определим момент, передаваемый шарниром шпинделя по формуле:

МНм,

По условию прочности . Условие прочности выполняется .

Вычислим диаметр окружности центров по формуле:

м,

Определим центрирующий диаметр по формуле:

м,

Принимаем м.

Засчитаем размер зуба по формуле:

м,

где м - радиус окружности центров;

м - радиус ролика.

Принимаем м

Определим максимальную высоту зуба в опасном сечении по формуле:

 м,

где МПа - допускаемое напряжение на изгиб.

Определим шаг зубчатой втулки по формуле:

м,

Вычислим количество роликов согласно формуле:

,

Принимаем число роликов .

Определим диаметр по впадинам пазов головки по формуле:

м,

Рассчитаем наружный диаметр шарнира шпинделя (обоймы) по формуле:

м,

Проверим условия перекоса шарнира. Из технической характеристики шпинделя вертикальной клети необходимый максимальный угол перекоса шпинделя равен , тогда определим необходимый радиальный зазор по формуле:

мм,

Определим диаметр вала шпинделя. Вал шпинделя испытывает напряжения кручения. Определим диаметр вала по формуле:

м,

где МПа - допускаемое напряжение на кручение материала вала, принимаем материал вала такой же, как и материал обоймы -- сталь 40Х.

6.2 Расчет подшипников верхнего шарнира шпиндельного соединения

Верхний шарнир шпиндельного соединения и вал шпиндельного соединения передают свою нагрузку на подшипники выходного вала редуктора.

Получается, что на подшипники выходного вала редуктора действует сила, возникающая от суммы масс вала редуктора с колесом и верхнего шарнира с валом.

Определим массу верхнего шарнира шпинделя и вала шпиндельного соединения. Будем рассматривать головку, обойму и тела качения, так как будто между ними нет никаких полостей, такое предположение упростит расчет и даже увеличит срок службы подшипника т.к. увеличится расчетная нагрузка на подшипник. Определим массу верхнего шарнира шпинделя по формуле:

 кг,

где кг/м³ - средняя плотность стали;

м³ - объем обоймы.

Подсчитаем объем обоймы по формуле:

м³,

где м - наружный диаметр обоймы;

м - длина обоймы.

Найдем массу вала шпинделя предполагая, что это цельный цилиндр, по формуле:

кг,

где м³ - объем вала.

Подсчитаем объем вала по формуле:

м³,

где м - длина вала шпинделя

Из технической документации берем следующие данные для расчета подшипников: масса выходного вала редуктора с зубчатым колесом кг; максимальное радиальное усилие действующее на подшипник выходного вала кН. Также на известно что на выходном валу редуктора установлен двухрядный конический роликоподшипник № 1097776, с параметрами: мм - внутренний диаметр подшипника, мм - наружный диаметр подшипника, Н - динамическая грузоподъемность подшипника №1097776.

Определим осевую нагрузку на подшипник по формуле:

Н,

Определим эквивалентную динамическую нагрузку на подшипник по формуле:

Н,

где - коэффициент вращения относительно вектора нагрузки внутреннего кольца подшипника;

и - коэффициенты радиальной и осевой нагрузки;

- соотношение осевой и радиальной нагрузки.

По таблице для подшипника № 1097776 выбираем коэффициент соотношения радиальной и осевой нагрузки на подшипник .

При по (5 табл. 17) выбираем: - коэффициент радиальной нагрузки; - коэффициент осевой нагрузки;

- коэффициент безопасности (5 табл. 15)

- коэффициент, учитывающий влияние температурного режима.

Расчетную долговечность определяем по формуле:

млн. об.

где - степенной показатель для роликоподшипника.

Расчетная долговечность в часах:

ч,

где об/мин,

с^-1.

Расчет удовлетворяет условию, принимаем подшипник № 1097776.

Перечень ссылок

1. Методические указания к расчету универсальных шпинделей для выполнения дипломного, курсового проектов и НИРС (для студентов специальности 1703) /Сост. В.А. Шпаков. - Коммунарск: КГМИ, 1989. - 16с.

2. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т. 3. Машины и Агрегаты для производства и отделки проката. Учебник для вузов/Целиков А.И., Полухин П.И., Гребенник В.М., и др. 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Металлургия, 1988. 680 с.

3. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов: Учебник для вузов -- 4-е изд., перераб. и доп. -- М.: Металлургия, 1987. 480 с.

4. Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов: Учебное пособие для вузов -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Металлургия, 1985. 376 с.

5. Авторское свидетельство №1577898. Универсальный шарнир. Бердес В.В. Кривенченко В.В. Тимощенко Е.Л. Заявлено 09.12.75(21) 2198589/29-03. Опубликовано 05.05.78.Бюллетень №17

6. Авторское свидетельство №836852. Шарнир универсальный. Бердус В.В. Карпеев В.А. Заявлено 29.07.77(21) 2512020/29-03. Опубликовано 30.05.79.Бюллетень №20

7. Авторское свидетельство №1328019. Универсальный шарнир шпинделя. Гру Г.Л. Карпенко В.А. Мочалов В.И. Рабинович Э.Д. Заявлено 21.02.80(21) 2885239/29-03. Опубликовано 30.08.83.Бюллетень №32

8. Авторское свидетельство №1424894. Универсальный шарнир. Трубицын В.Г. Заявлено 10.05.83(21) 3614171/29-03. Опубликовано 07.03.85.Бюллетень №9

Размещено на Allbest.ru

...