Шарнир шпинделя прокатного стана

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, а точнее к прокатному оборудованию, и может быть наиболее эффективно использована в приводах вращения рабочих валков клетей прокатных станов, при передаче широкого диапазона крутящих моментов при значительных углах перекоса в шарнирах универсальных шпинделей.
Из предшествующего уровня техники известен универсальный шарнир шпинделя, представленный в А.С. СССР №1045966, по кл. В21В 35/14, заявл. 07.06.1982 г., опубл. 07.10.1983г., содержащий ведущее и ведомое звено в виде обоймы с размещенной в ней сферической головкой вала шпинделя, соединительные элементы качения, например, шары, средство для поджатия соединительных элементов к рабочим поверхностям обоймы в виде подвижных опор и упругих элементов, размещенных в гнездах ступенчатой формы, выполненных в сферической головке вала.
Недостатком данной конструкции универсального шарнира является низкая нагрузочная способность при использовании в приводах вращения рабочих валков прокатных станов. Указанный недостаток объясняется тем, что при наличии значительного передаваемого момента под воздействием радиальной составляющей контактного усилия между обоймой, шаром и подвижной опорой, последняя начнет перемещаться к центру шарнира, деформируя при этом упругий элемент, вследствие чего значительно уменьшаются контактные площадки и резко возрастают контактные напряжения на сопрягаемых поверхностях обоймы, соединительного элемента, например, шара и подвижной опоры. Чтобы эти контактные напряжения не вышли за пределы допустимых, необходимо снизить нагрузочную способность шарнира, уменьшив передаваемый шарниром крутящий момент, либо увеличить физические размеры сопрягаемых деталей шарнира. Увеличение физических размеров сопрягаемых деталей приведет к увеличению поперечных габаритов (диаметра) шарнира, что недопустимо при использовании данного шарнира в главных приводах рабочих валков, например, станов винтовой прокатки, так как расстояние для размещения шарнира строго регламентировано поперечными размерами проката и рабочего валка.
При эксплуатации известного шарнира при значительных крутящих моментах происходит резкое повышение контактных напряжений в контактирующих с элементом качения кромках обоймы, подвижной опоры и в поверхности самого шара, и, как результат, их интенсивный износ (разрушение) в этих местах, а, следовательно, снижение долговечности шарнира, частая его замена, что приводит к увеличению непроизводительных простоев прокатного оборудования.
Известен универсальный шарнир, описанный в патенте РФ №2328356, кл. B21B 35/14, заявл. 22.05.2006 г., опубл. 10.07.2008 г., содержащий обойму с расточками, жестко установленные в них цилиндрические опоры с кольцевыми заплечиками, сферическую головку с углублениями, установленную на валу шпинделя, шары, размещенные между цилиндрическими опорами и сферической головкой. Сферическая головка вала контактирует со сферическими кольцами, установленными в соответствующих расточках обоймы. Между кольцевыми заплечиками цилиндрических опор и обоймой размещены сменные кольцевые шайбы.
Недостатком известной конструкции универсального шарнира является его недостаточная долговечность. Это объясняется тем, что в процессе эксплуатации при значительных крутящих моментах происходит постепенный износ (разрушение) наиболее нагруженных деталей: цилиндрической опоры, шара и сферической головки, в результате чего образуются зазоры между этими деталями, увеличивающие динамические (ударные) нагрузки на шарнир, приводящие к его интенсивному износу и, как следствие, к снижению срока службы шарнира. Для уменьшения зазоров необходима замена кольцевых шайб, которая возможна только при полной разборке шарнира, что требует значительных затрат времени, приводящих к увеличению непроизводительных простоев оборудования.
Известен универсальный шарнир, описанный в А.С. СССР №1291221, по кл. В21В 35/14, заявл. 11.02.1985 г., опубл. 23.02.1987г., содержащий обойму с пазами (расточками), расположенные в них ползуны, зафиксированные пальцами через упругий элемент в виде втулки, сферическую головку вала шпинделя с углублениями и шары, размещенные между ползунами и сферической головкой и сменные эксцентрики.
После отработки заданного ресурса в шарнире в результате износа появляются зазоры, которые компенсируются путем замены эксцентриков без разборки и демонтажа шарнира во время во время планово-профилактического обслуживания оборудования.
Недостаток известной конструкции универсального шарнира заключается в его низкой нагрузочной способности и недостаточной долговечности. Это объясняется тем, что под действием радиальной составляющей контактного усилия ползуны, подвижно соединенные с обоймой, перемещаются вместе с шарами в направлении от центра шарнира за счет деформации упругих втулок. Указанное явление приводит к резкому уменьшению контактных площадок на перечисленных деталях шарнира и значительному повышению контактных напряжений. Кроме того, при работе прокатного стана, например, в моменты захвата металла рабочими валками, в приводе валков и в шарнире возникают ударные нагрузки, превосходящие по величине устоявшуюся нагрузку. Возникающие при этом напряжения могут превысить допустимые величины, что приводит к интенсивному износу контактирующих деталей шарнира, уменьшающему срок его службы. Следовательно, недостатком данной конструкции универсального шарнира является его недостаточная долговечность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является шариковый шарнир, описанный в патенте на изобретение РФ №2504446, по кл. В21В 35/14, заявл. 09.01.2013г., опубл. 20.01.2014г.
Известный шариковый шарнир содержит муфту шпиндельную в виде обоймы с расточками, сферическую головку вала с углублениями, соединительные элементы качения, например, шары, размещенные в пазах сферической головки, средства для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира, установленные в расточках обоймы, каждое из которых включает в себя опорную втулку с внутренней резьбой, ползун, в виде цилиндрической опоры с буртиком и наружной резьбой, взаимодействующей с внутренней резьбой опорной втулки, пяту, по меньшей мере, с одной кольцевой проточкой, контактирующую с ползуном и имеющую наружную сферическую поверхность для контакта с шаром, средства от самоотвинчивания, связанные со средствами для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира.
В процессе эксплуатации шарнира под действием нагрузок происходит постепенный износ углублений сферической головки, шаров и сферических поверхностей пят, что приводит к появлению зазоров между этими деталями.
Достоинством данной конструкции шарикового шарнира является возможность устранения зазоров между углублениями сферической головки, шарами и сферическими поверхностями пят, возникающих во время его эксплуатации, без разбора шпинделя во время планово-профилактического обслуживания прокатного оборудования, путем завинчивания ползунов по внутренней резьбе соответствующих втулок, которые в свою очередь перемещают пяты до полного (беззазорного) контакта с шарами и поверхностью углублений сферической головки.
Недостатком вышеуказанной конструкции шарикового шарнира является его недостаточная долговечность, обусловленная прогрессирующим износом контактных элементов шарнира (углублений сферической головки, шаров и сферических поверхностей пят), вызванным жесткостью опорной поверхности пят, не позволяющей демпфировать небольшие вибрации и небольшие ударные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации в шарнире, не обеспечивающей постоянное равномерное поджатие контактных элементов шарнира, приводящей к образованию радиальных зазоров в шарнире, которые не устраняются в процессе эксплуатации и, как следствие, под действием динамических нагрузок приводят к прогрессирующему износу контактных элементов шарнира. Недостаточная долговечность шарнира ведет к частой его замене и, соответственно, к увеличению непроизводительных простоев прокатного оборудования.
Задачей, решаемой данной полезной моделью, является повышение долговечности шарнира шпинделя прокатного стана для снижения непроизводительных простоев прокатного оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что в шарнире шпинделя прокатного стана, содержащего муфту шпиндельную в виде обоймы с расточками, сферическую головку вала с углублениями, соединительные элементы качения, например, шары, размещенные в пазах сферической головки, средства для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира, установленные в расточках обоймы, каждое из которых включает в себя опорную втулку с внутренней резьбой, ползун в виде цилиндрической опоры с буртиком и наружной резьбой, взаимодействующей с внутренней резьбой опорной втулки, пяту, по меньшей мере, с одной с кольцевой проточкой, контактирующую с ползуном и имеющую наружную сферическую поверхность для контакта с шаром, и средства от самоотвинчивания, связанные со средствами для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира, согласно полезной модели средства для поджатия шаров имеют заполненную амортизационной жидкостью герметичную полость между пятой, снабженной уплотнением, установленным в ее кольцевой проточке, и имеющим отверстие с внутренней резьбой ползуном, и установленным с возможностью перемещения в нем винтовым штоком, имеющим уплотнение на торце.
Наличие амортизационной жидкости в герметичной полости между пятой и ползуном в средствах для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира в качестве прослойки позволяет демпфировать небольшие динамические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации шарнира, обеспечивает их равномерное распределение по элементу качения (шару) и автоматически поддерживает равномерное беззазорное соединение элементов качения (шаров) с обоймой и головкой вала, в результате этого, напряжения от динамических нагрузок снижаются, что позволяет значительно снизить возможность возникновения интенсивного износа (разрушения) контактирующих поверхностей головки, шаров и обоймы, и как следствие, увеличить долговечность шарнира.
Наличие уплотнений в кольцевой проточке пяты и на торце винтового штока позволяет обеспечить герметичность в полости с амортизационной жидкостью и предотвратить ее вытекание.
Выполнение ползуна с отверстием, имеющим резьбу и установка с возможностью перемещения в нем винтового штока, дают возможность путем завинчивания винтового штока по внутренней резьбе ползуна, создать дополнительное регулируемое давление в герметичной полости с амортизационной жидкостью между пятой и ползуном, необходимое для выборки радиальных зазоров в шарнире, возникающих под действием динамических (ударных) нагрузок в процессе эксплуатации шарнира, регулировать усилие поджатия пяты к шару, а шара к сферической поверхности головки вала, обеспечивающее равномерное распределение нагрузок по элементу качения, что в совокупности позволяет значительно снизить интенсивность износа контактирующих поверхностей головки, шаров и обоймы, за счет чего повысить долговечность шарнира.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение интенсивности износа контактных элементов шарнира, повышение его долговечности и снижение количества непроизводительных простоев прокатного оборудования.
Заявляемый шарнир шпинделя прокатного стана обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше существенными признаками, такими как:
использование амортизационной жидкости в качестве прослойки в герметичной полости между пятой и ползуном в средствах для поджатия соединительных элементов к рабочим поверхностям шарнира;
наличие уплотнений в кольцевой проточке пяты и на торце винтового штока для обеспечения герметичности полости с амортизационной жидкостью;
выполнение ползуна с отверстием, имеющим резьбу и установка с возможностью перемещения в нем винтового штока для регулирования усилия поджатия сферической поверхности пяты к шару, а шара к сферической поверхности головки вала, и обеспечения равномерного распределения напряжений по соединительному элементу качения, возникающих в процессе эксплуатации шарнира под действием динамических (ударных) нагрузок,
обеспечивающими в совокупности достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Заявляемый шарнир шпинделя прокатного стана может найти широкое применение в обработке металлов давлением в приводах прокатного оборудования (прокатных станов) при передаче широкого диапазона крутящих моментов при значительных углах перекоса в шарнирах универсальных шпинделей, поэтому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на:
Фиг. 1 - Шарнир шпинделя прокатного стана, продольный разрез.
Фиг. 2 - Шарнир шпинделя прокатного стана, разрез А-А на фиг 1.
Фиг. 3 - Средство для поджатия шаров к рабочим поверхностям шарнира в разрезе
(поз. 5 на фиг. 2).
Шарнир шпинделя прокатного стана содержит муфту шпиндельную, выполненную в виде обоймы 1 с расточками, сферическую головку 2 с углублениями 3, установленную на валу шпинделя, элементы качения 4 (например, шары), размещенные между поверхностями углублений 3 сферической головки 2 и средствами 5 для поджатия элементов качения к рабочим поверхностям шарнира, жестко установленными в сквозных ступенчатых расточках обоймы 1. Средства для поджатия элементов качения к рабочим поверхностям шарнира содержат цилиндрическую опорную втулку 6 с внутренней резьбой и кольцевыми заплечиками 7, подвижную цилиндрическую опору - ползун 8 с наружной резьбой и внутренним резьбовым отверстием, винтовой шток 9, имеющий уплотнение 10 на своем торце, пяту 11, с установленным в одной из ее проточек уплотнением 12, контактирующую с ползуном 8, средства 13 от самоотвинчивания. Цилиндрические опорные втулки 6 зафиксированы относительно обоймы 1 кольцевыми заплечиками 7. Во втулках 6 посредством резьбы, с возможностью перемещения установлены ползуны 8, контактирующие через прослойку 14 из амортизационной жидкости с пятой 11, имеющую наружную вогнутую сферическую поверхность, в контакте с которой установлены элементы качения (шары) 4. Средства 5 для поджатия элементов качения (шаров) к рабочим поверхностям шарнира связаны со средствами 13 от самоотвинчивания.
Шарнир шпинделя прокатного стана работает следующим образом.
Крутящий момент от привода через вал шпинделя передается к сферической головке 2 вала, через ее углубления 3 к элементам качения 4, затем через пяты 11 и прослойки 14 из амортизационной жидкости на ползуны 8, связанные с жестко установленными в проточках обоймы 1 опорными втулками 6, на обойму 1 шарнира, и затем на рабочий вал привода прокатного стана. Уплотнения 10 и 12 обеспечивают герметичность полости с амортизационной жидкостью 14. Средства 13 предотвращают самоотвинчивание ползунов 8 и штоков 9.
При возникновении небольших ударных нагрузок, которые от сферической головки 2 через элементы качения 4, сферические пяты 11 передаются на прослойку 14 из амортизационной жидкости, и, благодаря специфике свойств амортизационной жидкости, за счет ее сжимаемости создается эффект действия жидкостной пружины, чем обеспечивается возможность демпфировать эти нагрузки и автоматически поддерживать оптимальное поджатие сферических пят 11 к элементам качения 4, а элементов качения 4 к углублениям 3 сферической головки 2 вала, снижающих возможность появления между ними зазоров, и таким образом уменьшить динамические нагрузки в шарнире, и снизить возможность возникновения интенсивного износа его контактных элементов.
Постепенный износ контактных элементов шарнира (сферических поверхностей пят 11, элементов качения 4 и углублений 3 сферической головки 2) происходящий при возникновении значительного перекоса осей валов и действия динамических (ударных) нагрузок в процессе эксплуатации, приводит к увеличению зазоров между ними. Для устранения указанных зазоров необходимо освободить средства 13 самоотвинчивания и переместить винтовой шток 9, который воздействует на прослойку 14 из амортизационной жидкости, создает дополнительное давление на нее, которая в свою очередь, воздействуя на сферическую пяту 11, поджимает ее к шару, обеспечивая их плотное прилегание, устраняя зазоры (люфты) в шарнире. Усилие поджатия элементов качения 4 к рабочим поверхностям шарнира, создаваемое за счет перемещения штока 9, контролируется динамометрическим ключом. Образующиеся в процессе эксплуатации значительные зазоры в шарнире устраняются перемещение ползуна 8 по внутренней резьбе опорной втулки 6.
Операцию по устранению зазоров внутри шарнира перемещением винтового штока 9 по внутренней поверхности ползуна 8, а также перемещением ползуна 8 по внутренней резьбе опорной втулки можно производить, не вынимая шарнир из оборудования во время планово-профилактического обслуживания агрегата, не допуская, тем самым, незапланированных непроизводительных простоев оборудования прокатного стана.
Таким образом, заявляемая конструкция шарнира шпинделя прокатного стана за счет использования демпфирующих свойств амортизационной жидкости в средствах для поджатия соединительных элементов к рабочим поверхностям шарнира, обеспечения равномерного распределения напряжений по соединительному элементу качения, возникающих в процессе эксплуатации шарнира, регулирования усилия поджатия соединительных элементов к рабочим поверхностям шарнира, возможности устранения образующихся в процессе эксплуатации зазоров без разбора шарнира и выемки его из оборудования прокатного стана, обеспечивает повышение срока службы (долговечности) шарнира и снижает количество непроизводительных простоев прокатного оборудования.
Заявляемый шарнир шпинделя прокатного стана является, по сравнению с прототипом, более долговечным, что позволяет снизить непроизводительные простои прокатного оборудования.