Размещено на http://www.allbest.ru/

Шпиндельные соединения металлургических машин

Введение

Прокатка - это процесс пластической деформации металла, зачастую характеризующийся высокими силами деформации и значительными усилиями на все элементы оборудования, которое должно иметь высокую прочность и надежность для обеспечения стабильного процесса работы. Основное прокатное оборудование состоит из электродвигателя, редуктора, муфты, шестеренной клети, механизма передачи вращения - шпинделя, рабочей клети. Особое внимание в этой статье мы уделим шпиндельному соединению прокатного стана, относящемуся к числу важнейших узлов трансмиссий металлургических машин.

Шпиндельные соединения предназначены для передачи крутящего момента от одного вала к другому при взаимном перекосе их осей до 22°. Причем угол перекоса осей может меняться вследствие изменения раствора валков, например, при продольной прокатке, или вследствие изменения угла подачи при винтовой прокатке. [2] Шпиндельные соединения с шарнирами различных типов применяются для передачи вращения прокатным валкам от двигателя или через зубчатую передачу, от валков одной клети к валкам другой при последовательном приводе, для привода тянущих роликов машин непрерывного литья заготовок и роликов рольгангов, валков правильных машин, режущего инструмента ножниц продольной и поперечной резки. Целью данной работы является изучение различных видов шпиндельных соединений с целью последующего выбора самого оптимального из них для определенных требований прокатки. Шарнирные шпиндельные соединения

В настоящее время в металлургическом машиностроении применяются главным образом универсальные шпиндели с вкладышами скольжения, универсальные шпиндели с шарнирами на подшипниках качения и зубчатые шпиндели. [6] Ограниченно применяют шпиндели с шариковыми и роликовыми шарнирами, а также устаревшие по своей конструкции трефовые шпиндели.

Нагрузочная и компенсирующая способности шарнира определяются типом шарнира и его конструктивным исполнением. Из известных разновидностей шпиндельных соединений в приводах металлургических машин наибольшее применение получили шпиндельные соединения с шарнирами на вкладышах скольжения по ГОСТ 8059-83. Эти шарниры отличаются компактностью и высокой несущей способностью, но нормально работают лишь при незначительных углах перекоса и невысоких частотах вращения. Причем уменьшение углов перекоса сопряжено с удлинением шпинделей, а, следовательно, с увеличением габаритов и массы оборудования. Для шпиндельных соединений допускаются большие значения углов перекоса и частоты вращения, а стойкость подшипников качения на один-два порядка больше стойкости бронзовых вкладышей. Однако при одинаковых габаритах нагрузочная способность шарнира с подшипниками качения существенно ниже, чем шарнира с вкладышами скольжения, например, при игольчатых подшипниках - ниже почти в 2 раза. [7] Это объясняется главным образом низкой грузоподъемностью подшипников качения и крестовины.

Универсальные шпиндели с вкладышами скольжения

Универсальные шпиндели (рабочий угол перекоса шарнира до 3°) получили наиболее широкое распространение благодаря простой конструкции, высокой нагрузочной и компенсирующей способностям в широком диапазоне скоростей вращения.

Важнейшими критериями оценки работоспособности элементов универсальных шпинделей являются запасы прочности по максимальным и эквивалентным нагрузкам. Максимальные нагрузки - суммарные нагрузки, включающие статические и динамические составляющие, которые могут возникнуть в элементах универсальных шпинделей в результате нарушения технологических режимов, а также нагрузки, формирующиеся в результате неблагоприятного сочетания факторов, определяющих характер переходных процессов в элементах линии привода. Расчет отдельных элементов универсальных шпинделей по максимальным нагрузкам основан на методах А.И. Целикова, И.М. Мееровича, Л.В. Коновалова и методе конечных элементов. Разработка методов расчета элементов шарнира шпинделя на усталостную прочность является важной задачей. Ее решение дает возможность обоснованно проектировать главную линию привода стана. Из опыта эксплуатации известно, что преобладающим видом отказов шпинделей являются усталостные поломки вилок и лопастей, поэтому в настоящее время широкое применение получили методы расчета на усталостную прочность.

Для расчета усталостной прочности требуется предварительно установить спектр нагрузок.

С этой целью разработаны эмпирические и расчетные методы их систематизации.

Универсальные шпиндели с шарнирами на подшипниках качения

Шпиндели с подшипниками качения применяются для привода тянущих роликов машин непрерывного литья заготовок, вертикальных валков эджерных клетей непрервыно-заготовочных станов, валков клетей кварто холодной прокатки, валков сортопрокатных и трубопрокатных станов, правильных машин, сепараторов планетарных станов и так далее.

Все многообразие шарниров на подшипниках качения может быть сведено к двум группам: 1) с обычной крестовиной, 2) с кольцевой крестовиной, называемой также обоймой. Для универсального шарнира конструкции ВНИИМЕТМАШа допустимый угол перекоса шарнирных муфт всего ряда шпинделей составляет под нагрузкой до 13°, без нагрузки - до 15°. Углы перекоса менее 2° нежелательны, так как в этом случае при режиме качательного движения быстрее изнашиваются кольца подшипников. Конструкция шарнира «Уралмаш» допускает перекос осей полумуфт до 8°. Применение шпинделей с шарнирами на подшипниках качения, работающих удовлетворительно при углах перекоса до 12°, позволяет значительно улучшить конструктивную и эксплуатационную характеристику шестеренных клетей за счет увеличения их межцентровых расстояний. При этом не только улучшаются условия работы зубчатого зацепления, но и появляются условия усиления подшипниковых узлов и перемычки между расточками под подшипники. [1] Таким образом, использование способности шпинделей передавать движение при больших углах перекоса шарниров дает возможность значительно поднять нагрузочную способность и долговечность шестеренных клетей.

При больших значениях частот вращения и углов перекоса 15…20°, н опри относительно небольших значениях моментов в приводах металлургических машин находят применение автомобильные и тепловозные карданные валы. Различают карданные валы с осевым перемещением в шлицевом соединении между шарнирами и без осевого перемещения. [2] При проектировании шпинделей с подшипниками качения применяют также два вида расчетов: 1) на статическую прочность, 2) на усталостную прочность. Наиболее слабым звеном шарниров с обычной крестовиной является крестовина. Напряжения в ней рассчитывают по элементарным формулам для консольного бруса. Для колец большой кривизны напряжения рассчитывают по формулам для кривого бруса, но чаще кольцевые крестовины рассчитывают как брусья малой кривизны.

Универсальные шпиндели на подшипниках качения обеспечивают увеличение производительности прокатных станов. Это достигается благодаря следующим характеристикам:

· значительные (до 18°) углы перекоса в шарнирных головках;

· быстрое соединение с рабочей клетью;

· удобство сборки и разборки, простота ремонта, монтажа и демонтажа;

· высокая нагрузочная способность и долговечность при минимальных габаритах;

Зубчатые шпиндели

В приводах металлургических машин применяются специальные зубчатые шпиндели, представляющие собой модификации зубчатых муфт с промежуточным валом и отличающиеся тем, что передача ими крутящего момента происходит при более высоких углах перекоса (до 2°), чем у муфт (до 0,5°). Большое число одновременно работающих зубьев эвольвентного профиля обеспечивают компактность и высокую нагрузочную способность. Основными элементами зубчатого шпинделя являются две обоймы с внутренними зубьями, находящиеся в зацеплении соответственно с двумя зубчатыми втулками с наружными зубьями. Центрирование обоймы относительно втулки обычно выполняют по наружному диаметру. Во избежание защемления зубьев вершины их на втулках обрабатывают по сфере из центра на оси втулки. Зубчатые шпиндели применяют в различных исполнениях: со сплошным валом и насадными втулками, со сплошным валом и насадными обоймами, с полым валом. [3]

При вращении валов, установленных с перекосом, происходит циклическое смещение (продольное и радиальное) зубьев втулок относительно обойм. Это смещение (скольжение) вызывает изнашивание зубьев. Повышенный износ зубьев ведет к росту зазоров, а, следовательно, и к росту динамических нагрузок, что, в свою очередь, способствует интенсификации износа и, как результат, - ведет к отказам соединений из-за поломки зубьев.

Зубчатые шпиндели при малых углах перекоса (до 1°) имеют преимущества перед карданными по нагрузочной способности. [5] С увеличением угла перекоса нагрузочная способность зубчатых шпинделей резко снижается из-за интенсификации процесса изнашивания боковых поверхностей зубьев при проскальзывании, приводящей к ослаблению сечения зуба, росту зазоров и увеличению динамических нагрузок.

Зубчатые шпиндели характеризуются высокой долговечностью, благодаря следующим параметрам:

· расположению зубчатого зацепления обоймы и втулки в зоне лопасти прокатного валка;

· применению сферических центрирующих шарниров, исключающих передачу радиальной

нагрузки на зубья зацепления;

· применению новой конструкции уплотнения зубчатого шарнира шпинделя, исключающего попадания воды и окалины в шарнир и обеспечивающего присутствие смазки в шарнире шпинделя.

Шариковые и роликовые шпиндели

Стремление увеличить компенсирующую способность зубчатых шпинделей привело к созданию шариковых и роликовых шпинделей, в которых контакт зубчатых обойм и втулок осуществляется через тела качения - шарики и ролики. Количество роликов (шариков) определяется по шагу зубчатой втулки из условий прочности зуба на изгиб. Для конструкций этих соединений слабым звеном является вал, и по нему определяют несущую способность соединения. Промышленные испытания показали, что роликовые шпиндели допускают увеличение угла перекоса от 0,5° до 3° при несколько более высокой долговечности, чем зубчатые шпиндели с эвольвентным профилем зуба. Испытания по оценке работоспособности роликовых шпинделей показали, что в передаче крутящего момента участвуют не все ролики, износ поверхностей контакта не равномерный.

Для привода валков клетей непрерывных мелкосортных и проволочных станов, работающих при больших скоростях (до 2000 об/мин), нашли применение шариковые шпиндели. При эксплуатации эти шпиндели показали долговечность в несколько раз выше, чем шпиндели с вкладышами скольжения и с шарнирами на подшипниках качения. Однако промышленный опыт по использованию шариковых шпинделей тоже ограничен. [4]

Конструкция роликовых шпинделей прокатных станов обладает рядом новшеств, обеспечивающих более высокую нагрузочную способность и долговечность в сравнении со шпинделями зубчатыми и шпинделями на вкладышах скольжения. Это достигается благодаря следующим особенностям:

· применению силопередающих элементов роликового шпинделя, выполненных в форме бочкообразных роликов, установленных между втулкой и обоймой шарнира шпинделя в их полуцилиндрических пазах;

· равномерному распределению нагрузок на ролики независимо от угла перекоса обоймы относительно втулки;

· расположению центров шарниров роликового шпинделя (центрального сечения роликового пояса) в зоне лопастей прокатного и шестеренного валков;

· исключению образования ложного шарнира в соединении лопастей прокатного валка с втулкой и другим положительным фактором, создаваемым ноу-хау;

· снабжению шарниров герметичными центрирующими устройствами, обеспечивающими надежное удержание смазки.

Трефовые шпиндели

Трефовые шпиндели (угол перекоса шарнира до 0,5°) применяются главным образом в сортовых станах. Они относятся к числу отживающих соединений из-за ряда недостатков: малая компенсирующая способность, низкая нагрузочная способность, большая интенсивность изнашивания и как следствие - динамические нагрузки. [7] Трефовое соединение состоит из трефовых профилей на хвостовиках рабочего валка, самого шпинделя и обоймы, соединяющей хвостовики валка и шпинделя. Нагрузочная способность этих шпинделей ниже, чем других соединений из-за концентрации напряжений в трефах при кручении. К преимуществам этих шпинделей относится легкость разборки соединений при перевалке валков.

Заключение

В зависимости от требований к продукту применяются разные виды шпинделей. При этом каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки.

Список литературы

шпиндельный оборудование прокатный стан

1. Целиков А.И., Зюзин В.И. Современное развитие прокатных станов. М.: Металлургия, 1972.

2. Целиков А.И., Смирнов В.В. Прокатные станы. 2-е изд. М.: Металлургиздат, 1958.

3. Королев А.А. Прокатные станы и оборудование прокатных цехов. Атлас. 2-е изд. М.: Металлургия, 1981.

4. Комаров А.Н. Шпиндели и муфты с шарнирами на телах качения для тяжелых машин (прокатных станов). Днепропетровск: Системные технологии, 1998.

5. Коваль Г.И. Современное оборудование прокатных цехов. Часть 1: Главные линии рабочих клетей прокатных станов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008.

6. Мальцев А.А. Основное оборудование прокатных станов. 2010 г.

7. Яковлев Р.А. Шпиндельные соединения металлургических машин. Москва. Издательство МГТУ. 1994.

Размещено на Allbest.ru