УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО И ОСЕВОГО СМЕЩЕНИЯ ЦЕНТРОВ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗОК И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЛИННОМЕРНЫХ ТРУБНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ПРОКАТНО-ВОЛОЧИЛЬНОМ СТАНЕ

Полезная модель относится к области станкостроения и может быть использована в горизонтальных и универсальных клетях прокатного стана, а также для волочения трубных заготовок и изделий, в частности, спирально-профильных труб газотранспортных систем, кожухотрубных теплообменных аппаратов.
Известно устройство для уравновешивания шпинделей прокатных станов, включающее шпиндельный стул, на котором смонтированы подпружиненные подшипниковые опоры шпинделей (см. Королев А.А. Прокатные станы и оборудование прокатных цехов. Атлас - М.: Металлургия, 1981, лист УШ-86).
Недостатком аналога является просадка пружин при эксплуатации и быстрый выход их из строя, что вызывает нарушение точного уравновешивания шпинделей, их расцентровку с рабочими валками прокатной клети, радиальные биения шпинделей и валков, снижение их долговечности, появление продольной периодической разнотолщинности и снижение качества прокатываемого металла.
Наиболее близким прототипом является устройство - узел самоцентрирования пуансона относительно матрицы, содержащий опору и хвостовик пуансона со сферическими торцами, а также расположенный между ними вкладыш с ответными сферическими поверхностями, контактирующий по этим поверхностям с опорой и хвостовиком пуансона, отличающийся тем, что с целью повышения надежности его работы, срока службы и точности центрирования, он снабжен размещенным с возможностью вращения вокруг своей оси внутри выполненного в опоре, вкладыше и хвостовике пуансона центрального сквозного отверстия соединительным стержнем с круглой, плавно сужающейся к стержню головкой на одном его конце, примыкающей к одной из кромок этого отверстия, и с гайкой на другом конце, а также охватывающей стержень шайбой с плавно сужающейся в сторону головки боковой поверхностью, примыкающей по этой поверхности к противоположной кромке указанного 1 отверстия, и расположенным между шайбой и гайкой упругим элементом (см. А.С. №1 260 097 (СССР), Узел самоцентрирования пуансона относительно матрицы. Заявка №3851662/25-27, опубл. 30.09.1986 БИ №36).
Недостатком устройства центрирования является его конструктивное оформление, вследствие чего устройство предназначено только для использования в качестве центрирующего деформирующего, давящего пуансона при получении изделий типа стакана методом обратного выдавливания, а для радиальной и торцевой расцентровок не предназначено.
Техническим результатом полезной модели является устранение радиальной и торцевой расцентровок - смещение и перегиба общей оси рабочей клети относительно оси тягового устройства, расположенных в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что повышает качество профилированных деталей.
Указанный технический результат полезной модели обеспечивается тем, что устройство для устранения радиального и осевого смещения центров приложения деформаций и тягового усилия при изготовлении длинномерных трубных изделий на прокатно-волочильном стане содержит корпус, приставку, правый и левый вкладыши со сферическими поверхностями, внутри которых расположен стержень; новым является то, что устройство состоит из двух частей: узла центрирования, выполненного в виде корпуса, и узла захвата - в виде приставки, контактирующих между собой через внешнюю пару трения скольжения, соединенных стержнем, который со стороны приставки выполнен цилиндрическим, а со стороны корпуса - в виде седла, ответная часть которого контактирует с внутренней стороной корпуса, опирающегося на промежуточную пару трения скольжения, встроенную во внутреннюю торцевую поверхность корпуса, при этом на цилиндрической части стержня, размещенного в приставке, расположены подшипник качения, упорный подшипник и упругий элемент, зафиксированные стопорной гайкой; левый вкладыш, встроенный в седло стержня, контактирует через внутреннюю пару трения скольжения с правым вкладышем, оба вкладыша расположены на шпильке с размещенными внутри них ползушками, компенсаторами, упругими элементами и стопорной гайкой для обеспечения передачи осевого давления через промежуточную пару трения скольжения на узел захвата, с возможностью вращения приставки вокруг цилиндрической части стержня, а за счет упругих элементов имеется возможность компенсировать радиальное смещение, не превышающее 30% от величины наружного диаметра трубной заготовки, и связанную с ним торцевую расцентровку поворотом шпильки на угол α в диапазоне от 0 до  радиан, при этом угол торцевой расцентровки α образован прямой, соединяющей с одной стороны центр трубной заготовки, зажатой профилирующими роликами в клети (центр деформации), а с другой стороны - центр трубной заготовки, зажатый цанговым патроном, и проекцией этой прямой на плоскость, проходящей через ось трубной заготовки, в то же время одна из частей устройства - узел захвата, удерживающий трубную заготовку, имеет возможность вращения вокруг стержня, а узел центрирования, связанный со штоком тягового оборудования, перемещается горизонтально, кроме того, упругий элемент, расположенный на цилиндрической части стержня, имеет возможность создавать упругое соединение между узлом центрирования и узлом захвата.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, где:
тяга
пр
на фиг. 1 - схема узла центрирования осей клети и гидроцилиндра тяги А - узел центрирования, Б - узел захвата, Δ - величина смещения оси шпильки,ω - угловая скорость тяги, Р - тяговое усилие редуцирования, Р - усилие противодавления,ϑ- скорость перемещения компенсатора, 1 - внешняя пара трения скольжения, 18 - цанговый патрон, 23 - шток тягового гидроцилиндра;
тяга
на фиг. 2 - схема работы устройства при устранении расцентровки: k - коэффициент мультипликатора, Δ - величина смещения шпильки, kΔ - величина смещения осей профилируемой трубной заготовки относительно оси штока тягового гидроцилиндра с учетом коэффициента мультипликатора, L - длина рабочей части узла захвата трубной заготовки, Р - усилие тяги гидроцилиндра; 1 - пара трения внешняя, 2 - стержень 3 - корпус, 4 - заглушка корпуса, 5 -шпилька, 6 - вкладыш левый, 7 - вкладыш правый, 8 - пара трения внутренняя, 9 - компенсационная пара трения, 10 - ползушка, 11 - компенсатор, 12 - упругий элемент - тарельчатая пружина, 13, 14 - стопорные гайки, 15 - приставка, 16 - держатель, 17 -подшипник качения, 18 - цанговый патрон, 20 - опорный подшипник, 21 - стопорная гайка, 22 - упругий элемент - тарельчатая пружина, 23 - шток тянущего гидроцилиндра;
на фиг. 3 - вид по вырезу I (фиг. 2), масштаб М 10/1:
ВС=Δ - величина смещения шпильки, профилирующей трубную заготовку относительно оси штока тягового гидроцилиндра, Z - вертикальная ось, X - горизонтальная ось, α - угол расцентровки;
5 - шпилька, 6 - вкладыш левый, 7 - вкладыш правый, 8 - пара трения внутренняя, 11 - компенсатор, 12 - упругий элемент - тарельчатая пружина, АС - горизонтальная составляющая;
на фиг.4 - вид по стрелке А (фиг. 2):
АВ - расстояние между стопорными гайками, Δ=ВС - величина смещения шпильки, профилирующей трубную заготовку относительно оси штока тягового гидроцилиндра, АС - горизонтальная составляющая, α- угол расцентровки, R - радиус разворота конца стержня по отношению к продольной оси шпильки;;
на фиг. 5 - схема прокатно-волочильного стана с неприводной клетью РТ - устройство компенсации радиальной и торцевой расцентровки, 19 - трубная заготовка, 23 - шток тянущего гидроцилиндра, 24 - гидроцилиндр тягового устройства, 25 - гидростанция прокатно-волочильного стана, 26 - полозья направляющие, 27 - передняя станина, 28 - рабочая клеть, 29 - профилирующие ролики, 30 - каретка продольного перемещения задней станины, 31 - полозья направляющие задней станины, 32 - гидроцилиндр задней станины, 33 - задняя станина прокатно-волочильного стана, 34 - внутренняя профильная оправка, 41 - каретка продольного перемещения;
на фиг. 6 - схема шести роликовой клети: 29 - ролики, 40 - рама клети, на фиг. 7 - схема прокатно-волочильного стана с тяговой цепной передачей:
РТ - устройство компенсации радиальной и торцевой расцентровки, 19 - трубная заготовка, 28 - рабочая клеть, 35 - каретка продольной подачи, 36 - цепная передача, 37 - электродвигатель, 38 - передняя станина, 39 - задняя станина
Устройство компенсации радиальной (взаимное смещение осей) и торцевой (угол перегиба общей оси) расцентровки (компенсатор РТ) (фиг. 1) предназначено для регулирования радиальной Δ и торцевой α расцентровки между осями профилирующей клети и штока гидроцилиндра (фиг. 4) или тяговой цепи прокатно-волочильного стана (фиг. 5).
Торцевая расцентровка - регулирование угла α, образованного прямой, соединяющей с одной стороны центр трубной заготовки, зажатой профилирующими роликами в клети (центр деформации), а с другой стороны - центр трубной заготовки, зажатый компенсатором РТ (например, с помощью цангового патрона), закрепленного на подвижной части тянущего оборудования, и проекцией этой прямой на плоскость, проходящей через ось трубной заготовки.
Радиальная расцентровка Δ- регулирование расстояния между центром рабочей клети и центром захвата компенсатора РТ, закрепленного на подвижной части тянущего оборудования в плоскости, перпендикулярной оси трубной заготовки.
Компенсатор РТ состоит их узла центрирования А и узла захвата трубной заготовки Б, контактирующих через внешнюю пару трения 1 и соединенных стержнем 2.
Узел центрирования А выполнен в виде корпуса 3, с одной стороны которого винтовым соединением закреплена заглушка 4, соединяющая его со штоком гидроцилиндра тягового оборудования, с другой закреплена на одной из пластин внешней пары трения 1.
Внутри корпуса, на общей шпильке 5, располагается левый 6 и правый 7 полые вкладыши, контактирующие между собой в вертикальной плоскости через пару трения 8. Вкладыши 6, 7 имеют внутренние сферические поверхности, правый вкладыш 7 жестко сцентрирован с заглушкой 4, левый 6 - вмонтирован в седло сложнопрофильного стержня 2, ложкообразная сторона которого опирается на внутреннюю плоскую вертикальную поверхность корпуса 3, с которым имеет возможность скольжения в вертикальной плоскости за счет пары трения 9.
На сферических внутренних полостях вкладышей 6, 7 располагаются пол-зушки 10, имеющие внешние, ответные им сферические поверхности, с обратной стороны ползушки 10 имеют внутренние сферические поверхности, на которых располагаются компенсаторы 11, обеспечивающие гибкую подвижную связь в жестком контакте друг с другом за счет упругих элементов 12, базирующихся на шпильке 5, контролируемые стопорными гайками 13 и 14 (фиг. 2).
В условии жесткого контакта, за счет упругих элементов 8, левый 6 и правый 7 вкладыши имеют возможность беспрепятственного скольжения друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной цилиндрической части оси вращения стержня 2, посредством внешней пары трения скольжения 1 и компенсационной пары трения 9.
Узел захвата трубной заготовки Б выполнен в виде полой приставки 15, закрытой с одной стороны полым держателем 16, с другой - внешней парой трения скольжения 1 с корпусом 3.
тяги
Внутри приставки 15, на цилиндрической части сложнопрофильного стержня 2 располагается подшипник качения 17, позволяющий захвату в виде, например, цангового патрона 18 вращаться вокруг оси цилиндрической части стержня 2 с угловой скоростью ω профилирования трубной заготовки 19. Опорный подшипник 20, установленный на цилиндрической части сложнопрофильного стержня 2, дает возможность приставке 15 передавать осевые давления Р. Стопорная гайка 21, расположенная внутри заглушки 16, обеспечивает связь цангового патрона 18 с подшипником качения 17. Упругий элемент 22, расположенный на цилиндрической части стержня 2, создает упругое соединение между узлом центрирования А и узлом захвата Б.
Связка включает внешнюю пару трения 1 для возможности вращения приставки 15 при относительно неподвижном узле центрирования А.
Назначение компенсатора РТ - регулировать в автоматическом режиме расцентровку осей за счет взаимного поворота вкладышей 6 и 7, ползушек 10 и компенсаторов 11, расположенных на шпильке 5.
Благодаря наличию упругих элементов 12, зафиксированных стопорной гайкой 13 и 14 со стороны узла центрирования А, и опорным подшипником 20, зафиксированным стопорной гайкой 21 со стороны узла захвата трубной заготовки Б, имеется возможность свободного перемещения вкладышей 6 и 7 в плоскости, перпендикулярной оси стержня 2, что позволяет регулировать в автоматическом режиме торцевую расцентровку α в диапазоне от 0 до  рад. ≈6° и радиальную расцентровку Δ, не превышающую 30% наружного диаметра трубной заготовки.
Расположение компенсатора РТ на прокатно-волочильном стане
На прокатно-волочильном стане используют два вида волочения: гидроцилиндром при небольших длинах трубных заготовок до 3-5 метров (фиг. 4) и тяговой цепью при длине трубных заготовок более 5 метров (фиг. 5). Раму 40 (фиг. 6) клети 28 (фиг. 5) закрепляют между передней 27 (39 - фиг. 7) и задней 33 (38 - фиг. 7) станинами прокатно-волочильного стана с тяговым гидроцилиндром (с тяговой цепной передачей).
При работе на прокатно-волочильном стане с тяговым гидроцилиндром компенсатор РТ со стороны заглушки 4 корпуса 3 закрепляется на штоке 23 или, при большой длине трубной заготовке, на каретке продольной подачи 41, перемещающей штоком 23 (фиг. 2) тягового гидравлического цилиндра 24, работающего от гидростанции 25 (фиг. 5) и перемещаться по направляющим полозьям 26 передней станины 27.
Со стороны рабочей клети 28 цанговый патрон 18 зажимает передний конец трубной заготовки 19, предварительно уставленной в зоне профилирующих роликов 29 клети 28 (фиг. 6). Задний конец трубной заготовки 19 закрепляется на каретке 30, перемещающейся по направляющим 31 посредством гидроцилиндра 32 по задней станине 33, находящейся за рабочей клетью 28 (фиг. 5).
Для повышения качества формы гофров в процессе профилирования трубных заготовок используют профильные внутренние оправки 34.
При работе на прокатно-волочильном стане с тяговым цепным (36) приводом заглушка 4 корпуса 3 закрепляется на каретке продольной подачи 35 (фиг. 7), перемещаемой цепью 36 с электродвигателем 37 стана. Возможен вариант, при котором задний конец трубной заготовки 19 не закреплен (фиг. 7).
После установки трубной заготовки 19 в рабочей клети 28 профилирующие ролики 29 (фиг. 5) перемещают по заданной программе в радиальном направлении и деформируют стенку трубной заготовки 19 до заданного размера.
По окончании осадки трубной заготовки проводят предварительное перемещение тягового гидроцилиндра 24, растягивают участок трубной заготовки 19, зажатой между рабочей клетью и цанговым патроном 18 для создания натяга с целью проведения компенсации радиальной Δ и торцевой α расцентровки.
Если ось клети 28 относительно оси штока 23 тягового гидроцилиндра 24 расположена несоосно, то линия, соединяющая центр фиксации трубы в рабочей клети 28 и центр фиксации трубы в цанговом патроне 18 тянущего гидроцилиндра 24, будет образовывать с горизонтальной плоскостью угол отклонения α (величина «перепада» Δ).
тяга
Тяговое усилие Р со стороны гидроцилиндра 24 приводит механизм компенсации радиальной и торцевой расцентровки в действие.
В узле центрирования А шпилька 5 разворачивается относительно своего центра и точек А, В. Радиус вращения ползушки 10 зависит от формы поверхности вкладышей 6, 7 (фиг. 3, 4).
Угол наклона шпильки 5 относительно горизонта определяется по формулам:
Если принять ВС=Δ, то
где АВ - величина, равная расстоянию между плоскостями соприкосновения компенсаторов 11 с упругими элементами 14 (фиг. 3), расположенными в корпусе 3, α- угол отклонения центральной шпильки 5 от горизонтальной плоскости, Δ - величина смещения точек А (В) от горизонтальной плоскости проходящей через центр шпильки 5. корпуса 3 относительно держателя 16 при расцентровке менее  что тождественно расстоянию между центром шпильки 5 и контактами компенсаторов 11 с упругими элементами 12 в точках А и В (фиг. 3).
В случае, когда вкладыши 6 и 7 имеют двояковогнутые поверхности с одинаковым радиусом кривизны сфер, центром вращения шпильки будет середина длины шпильки 5, проходящая в плоскости сопряжения сторон ползушек 10.
Ползушки 10 и компенсаторы 11, способствуют развороту шпильки 5 на угол α по отношению к оси корпуса 3. При этом упругие элементы 12 сжимаются, так как увеличивается расстояние между точками А и В на шпильке 5. Определение угла а вычисляют методом трибометрического нивелирования с использованием теодолита или тахеометра (фиг. 3).
Сферическая поверхность ползушек 10, компенсаторов 11 и вставок 6, 7 позволят провести разворот шпильки 5 относительно горизонтальной оси корпуса 3, что приводит к смещению центральной оси узла захвата трубной заготовки Б в вертикальной плоскости.
Стопорные гайки 13 и 14 фиксируют упругие элементов 12 и при смещении оси держателя 16 относительно оси корпуса 3 упругие элементы 12 сжимаются, тем самым компенсируется величина, на которую увеличивается расстояние между опорными сферическими поверхностями левой и правой ползушек 10. Приращение расстояния от А до В зависит от угла α.
Приставка 15, посредством захватного устройства (в частности, цангового патрона 18) фиксируется на законцовке трубной заготовки 19, установленной в рабочей формообразующей клети 28 (фиг. 3, 4), с возможностью вращения вокруг оси цилиндрической части стержня 5, в то же время, корпус 3, соединенный через заглушку 4 корпуса 3 со штоком 23 тянущего гидроцилиндра 24, не вращается.
При отклонении от соосности на величину Δ=30% наружного диаметра трубной заготовки (определяющий угол  радиан), шпилька 5 поворачивается на максимально возможное положение относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось стержня 2, и ее дальнейшее перемещение поворотом не представляется возможным из за конструктивных особенностей.
Данная конструкция получена в результате опытно-экспериментальных работ по исследованию компенсаторов РТ на прокатно-волочильных станов при изготовлении спирально-профильных труб для кожухотрубных теплообменников. Например, при смещении фиксированных точек А и В, расположенных на шпильке 5 на угол α =4°, что соответствует радиальному смещению точек А и В по вертикали на величину равную Δ=±2,5 мм, смещение центра держателя 16 цангового патрона 18 составляло ±5,7 мм относительно исходного положения.
Отмеченное искажение размеров является мультипликативным и зависит от соотношения плеч OA и ОВ на шпильке 5. В случае равенства этих плеч OA=ОВ (в приведенном примере) смещение оси цангового патрона 18 составит 5,7 мм.
Отсюда следует, что коэффициент мультипликации k, отражающий величину смещения центра цангового патрона 18 при равенстве плеч (точек контакта компенсаторов 11 с упругими элементами 12 на шпильке 5, фиг. 3), может находиться в прямой зависимости:
Мультипликатор - это числовой коэффициент, который показывает размеры охвата регулировки расцентровки осей центра рабочей клети 28, при смещении угла поворота шпильки 5 от горизонтали. Мультипликатор для каждой конструкции узла центрирования А зависит только от конструктивного оформления.
Компенсатор РТ работает следующим образом.
Этап №1 Устройство компенсации РТ через заглушку 4 соединяют со штоком 23 гидроцилиндра 24 (фиг. 5) или с кареткой продольной подачи 35 передней станины тяговой цепи 36 (фиг. 7).
Трубную заготовку 19 проводят между профилирующими роликами 26 рабочей клети 28, одевают на профильную оправку 34 и задний конец трубы 19 закрепляют в каретке 30 задней станины 33 (фиг. 5).
Передний конец трубной заготовки 19 (фиг. 4) закрепляют цанговым патроном 18 (фиг. 2) на устройстве компенсации РТ при работе с гидравлическим приводом (фиг. 5).
При безоправочном профилировании задний конец трубной заготовки 19 можно не закреплять (фиг. 7).
Этап №2. Профилирующие ролики 29 рабочей клети 28 (фиг. 6, 5) перемещают в сторону оси трубной заготовки 19 в радиальном направлении и обжимают трубную заготовку 19 до образования на ее поверхности выступов и впадин с углом подъема винтовой линии заданной формы.
Проводят предварительный натяг трубной заготовки 19. Компенсатор РТ, за счет конструктивного оформления внутренних деталей, автоматически устраняет расцентровку осей зоны деформации и зоны натяжения.
тяг
тяг
Этап №3. При замкнутом положении роликов 29 к устройству компенсации РТ прикладывают осевое усилие Р. (фиг. 1) Усилие Р передается с линейной скоростью ϑ цанговому патрону 18 и, за счет сложения сил на винтовой поверхности внутренней профильной оправки 34 (фиг. 5), создается крутящий момент, осуществляющий поворот держателя 16 трубной заготовки 19 (фиг. 2) по направлению винтовой линии с окружной скоростью ω. При развороте профильная оправка 34 (фиг. 5) через деформируемую часть трубной заготовки 19 передает крутящий момент профильным роликам 29.
В результате взаимодействия роликов 29 с продеформированным участком трубной заготовки 19 цанговый патрон 18 начинает вращаться вокруг стержня 2 с угловой скоростью ω (фиг. 3).
В устройстве компенсации РТ корпус 3 имеет возможность перемещаться только в горизонтальном направлении, параллельно стержню 2, в то время как полый держатель 16 имеет возможность поворачиваться вокруг стержня 2 с угловой скоростью ω.
Скорость ϑ осевого перемещения трубной заготовки 19 согласуется с угловой скоростью ее вращения ω и углом подъема гофров, исходя из соотношения:
где ϑ - скорость осевого перемещения трубы, R - радиус описанной окружности трубы, tg - тригонометрическая функция, θ - угол подъема гофров на профильной части трубы, ω - угловая скорость.
В указанное выше выражение подставляем известное соотношение между угловой скоростью и числом оборотов трубной заготовки в единицу времени
где π=3,1416, ⋅n - число оборотов трубы в единицу времени.
В результате получаем выражение, связывающее число оборотов трубной заготовки вокруг своей оси, угол подъема гофров с линейной скоростью осевого перемещения трубной заготовки:
Этап №4. По окончании процесса профилирования задний конец трубной заготовки освобождают от каретки 30 задней станины 33 (фиг. 5).
Профильные ролики 26 приводят в исходное положение.
Передний конец трубного изделия отводят от клети 28 при помощи гидроцилиндра 24 и профилированная часть трубной заготовки, за счет сложения внутренних сил от стенок гофров, выкручивается с внутренней профильной оправки 34 (фиг. 5).
После отвода штока 23 тягового гидроцилиндра 24 в исходное положение разжимают цанговый патрон 18 и извлекают профилированное трубное изделие.