УЗЕЛ РОЛИКОВ КОНВЕЙЕРА, СРЕДСТВО ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ОПОРЫ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛА РОЛИКОВ КОНВЕЙЕРА, ПРИМЕНЯЕМОГО В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СРЕДЕ
CONVEYOR ROLL ASSEMBLY, TORQUE AND SUPPORT TRANSMISSION DEVICE AND CONVEYOR ROLL ASSEMBLY METHOD USED IN HIGH-TEMPERATURE MEDIUM

Изобретение относится к узлу роликов конвейера, предназначенному для применения при высокой температуре и имеющему по меньшей мере на одном конце новую конструкцию для приведения его во вращение, а также к средству передачи крутящего момента и опоры и к способу сборки ролика и средства передачи крутящего момента и опоры.
Узел роликов конвейера, применяемый при высокой температуре, содержит по существу керамическую катушку. Как правило, керамическая катушка содержит плавленый кварц. Ролики из керамической композиции действительно превосходят металлические ролики в высокотемпературной среде. Однако керамические материалы достаточно сложны в обработке и хрупки. Кроме того, такие ролики нельзя непосредственно соединить с механизмом привода, необходимым для вращения роликов.
На предшествующем уровне техники были разработаны различные системы. В US-A1-4,230,475 раскрыт керамический ролик, зацепленный посредством сжимающего усилия между парой металлических шпинделей. Металлические шпиндели выровнены с каждым торцом керамического ролика на участке, проходящем в осевом направлении внутрь в углублении керамического ролика. На поверхности раздела между торцевыми поверхностями керамического ролика и головкой шпинделей наносят фрикционный материал. Этот фрикционный материал улучшает движущую силу вращения в направлении сжатия, обеспечивающую вращение керамического ролика. Однако от этой системы быстро отказались из-за трудностей в сборке.
Гораздо более предпочтительным является применение с керамическими роликами металлических торцевых элементов. Торцевые элементы легко монтируются на приводное средство. Однако торцевые элементы должны надежно присоединяться к катушке, таким образом позволяя катушке вращаться с требуемой скоростью. Эксцентричное вращение обычно нежелательно, так как это может приводить к образованию неровной опорной поверхности для транспортируемого изделия. Различие в коэффициентах термического расширения керамической катушки и металлических торцевых элементов затрудняет надежное крепление торцевых элементов к катушке и может приводить к эксцентричному вращению. Для решения этой проблемы были предложены различные способы. В патенте США №4,242,782 предложены крепежные торцевые элементы, в которых применяются резиновые кольца круглого сечения. Кольца круглого сечения могут стать пластичными и утратить удерживающую способность при повышенных температурах, что может вызывать эксцентричное вращение катушки и проскальзывание между торцевыми элементами и катушкой. Если уплотнительные кольца случайно подвергаются воздействию таких повышенных температур, они непременно утрачивают свою удерживающую способность, и даже когда температура возвращается к своему нормальному значению, проскальзывание все равно наблюдается. По этой причине крепление торцевых элементов к катушке с помощью кольца круглого сечения ограничено областями применения при низкой температуре (ниже 250°С).
В ЕР-В1-1853866 эти проблемы решаются путем обеспечения торцевого элемента с упрочняющим кольцом, расположенным между торцевым элементом и торцом керамической катушки, которое жестко и соосно удерживает торцевые элементы на керамической катушке в широком диапазоне применяемых температур. Торцевой элемент выдерживает временный перегрев: торцевой элемент и упрочняющее кольцо при нагревании расширятся, а размеры керамической катушки существенно не изменятся. Таким образом, удерживающая способность упрочняющего кольца уменьшится и катушка начнет проскальзывать в торцевом элементе. Когда температура вернется к обычному значению, размеры торцевого элемента и упрочняющего кольца вернутся к своим «обычным» величинам, а удерживающая способность полностью восстановится, что позволит избежать эксцентричного вращения. Торцевой элемент также прост в установке. Узел роликов конвейера также способен выдержать временное заклинивание или заедание линии, а также резкое ускорение или замедление.
Торцевые элементы с упрочняющим кольцом, как правило, обеспечивают широкий диапазон крутящего момента трансмиссии (до нескольких сотен Н⋅м). Однако при высокой температуре значение передаваемого крутящего момента может со временем уменьшиться. Авторы изобретения определили, что минимального значения крутящего момента трансмиссии достаточно для приведения роликов во вращение. Следовательно, в большинстве случаев приходится использовать системы торцевых элементов слишком большого размера.
Кроме того, элемент ролика уменьшает полезную площадь ролика и требует больше места для его соединения с приводным средством. Элементы роликов нельзя применять многократно, при этом стоимость их изготовления достаточно велика.
Другими недостатками, связанными с применением внешних торцевых элементов, являются следующие:
- потеря энергии из-за теплового мостика, который создают металлические элементы между камерой печи и внешней средой;
- невозможность открыть камеру печи для замены узла роликов конвейера при высокой температуре;
- невозможность создать в печи давление или контролируемую атмосферу;
- невозможность стандартизировать торцевые элементы, поскольку торцевые элементы имеют разную конструкцию в соответствии с геометрией установки.
Настоящее изобретение уменьшает все перечисленные выше недостатки. В печи применяются различные виды роликов (цельные или полые). Полые ролики предпочтительны, когда ролики подвергаются быстрым изменениям температуры или когда возможен прогиб роликов. В таких случаях желательно уменьшить тепловую инерцию и массу ролика. Соответственно, толщина полых роликов максимально уменьшается. При этом внутренний диаметр отверстия всегда превышает 3/4 наружного диаметра.
В WO 99/15305 раскрыт узел роликов для высокотемпературных применений, содержащий корпус ролика, изготовленный из никелеалюминидового сплава, и цапфы, изготовленные из более дешевого металлического материала. Цапфы прикреплены к корпусу ролика посредством механических соединителей, так что между ними при комнатной температуре имеется зазор, который при рабочей температуре уменьшается или смыкается из-за разных коэффициентов термического расширения между корпусом ролика и цапфами. Однако этот узел нельзя обработать под керамические ролики из-за низкого сопротивления керамики на разрыв и огромной разницы в коэффициентах термического расширения между металлом и керамикой.
В GB-A-2,129,752 раскрыт узел роликов конвейера, предназначенный для применения при высокой температуре, который содержит полую керамическую катушку, имеющую осевое центральное отверстие, и средство передачи крутящего момента, содержащее две полосы, параллельные продольной оси катушки, которые вставляются в два диаметрально противоположных круглых отверстия, предусмотренных в диске, закрывающем отверстие катушки. Этот диск зафиксирован по отношению к осевому и вращательному перемещению на керамической катушке двумя упругими полосами, с усилием вставленными в катушку. Целью упругих полос является передача крутящего момента, но полосы не поддерживают катушку. Катушка в действительности опирается на два промежуточных колеса (с каждого конца катушки) и соединена с подшипником посредством вращающихся штифтов. Узел также является очень громоздким. В JP-A-2012-207245 раскрыт полый керамический ролик, состоящий из керамической втулки и стального вала, соединенных посадкой с натягом. Чтобы избежать напряжения на участке контакта между стальным валом и керамикой, была оптимизирована геометрия стального вала, в частности толщина вала, который должен быть тонким. Задача заключается в том, чтобы передавать крутящий момент за счет трения, но с учетом большой разности в термическом расширении между сталью и огнеупорным материалом. Вал контактирует с роликом по всей поверхности. Узел роликов не является громоздким, но посадка с натягом требует очень точных размеров поверхности вала, контактирующей с роликом, вследствие чего изготовление узла будет более дорогостоящим. Кроме того, расчетные размеры поверхности вала будут варьироваться в зависимости от вида ролика: термические характеристики муллита действительно сильно отличаются от характеристик плавленого кварца. Соединение между валом и роликом оптимизировано для очень узкого диапазона температур и обычно требует охлаждения. В узле, описанном в JP-A-2012-207245, предложен полый ролик, охлаждаемый воздухом, с диаметром отверстия >3/4 наружного диаметра. Следует отметить, что такой вид соединения не будет работать при комнатной температуре и не может применяться повторно, так как демонтаж узла является проблемой.
Настоящее изобретение представляет собой узел роликов, в котором средство передачи крутящего момента и опоры может работать с роликами из различных материалов в широком диапазоне температур без необходимости в охлаждении и которое может применяться многократно. Это средство передачи крутящего момента и опоры передает крутящий момент, поддерживает ролик (при этом не требуются внешние средства опоры) и позволяет непосредственно присоединять его к подшипнику (или другому приводному средству), уменьшая требуемое пространство для соединения. Соединение осуществляется простым вдавливанием средства передачи крутящего момента и опоры внутрь отверстия ролика. Посадка с натягом не применяется. Передача крутящего момента осуществляется вследствие упругой механической деформации соединительного участка, а опора осуществляется вследствие наличия по меньшей мере опорной поверхности.
Фрикционное соединение между средством передачи крутящего момента и опоры, расположенным внутри отверстия керамической катушки, и керамической катушкой является достаточным для передачи крутящего момента от вращающего приводного средства к керамической катушке. Следует отметить, что специалист в данной области в большинстве случаев едва ли попытается разместить средство передачи крутящего момента и опоры в отверстии внутри керамической катушки из-за известной низкой прочности керамического материала на изгиб. Следует также отметить, что тот факт, что для приведения ролика во вращение достаточен очень низкий передаваемый крутящий момент, на предшествующем уровне техники никогда не был установлен. В соответствии с изобретением торцевой элемент больше не требуется и заменяется средством передачи крутящего момента и опоры, как описано в пл. 11-14 формулы изобретения. В случае временного перегрева средство передачи крутящего момента и опоры, расположенное внутри керамической катушки, в меньшей степени подвержено изменению температуры, поскольку оно несколько изолировано от внешней среды. При сильном увеличении температуры удерживающая способность будет увеличиваться из-за теплового расширения средства передачи крутящего момента и опоры, и процесс будет продолжаться без каких-либо возмущений.
Другими преимуществами изобретения являются следующие:
- изготовление средства передачи крутящего момента и опоры в соответствии с изобретением стоит дешевле, чем изготовление обычных торцевых элементов, в частности для роликов с очень большими диаметрами (например, LOR). Наружный торцевой элемент имеет значительный размер и достаточно дорог; в соответствии с изобретением наружные размеры средства передачи крутящего момента и опоры значительно уменьшены;
- средство передачи крутящего момента и опоры термически изолировано керамикой ролика, что позволяет рассматривать применение более высоких температур в печах;
- в случае непреднамеренного достижения высокого крутящего момента трансмиссии система будет действовать как предохранитель;
- узел является самоцентрирующимся. В действительности всегда существует контакт между керамической катушкой и средством передачи крутящего момента и опоры.
В настоящем изобретении предложено соединение, на которое практически не влияет температура, поскольку для настоящего изобретения лучше всего подходят цельные ролики. Напротив, надежность крепления наружных узлов обычно снижается с нагревом.
В настоящем изобретении предложен узел роликов конвейера, описанный в п. 1 формулы изобретения.
Керамическая катушка должна иметь прочность на изгиб по меньшей мере 15 МПа, что позволит катушке выдержать вставку средства передачи крутящего момента и опоры, которая может выполняться просто с применением киянки. Затем соединительный участок средства передачи крутящего момента и опоры подвергается механической и упругой деформации так, что оба элемента (средство и катушка) оказываются механически соединенными. Соединение осуществляется за счет трения, создаваемого упруго деформированным соединительным участком. Опорный участок средства передачи крутящего момента и опоры по существу не деформирован и служит для поддержки катушки изнутри. Средство передачи крутящего момента и опоры восстанавливает свою первоначальную форму после извлечения средства из керамической катушки. Следует отметить, что крутящий момент передается посредством соединительных поверхностей, которые расположены на наружной поверхности средства передачи крутящего момента и опоры. Диаметр (d) осевого центрального отверстия, которое принимает средство передачи крутящего момента и опоры, должен быть больше или равен 10 мм, но меньше 3/4 наружного диаметра (D) ролика. При диаметре более 3/4 D торец ролика становится хрупким, при этом для эффективного введения средства передачи крутящего момента и опоры требуется размер минимум 10 мм. Предпочтительно, чтобы диаметр отверстия был меньше или равен 1/3 наружного диаметра (D). Глубина (Dd) осевого центрального отверстия также является важным параметром. Могут применяться и полые ролики, но в большинстве случаев они представляют собой цельные детали с просверленным отверстием. Предпочтительно, чтобы глубина была по меньшей мере в 1,5 раза больше диаметра отверстия (d). При меньших значениях торец ролика также становится более хрупким и может возникнуть проблема соосности.
В первом варианте осуществления изобретения узел роликов конвейера содержит средство передачи крутящего момента и опоры, содержащее корпус, который имеет часть, выступающую из керамической катушки, выполненную с возможностью соединения с вращающим приводным средством, где соединительный участок расположен между корпусом и керамической катушкой. Корпус и соединительный участок представляют собой два отдельных элемента. Соединительный участок может представлять собой разомкнутое упрочняющее кольцо из упругого металла, имеющее множество расположенных по окружности волн. Упрочняющее кольцо установлено в канавку корпуса, чтобы предотвратить любое осевое смещение. Применение упрочняющего кольца не только упрощает установку, но и может компенсировать незначительные колебания диаметров внутреннего и наружного компонентов. Увеличение значения передачи крутящего момента наблюдалось, даже когда упрочняющее кольцо не могло свободно вращаться вокруг корпуса средства передачи крутящего момента и опоры. Для блокировки вращения средства передачи крутящего момента и опоры можно применять блокирующее средство, такое как штифт.
В целях оптимизации изготовления, логистики и затрат предпочтительным является узел роликов конвейера, в котором средство 3 передачи крутящего момента и опоры выполнено в виде одной детали. Соединительный участок содержит удлиненные отверстия, имеющие большую ось, параллельную продольной оси средства 3 передачи крутящего момента и опоры, причем указанные отверстия образуют удлиненные полосы, при этом указанные полосы содержат по меньшей мере один утолщенный участок.
Утолщенные участки 5 полос, которые являются отдельными соединительными поверхностями, предпочтительно расположены радиально, т.е. утолщенные участки распределены по окружности и отстоят друг от друга на некоторый угол.
Предпочтительно средство 3 передачи крутящего момента и опоры содержит газоотвод, такой как сквозной канал, по которому воздух может выходить из отверстия при установке средства 3 передачи крутящего момента и опоры внутрь керамической катушки.
Количество и конструкция утолщенных участков зависят от значения крутящего момента, которое требуется передать.
Было отмечено, что эти узлы роликов специально применяются в случаях, когда требуется передать малый крутящий момент. Когда требуется передать более высокие значения, например, когда требуется обеспечить разные скорости роликов, на одном торце керамической катушки можно применять торцевой элемент, описанный в ЕР-В1-1853866, а торцевой элемент на втором торце можно преимущественно заменить настоящим средством 3 передачи крутящего момента и опоры.
Керамическая катушка 2 обычно содержит плавленый кварц.
Настоящее изобретение также относится к средству 3 передачи крутящего момента и опоры, имеющему в целом цилиндрическую форму и имеющему продольную ось, которое применяется в роликах и которое содержит корпус, опорный участок, содержащий по меньшей мере одну цилиндрическую опорную поверхность 10, и соединительный участок, содержащий по меньшей мере две различных соединительных поверхности, где соединительный участок содержит удлиненные отверстия, имеющие большую ось, параллельную продольной оси средства 3 передачи крутящего момента и опоры, причем указанные отверстия образуют удлиненные полосы, при этом указанные полосы содержат по меньшей мере один утолщенный участок. Соединительный участок выполнен с возможностью механической и упругой деформации.
Предпочтительно, чтобы соединительный участок располагался между двумя цилиндрическими опорными поверхностями 10. Это позволяет оптимизировать опорную функцию цилиндрических поверхностей.
Один предпочтительный вариант осуществления представляет собой средство 3 передачи крутящего момента и опоры, описанное выше в настоящем документе, в котором опорный участок отделен от участка, выполненного с возможностью соединения с приводным средством, с помощью кольца, имеющего диаметр, который больше наружного диаметра опорного участка. Контактная поверхность 4 кольца 9 обеспечивает непосредственное позиционирование при введении средства 3 передачи крутящего момента и опоры внутрь керамической катушки. Соединительный участок подвергается механической и упругой деформации для обеспечения фрикционного соединения с керамической катушкой.
Изобретение также относится к способу изготовления узла роликов конвейера, содержащему следующие этапы:
- обеспечение керамической катушки, имеющей прочность на изгиб по меньшей мере 15 МПа, с наружным диаметром D, где по меньшей мере на одном торце керамической катушки имеется осевое центральное отверстие диаметром 10 мм<d< D и глубиной Dd>1,5 d,
- обеспечение средства 3 передачи крутящего момента и опоры, имеющего продольную ось, содержащего:
b1. опорный участок, содержащий по меньшей мере одну цилиндрическую опорную поверхность 10, и
b2. соединительный участок, содержащий по меньшей мере две отдельные соединительные поверхности,
- введение средства 3 передачи крутящего момента и опоры, предусмотренного в по меньшей мере указанном отверстии керамической катушки 2; затем соединительные поверхности фрикционно соединяют средство 3 передачи крутящего момента и опоры с керамической катушкой 2 так, чтобы механически и упруго деформировать соединительный участок и фрикционно соединить средство 3 передачи крутящего момента и опоры с керамической катушкой 2.
Для более полного понимания изобретения приведено подробное описание, основанное только на примерах, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в котором:
- на Фиг. 1 представлен вид в перспективе узла роликов конвейера в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения,
- на Фиг. 2 представлен вид в перспективе узла роликов конвейера в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения,
- на Фиг. 3 представлен вид в перспективе средства 3 передачи крутящего момента и опоры, изображенного на Фиг. 2, в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления.
На Фиг. 1 показан узел, состоящий из керамической катушки 2 и средства передачи крутящего момента и опоры, содержащий корпус 6, имеющий деталь, выполненную с возможностью соединения с вращающим приводным средством, и соединительный участок, например, упрочняющее кольцо 7, расположенный между корпусом и керамическим элементом. Блокировочное средство 8 блокирует возможное вращение упрочняющего кольца 7.
На Фиг. 2 показаны геометрические характеристики керамической катушки 2. D представляет собой наружный диаметр керамической катушки 2; d представляет собой диаметр осевого центрального отверстия керамической катушки 2; Dd представляет собой глубину осевого центрального отверстия керамической катушки 2.
На Фиг. 3 показано средство 3 передачи крутящего момента и опоры в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления. Средство передачи крутящего момента и опоры выполнено в виде одной детали и имеет в целом цилиндрическую форму с продольной осью. Средство 3 передачи крутящего момента и опоры содержит опорный участок, содержащий две цилиндрические опорные поверхности 10, и соединительный участок, содержащий по меньшей мере две отдельные соединительные поверхности, причем соединительный участок содержит удлиненные отверстия, имеющие большую ось, параллельную продольной оси средства 3 передачи крутящего момента и опоры, при этом указанные отверстия образуют удлиненные полосы, при этом указанные полосы содержат по меньшей мере один утолщенный участок 5.
Было выполнено определение крутящего момента, и средство 3 передачи крутящего момента и опоры настоящего изобретения позволяет передавать крутящий момент до 18 Н⋅м.
Даже после нагревания до 300°С средство 3 передачи крутящего момента и опоры все еще было способно передавать крутящий момент более 15 Н⋅м.
Перечень обозначений
1. Узел, состоящий из керамической катушки и средства 3 передачи крутящего момента и опоры
2. Керамическая катушка
3. Средство 3 передачи крутящего момента и опоры
4. Контактная поверхность кольца 9
5. Утолщенный участок
6. Корпус средства 3 передачи крутящего момента и опоры
7. Упрочняющее кольцо
8. Штифт
9. Кольцо
10. Опорная поверхность
D представляет собой наружный диаметр керамической катушки 2;
d представляет собой диаметр осевого центрального отверстия керамической катушки 2;
Dd представляет собой глубину осевого центрального отверстия керамической катушки 2.