В приводе прокатных клетей используется три вида шпинделей: трефовые, зубчатые и универсальные. Универсальные шпиндели подразделяются: на подшипниках скольжения, на подшипниках качения и шаровые.

Трефовые шпиндели не получили большого распространения в прокатном производстве. Наибольшее распространение получили универсальные шпиндели, особенно с шарниром трения скольжения.

1.1 Универсальный шпиндель на подшипниках скольжения

Универсальный шпиндель на подшипниках скольжения отличается высокой прочностью шарнирных элементов и компактностью.

Шарнир трения скольжения с бронзовыми вкладышами (рисунок 1.1) образуется лопастью 1 со стороны валка или лопастью со стороны привода, головкой 3 шпинделя, имеющей цилиндрическую расточку; бронзовыми сегментными вкладышами 4 и сухарем 5. Поскольку при прокатке расстояние между валками и угол наклона шпинделя изменяются, то один из шарниров должен быть «плавающим» в осевом направлении, а другой - фиксированным.

Рисунок 1.1 Шарнир трения скольжения с бронзовыми вкладышами.

Сухари 5 на концах снабжены цапфами для соединения с вкладышами 4. Для уменьшения износа сухаря, его облицовывают бронзовыми планками или помещабт в бронзовые стаканы; применяют также наплавку на грани сухаря бронзы.

Принцип шарнира Гука достигается благодаря возможности поворота в двух перпендикулярных плоскостях относительно оси расточки головки шпинделя и оси сухаря [1].

1.2 Универсальный шпиндель на подшипниках качения

В последнее время широкое распространение получили универсальные шпиндели на подшипниках качения (рисунок 1.2). Они обеспечивают увеличение производительности прокатных агрегатов.

Рисунок 1.2 Универсальный шпиндель на подшипниках качения.

Увеличение производительности достигается благодаря следующим характеристикам:

1. Углы перекоса в шарнирных головках (рисунок 1.3) могут изменяться в широких пределах (до 18);

2. Удобство сборки и разборки, простота ремонта;

3. Высокая нагрузочная способность и долговечность при минимальных габаритах;

4. Быстрое соединение с рабочей клетью и простота эксплуатации;

5. В подшипниковых узлах дольше удерживается смазка [4].

Рисунок 1.3 Элементы шарнирной головки.

Шпиндельное устройство (рисунок 1.2) состоит из двух шарнирных головок, промежуточного вала и двух фланцев, один из которых соединяется с приводным концом прокатного валка, а второй - с валком шестеренной клети.

Шарнир (рисунок 1.4) состоит из двух полумуфт 1 и 2, цельной крестовины 3 и четырех подшипниковых узлов. В подшипниковый узел входит подшипник качения 4, болты - стяжной 5 и стопорный 6 и уплотняющие крышки 7 и 8. В крышку 8 вставлено стандартное уплотнение 9.

Наружные кольца подшипников монтируются в проточках проушин полумуфт, а внутренние - на пальцах крестовины.

Рисунок 1.4 Шарнир универсального шпинделя на подшипниках качения.

Торцы проушин имеют прямые срезы, причем ширина проушин в каждой полумуфте на 6-10мм меньше расстояния между ними. Такое исполнение позволяет не только упростить исполнение полумуфт но и обеспечить нормальную сборку и разборку шарнирной головки.

Работоспособность шпинделей и стабильность работы станов в большой степени зависит от точности центровки вращения масс.

В описываемой конструкции центровка полумуфт достигается тем, что кольца одного из противоположных подшипников установлены фиксировано; при этом наружное кольцо упирается в борт полумуфты, а внутреннее прижимается к выступу крестовины. Расстояние от оси до выступов при изготовлении выдерживают строго определенным. Зазоры в подшипниках регулируют перемещением внутреннего кольца противоположного подшипника.

В предложенной конструкции шпинделя с наружной стороны, куда отбрасывается смазка при вращении, применена глухая крышка, а с внутренней - стандартное резиновое уплотнение [1].

1.3 Шариковый (роликовый) универсальный шпиндель

Шариковые (роликовые) универсальные шпиндели применяются для привода валков чистовых клетей непрерывных мелкосортных и проволочных станов, работающих при больших частотах вращения.

Универсальные шпиндели с бронзовыми вкладышами и шпиндели с шарнирами на подшипниках качения должны обладать повышенной надежностью; первые - ввиду неудовлетворительных условий смазки и быстрого износа вкладышей, а вторые - ввиду незначительной долговечности крестовин с подшипниками качения не применяются на выше перечисленных станах. Поэтому современная конструкция роликовых шпинделей (рисунок 1.5) обладает рядом новшеств, обеспечивающих более высокую нагрузочную способность и долговечность. Это достигается благодаря следующим особенностям:

1. Применению силопередающих элементов, выполненных в форме бочкообразных роликов (рисунок 6), установленных между втулкой и обоймой шарнира шпинделя в их полуцилиндрических пазах;

2. Равномерному распределению нагрузок на ролики независимо от угла перекоса обоймы относительно втулки;

3. Расположению центров шарниров шпинделя (центрального сечения роликового пояса) в зоне лопастей прокатного и шестеренного валков;

4. Исключению образования ложного шарнира в соединении лопастей прокатного валка с втулкой;

5. Снабжению шарниров герметичными центрирующими устройствами, обеспечивающими надежное удержание смазки.

Рисунок 1.5 Шпиндель роликовый.

Рисунок 1.6 Головка плавающая.

Шарниры обеспечивают постоянство угловой скорости ведомого элемента шпинделя, обоймы или втулки, что является важным фактором повышения точности прокатки при больших скоростях. Современная конструкция роликовых шпинделей характеризуется высоким КПД и бесшумностью [4].

Конструкции шарикового и роликового шпинделя подобны. В шарнир шпинделя непрерывно подается густая смазка от централизованной системы через стационарное среднее кольцо [1].

1.4 Зубчатый шпиндель

Зубчатые шпиндели, состоящие из двух зубчатых муфт соединенных валов, в основном используют в приводе валков чистовых клетей широкополосовых станов, валков жестепрокатных и дрессировочных станов при больших скоростях прокатки. Также в производстве используются зубчатые шпиндели, включающие, помимо обычной зубчатой муфты и промежуточного вала, предохранительную муфту со срезными болтами. Однако такие конструкции муфт не обладают достаточной работоспособностью. Причина этого заключается в низкой прочности установки срезных болтов. Кроме того срезные болты воспринимают радиальные усилия от массы промежуточной части шпинделя и усилия, возникающие в зубчатом зацеплении муфты из-за неточности изготовления и неконцентричности установки [1].

Современные конструкции зубчатых шпинделей (рисунок 1.7) характеризуются высокой долговечностью, благодаря следующим параметрам:

1. Расположению зубчатого зацепления обоймы и втулки в зоне лопасти прокатного валка;

2. Применению сферических центрирующих шарниров, исключающих передачу радиальной нагрузки на зубья зацепления;

3. Применению новой конструкции уплотнения зубчатого шарнира, исключающего попадание воды, и окалины в шарнир и обеспечивающего присутствие смазки в шарнире [4].

Рисунок 1.7 Шпиндель зубчатый

Классическое шпиндельное соединение с зубчатыми муфтами (рисунок 1.8) содержит: соединительный вал 1, зубчатую муфту, состоящую из зубчатой втулки 2, зубчатой обоймы 3 и распорного кольца 4; предохранительную муфту со срезными пальцами, состоящую из зубчатой муфты 5, зубчатой обоймы 6, сферического роликоподшипника 7, размещенного на шейке вала 1; предохранительных болтов 8 и центровочных втулок 9. Между зубчатой обоймой 6 и полумуфтой 10, устанавливаемой на валу главного привода, размещена промежуточная обойма 11 со сферическим роликоподшипником 12, наружное кольцо которого контактирует с зубчатой обоймой 6.

Рисунок 1.8 Шпиндельное соединение с зубчатыми муфтами.

2. Выбор параметров шарнира шпинделя

Исходные данные:

Крутящий момент передаваемый шпинделем.............. Мкр=40кН·м;

Расстояние между осями прокатных валков..... D0=400мм;

Высота перемещения шарнира..........H=50мм.

Расчет длины шпинделя:

Длину шпинделя определяют, исходя принятого угла наклона и высоты перемещения одного из шарниров при прокатке металла наибольшей толщины (рисунок 2.1).

(2.1)

где: Н - высота перемещения одного из шарниров, мм;

- угол наклона шпинделя, оптимальный угол наклона шпинделя принимаем равным 3є.

Рисунок 2.1 Схема установки универсальных шпинделей.

Исходя из рассчитанной величины, выбираем длину шпинделя равной 1000мм.

3. Расчет усилий действующих на элементы конструкции шпинделя

3.1 Расчет напряжения в щеке шпинделя

Поскольку сочленение шпинделя с шестерней должно быть более прочное и гарантированно от поломок т.к. шестерня является более дорогой деталью чем валок, то размер шарнира шпинделя со стороны шестеренной клети необходимо выполнить больше, чем со стороны валков. Поэтому расчет проводится для шарнира со стороны рабочей клети.

При передаче шпинделем крутящего момента Мкр на щеки головки шпинделя действуют силы (рисунок 3.1). На щеки действует усилие Ршп, возникающее в результате давления лопасти на бронзовый вкладыш и бронзового вкладыша на щеку по цилиндрической поверхности их соприкосновения.

Момент, передаваемый шпинделем

, (3.1)

где: Ршп - усилие, с которым нижний бронзовый вкладыш давит на нижнюю щеку головки шпинделя а верхний вкладыш - на верхнюю щеку, кН;

а - расстояние между точками приложения сил, м.

Рисунок 3.1 Схема приложения сил.

Принимаем, что удельные давления вкладыша на щеку шарнира распределяются по трапеции и сила Ршп, приложена в плоскости центра тяжести этой трапеции.

Обычно:

;

Таким образом, из формулы 3.1 получаем:

. (3.2)

Рассчитываем напряжения в щеке шпинделя

Для получения более точных результатов расчета, его необходимо провести для нескольких сечений.

Определяем напряжение кручения в сечении I-I

, (3.3)

где: - момент сопротивления кручению сечения I-I, мі.

Для определения момента сопротивления кручению по заданным размерам головки шпинделя сечение I-I изображено отдельно в виде сегмента (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 Сечение I-I.

Для более простого определения момента сопротивления кручению сечения, приравниваем сегмент к равному по площади прямоугольнику высотой h и шириной b1+b2.

Определяем момент сопротивления кручению

, (3.4)

где: - коэффициент зависящий от отношения ширины прямоугольника к его высоте, при величина

, тогда ;

;

Определяем напряжение изгиба в сечении I-I

, (3.5)

где: - момент изгиба сечения I-I, Н·м

(3.6)

где: х1 - плечо, м.

- момент сопротивления изгибу сечения I-I, мі.

Для более простого определения момента сопротивления изгибу сечения, приравниваем сегмент к равной по площади трапеции с основанием b1+2b2 и высотой h.

Момент сопротивления изгибу сечения трапеции

, (3.7)

Расчетное напряжение в сечении I-I от действия изгиба и кручения

(3.8)

(3.9)

(3.10)

где: - предел прочности стали из которой изготовлен шпиндель, 40ХН2М [3];

n - запас статической прочности, n=5.

171<236МПа

Условие прочности выполняется.

Для определения момента сопротивления кручению по заданным размерам головки шпинделя сечение II-II изображено на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Сечение II-II.

Определяем момент сопротивления кручению по формуле 3.4

, тогда ;

Определяем напряжение кручения в сечении II-II по формуле 3.3

Определяем момент изгиба сечения II-II по формуле 3.6

Момент сопротивления изгибу сечения трапеции определяем по формуле 3.7

Определяем напряжение изгиба в сечении II-II по формуле 3.5

Расчетное напряжение в сечении II-II от действия изгиба и кручения определяем по формуле 3.8

140<236МПа

Условие прочности выполняется.

Для определения момента сопротивления кручению по заданным размерам головки шпинделя сечение III-III изображено на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Сечение III-III.

Определяем момент сопротивления кручению по формуле 3.4

, тогда ;

Определяем напряжение кручения в сечении III-III по формуле 3.3

Определяем момент изгиба сечения III-III по формуле 3.6

Момент сопротивления изгибу сечения трапеции определяем по формуле 3.7

Определяем напряжение изгиба в сечении III-III по формуле 3.5

Расчетное напряжение в сечении III-III от действия изгиба и кручения определяем по формуле 3.8

127<236МПа

Условие прочности выполняется.

3.2 Расчет напряжения в теле шпинделя

Тело шпинделя работает только на кручение, и напряжение в любом сечении по длине шпинделя между его шарнирами равно

, (3.11)

где: dшп - диаметр тела шпинделя, м.

Допустимое напряжение кручения стали 40ХН2М [1].

59,2<190МПа

Условие прочности выполняется.

3.3 Расчет напряжения в лопасти

Удельные давления от вкладыша (рисунок 3.5) распределяются на поверхности каждой вилки по трапеции.

Рисунок 3.5 Напряжения в лопасти.

Определяем силу действующую на вилку при передаче лопастью крутящего момента

(3.12)

Сила Р1 приложена эксцентрично относительно центра сечения вилки. Эта сила будет скручивать сечение вилки моментом

(3.13)

где е - эксцентриситет приложения силы Р1 относительно центра тяжести сечения вилки, м.

Определяем напряжение кручения в сечении I-I

, (3.14)

Для определения момента сопротивления сечения I-I, приравниваем это сечение прямоугольнику высотой Sв и шириной :

(3.15)

Определяем напряжение изгиба в сечении I-I

(3.16)

Изгибающий момент

(3.17)

Момент сопротивления изгибу прямоугольного сечения лопасти

(3.18)

Расчетное напряжение в сечении I-I от действия изгиба и кручения

(3.19)

194<236МПа

Условие прочности выполняется.

Определяем напряжение кручения в сечении II-II

Момент сопротивления на кручение этого прямоугольного сечения

где: - коэффициент зависящий от отношения ширины сечения b0 к его высоте S

, тогда ;

4,6<190МПа

Условие прочности выполняется.

4. Описание разработанной конструкции шпинделя

Шарнир универсального шпинделя на подшипниках скольжения образуется лопастью (как со стороны рабочих валков, так и со стороны привода); головкой шпинделя имеющей специальную цилиндрическую расточку под вкладыши; бронзовыми сегментными вкладышами и камнем, позволяющим фиксировать бронзовые вкладыши относительно лопасти.

Со стороны рабочей клети шарнир сделан «плавающим» в осевом направлении. Такая конструкция необходима для компенсации углов наклона шпинделя, которые постоянно изменяются при изменении расстояния между рабочими валками, а также это облегчает работу при частой смене валков. Особенности конструкции «плавающего» шарнира в том, что в лопасти предусматривается прорезь для перемещения камня. Шарнир со стороны привода выполнен фиксированным. В лопасти предусмотрено отверстие для камня.

Камень, устанавливаемый в «плавающем» шарнире имеет с двух сторон цапфы, позволяющие фиксировать на них вкладыш. Камень в фиксированном шарнире выполнен с одной цапфой, с другой стороны в теле камня выполняется резьбовое отверстие для крепления камня винтом с диаметром резьбы М18.

Для снижения износа камней, на их поверхность наплавляется бронза.

Смазка универсальных шарниров - закладная, через предусмотренные для этого смазочные канавки.

Литература

1.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т.: Т.1. - М.: Машиностроение, 2001 - 920с.

2. Целиков А.И., Полухин П.И. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х т.: Т.3./ Машины и агрегаты для производства и отделки проката - М.: Металлургия, 1988 - 680с.

3. ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия.