Прямоточный волочильный стан для грубо-среднего волочения проволоки
STRAIGHT-THROUGH DRAWING MILL FOR COARSE-AVERAGE WIRE DRAWING

Изобретение относится к волочильному и калибровочному производствам, в частности, к многократным волочильным станам, производящим грубо-среднее волочение проволоки с 6,5 до 1,8 мм.
Известен «Прямоточный волочильный стан», включающий последовательные волоки и соответствующие им, установленные на параллельных между собой 2-опорных приводных валах тяговые волочильные барабаны, рабочие поверхности которых выполнены в виде усеченных конусов, причем каждая волока размещена в плоскости  основания конической рабочей поверхности соответствующего ей тягового барабана, причем рабочие поверхности четных и нечетных по порядку протяжки проволоки тяговых волочильных барабанов выполнены с взаимно обратными конусностями (RU 2144854, В21С 1/08, 27.01.2000, №3).
Хотя такая конструкция прямоточного волочильного стана позволяет повысить качество металла обрабатываемой проволоки за счет уменьшения степени деформационного упрочнения из-за исключения других изгибающих деформаций проволоки, кроме необходимой намотки на тяговые барабаны.
Недостаток этого прямоточного стана относится неприспособленность его конструкции к изготовлению, сборке, наладке и настройке в условиях малого предприятия. Например, двух опорные приводные валы барабанов - несущие, то есть воспринимающие тяговую нагрузку на каждый барабан, и их (и их подшипники) необходимо выполнять специально усиленными.
Кроме того, для привода каждого тягового волочильного барабана такого стана должен быть использован электродвигатель только постоянного тока, так как необходимым условием конструирования волочильного стана именно прямоточного типа является равное распределение вращающих моментов по приводным валам барабанов, а их излишки перераспределяются по всем приводным валам через противонатяжения для каждой волоки. Это обычно достигается последовательным включением приводных электродвигателей в цепь источника постоянного тока, то есть понижающего трансформатора с полупроводниковым выпрямителем с тиристорной схемой управления, что в совокупности является сложным и в настоящее время весьма дорогостоящим.
Известен также «Дифференциал» [Петров Г.Г., Удлер Э.И. Трансмиссия автомобилей (анализ конструкций, основы расчета): учебное пособие. - Томск: изд-во Том. гос. арх.-строит. ун-та, 2008, 256 с., с. 201].
Дифференциал - механизм трансмиссии, обеспечивающий распределение подводимых крутящих моментов между выходными валами и позволяющий ведомым валам вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями.
Дифференциал, в отличие от упомянутых приводных электродвигателей в цепи постоянного тока (понижающий трансформатор, полупроводниковый выпрямитель, тиристорная схема управления), способствует достижению поставленной цели простыми, доступными и дешевыми средствами. Необходимое условие конструирования прямоточного волочильного стана - равномерное распределение вращающих моментов по всем приводным валам (шпинделям) барабанов и перераспределение их излишков по шпинделям тяговых барабанов посредством противонатяжений.
Недостатками дифференциальной передачи крутящих моментов и угловых скоростей вращения являются ее использование, как правило, в конструкциях трансмиссий приводов автомобильных транспортных средств (1). Применение дифференциальной передачи возможно только между двумя волочильными барабанами, в результате чего волочильный стан получится только 2-кратным, не более, так как дифференциальная передача применима только между полуосями ведущих (как правило, задних) колес автомобиля (2).
Также известна «Раздаточная коробка с дифференциальным приводом» [Петров Г.Г., Удлер Э.И. Трансмиссия автомобилей (анализ конструкций, основы расчета): учебное пособие. - Томск: изд-во Том. гос. арх.-строит. ун-т, 2008, 256 с., с. 143]. Раздаточная коробка предназначена для передачи и распределения крутящих моментов между ведущими мостами многоприводных автомобилей. По характеру деления силового потока раздаточные коробки могут быть … с дифференциальным приводом.
Этот аналог, при использовании его наряду с дифференциалом между полуосями ведущего моста, может размещаться между ведущими мостами, если их несколько и способен устранить 2-й недостаток: объединенные попарно волочильные барабаны кинематически объединить в единую дифференциальную цепь. В результате этого, после исключения 1-го недостатка, касающегося области применения, получим многократный волочильный стан прямоточного типа.
Известно также «Тяговое устройство волочильного стана». Тяговое устройство волочильного стана включает раму, установленный в раме на подшипниках приводной вал, на его консольном конце жестко закреплен волочильный барабан, имеющий профилированную рабочую поверхность с галтелью. Рама снабжена полым, охватывающим приводной вал патрубком, а барабан снабжен дополнительной опорой, установленной на этом патрубке с помощью пары подшипников, симметрично размещенных по обе стороны оси галтели барабана (RU 2029643, МПК В21С 1/14, 27.02.1995, №6).
Главное отличительное свойство данного известного изобретения - разделение характерных функций шпинделя барабана. Первая его функция -передача барабану крутящего момента и угловой скорости вращения, т.е. функция, благодаря которой шпиндель - элемент привода вращения барабана. Вторая функция - несущая, т.е. шпиндель воспринимает и силовую нагрузку от натяжения проволоки. Таким образом, приводную функцию шпинделя здесь выполняет приводной вал (полуось), а несущую - полый патрубок с дополнительной опорой барабана.
Недостаток «Тягового устройства волочильного стана»: высокие затраты на изготовление волочильного стана из-за применения нестандартных узлов и деталей.
Прототип предполагаемого изобретения - известный «Многократный прямоточный волочильный стан для калибровки заготовок» (SU 2539520, МПК В21с 1/12, 20.01.2015, №2).
Многократный прямоточный волочильный стан для калибровки заготовок включает раму, закрепленный на ней опорный патрубок, установленный на патрубке между подшипниками тяговый барабан, связанный с приводным двигателем через коробку скоростей понижающий редуктор, связанный с тяговым барабаном выходной вал редуктора.
Кроме того, в качестве элемента, обеспечивающего равенство крутящих моментов на каждой паре связанных между собой дифференциальными механизмами барабанов, может быть применена раздаточная коробка с дифференциальным приводом вращения от трансмиссии грузового автомобиля.
Кроме того, тяговый барабан может быть выполнен ступенчатым; между ступенями может быть осуществлена дифференциальная связь.
Кроме того, мягкие и упругие элементы подвески автомобильной трансмиссии на автомобильной раме могут быть заменены жесткими.
Кроме того, в качестве автомобильной рамы может быть использован набор отдельных опор.
Главный недостаток прямоточного волочильного стана-прототипа - отсутствие эффективного противонатяжения на 1-м переходе, что значительно снижает эффективность работы этого известного стана в целом.
Задача предлагаемого изобретения - отказ от указанного недостатка, т.е. приспособление конструкции и компоновки привода волочильного стана к эффективному применению волочильного инструмента, особенно на 1-м переходе, к работе с противонатяжением, а именно:
- приспособление компоновочной схемы привода волочильного стана к работе с эффективными противонатяжениями на всех переходах;
- снижение затрат электроэнергии на работу волочильного стана данной конструкции, с автомобильной трансмиссией в качестве привода.
Задача изобретения осуществляется таким образом, что в прямоточном волочильном стане для грубо-среднего волочения проволоки диаметрами с 6,5 по 1,8 мм, включающем раму грузового автомобиля с закрепленными на ней следующими элементами автомобильной трансмиссии:
- коробкой переключения передач в качестве коробки скоростей. Действительно, принято, что механизм регулирования скоростей вращения и вращающих моментов вала называют «коробкой переключения (перемены) передач (КПП)», а в случае для металлообрабатывающих станков или технологических машин - коробкой скоростей;
- карданными валами в качестве звеньев, передающих вращение. Действительно, такие передачи осуществляют механическую связь между элементами кинематической цепи;
- раздаточными коробками с дифференциальными механизмами связи ведущих мостов с карданными валами и коробкой скоростей. Действительно, такой механизм способствует снижению износа механизмов автомобильной трансмиссии при поворотах и на неровностях дороги, т.к. при этом радиусы закругления пути и скорости вращения колес различны;
- главными передачами в качестве понижающих редукторов с дифференциальными механизмами связи между полуосями дисков ведущих колес. Действительно, наличие дифференциалов при главных передачах определяет самостоятельный и независимый выбор скоростей вращения полуосей (шпинделей) барабанов и распределение между шпинделями крутящих моментов;
- полуосями ведущих колес в качестве шпинделей барабанов, причем на дисках колес могут быть закреплены тяговые барабаны (или заменены ими). Действительно, принятые термины «полуось» и «шпинель» обозначают подобные детали - носители рабочих органов вращения;
- полуоси закреплены в подшипниках опорных патрубков, прикрепленных к автомобильной раме. Действительно, это должно быть, если полуоси колесных дисков не будут способны воспринять нагрузку от усилия волочения;
- дифференциальными механизмами. Действительно, они применены как средства для равенства крутящих моментов на выходах из главных передач.
Кроме того, заявляемый прямоточный волочильный стан включает следующие компоновочные признаки:
- с левой передней полуосью автомобильной трансмиссии связан 1-й волочильный барабан. Действительно, согласно техническому решению-прототипу, если предположить, что стан не 4-кратный, как в прототипе, а 6-кратный, а катанка - передельная проволока огибает раму с трансмиссией против часовой стрелки, начиная с левой передней полуоси трансмиссии;
- с левой средней полуосью автомобильной трансмиссии связан 2-й волочильный барабан. Действительно, по указанному ходу протяжки проволоки;
- с левой задней полуосью автомобильной трансмиссии связан 3-й волочильный барабан. Действительно, это также по ходу проводки проволоки;
- в качестве элемента, задающего траекторию проводки проволоки после ее схода с 3-го барабана к волочильному инструменту перед 4-м волочильным барабаном установлен наклонный ролик диаметром, равным ширине колеи автомобиля, он установлен с возможностью его свободного вращения. Действительно, благодаря этому, передельная проволока переходит, например, с верхнего края 3-го барабана к волочильному инструменту перед нижним краем 4-го волочильного барабана;
- с правой задней полуосью автомобильной трансмиссии связан 4-й волочильный барабан. Действительно, и это также по ходу проводки проволоки;
- с правой средней полуосью автомобильной трансмиссии связан 5-й волочильный барабан. Действительно, и это по ходу проводки проволоки,
согласно предполагаемому изобретению,
- с передней правой полуосью автомобильной трансмиссии связан 0-й барабан. Действительно, он не волочильный, т.к. перед ним нет волочильного инструмента, а просто натяжной, холостой;
- передние правый натяжной (0-й) и левый волочильный (1-й) барабаны связаны обводным свободно вращающимся роликом, установленным горизонтально. Действительно, включение в кинематическую цепь связанных межосевым дифференциалом 0-го и 1-го барабанов будет взаимно обратным;
- далее установлен 2-й волочильный барабан, он связан межосевым дифференциалом с правой полуосью (шпинделем) 5-го, последнего волочильного барабана. Действительно, при этом крутящий момент на выходе из главной передачи между шпинделями 2-го и 5-го барабанов делится пополам.
Кроме того, 5-й барабан может быть выполнен накопительным для формирования мотка готовой проволоки, либо через другой свободно вращающийся ролик он может быть связан со шпуленамоточным аппаратом;
- далее расположен левый 3-й волочильный барабан, шпиндель которого межосевым дифференциалом связан со шпинделем правого 4-го волочильного барабана. Действительно, и это по ходу проводки проволоки;
- 3-й и 4-й волочильные барабаны связаны передающим передельную проволоку с верхних краев барабанов левой стороны рамы на нижние края барабанов правой стороны рамы наклонным обводным роликом, который может свободно вращаться. Его диаметр равен ширине колеи автомобиля;
- далее по ходу передельной проволоки расположен уже упомянутый 5-й волочильный барабан.
Кроме того, 5-й волочильный барабан может быть выполнен накопительным. Действительно, если галтель барабана снабдить конической накопительной частью, диаметры которой несколько меньше диаметров галтели.
Кроме того, 5-й волочильный барабан может быть выполнен только с галтелью для передачи передельной проволоки на шпуленаматыватель.
Прямоточный волочильный стан для грубо-среднего волочения проволоки схематически изображен на фигуре 1. Направление схода витков катанки 2 с бунта 1 показано контурной стрелкой. Направления вращения обводных роликов 6, 18 показаны круглыми стрелками. Чтобы не загромождать чертежа, рама автомобиля (основа для крепления элементов трансмиссии) не показана; показаны лишь места (сварные швы) крепления патрубков с закрепленными в подшипниках полуосями на раме. Возможный наклон обводных роликов к горизонту также никак не отображен.
Прямоточный волочильный стан для грубо-среднего волочения проволоки устроен следующим образом:
На консольном размоточном устройстве (не показано) навешен бунт 1 катанки 2, далее по ее ходу расположено роликовое правильное устройство 3, направляющее катанку в ручей ролика 4, направляющего катанку на галтель 0-го, натяжного барабана 5, перед которым нет волоки. Ролик 4 нужен для возможности размещения размоточной консоли и правильного устройства вне рамы (не показана) автомобиля и для удобства доступа к бунту 7 исходной катанки. Барабаны 5 и 9 закреплены в подшипниках патрубков 8, прикреплены к раме (не показана) например, сварочными швами 10. Шпиндели (полуоси колес) барабанов связаны дифференциалами главных передач 11. Но порядку проводки катанки 2 барабаны 5 и 9 связаны обводным роликом 6 диаметром, равным ширине колеи автомобиля. Поскольку барабан 5 - натяжной, обводной ролик 6 - горизонтальный. Барабан 9 - волочильный, и перед ним установлен волочильный инструмент 7. Кроме того, барабаны 5 и 9 связаны главной передачей 11 с дифференциальным механизмом. Все 5-ть волочильных барабанов (9, 16, 17, 19, 21) имеют единственный общий приводной асинхронный электродвигатель 12 переменного тока, соединенный с единственной коробкой 12 скоростей, в качестве которой используется автомобильная коробка переключения передач. Далее привод барабанов осуществляется через раздаточные коробки 14 и карданные валы 15. Далее, таким же образом осуществляется привод 2-го 16 и 5-го 21 барабанов (средний мост автомобиля). Последний, 5-й барабан - накопительный, на нем формируются мотки готовой проволоки. Далее, подобным же образом выполнен привод вращения 3-го 17 и 4-го 19 промежуточных барабанов (заднего моста автомобиля). Кроме того, эти барабаны (17 и 19) связаны роликом 18, его ручей служит передаче передельной проволоки с нижнего края 3-го 17 барабана на верхний край 4-го 19 барабана, поэтому ролик наклонный. Если перед 1-м 9, 2-м 16, 3-м 17 и 4-м 19 барабанами установлены волочильные инструменты с г/д-режимом захвата и нагнетания в деформационную зону технологической смазки, то перед последним, 5-м 21 барабаном установлен волочильный инструмент 20 для чистового перехода (или для калибровки на конечный диаметр) передельной проволоки. Как уже было сказано, последний, 5-й, накопительный волочильный барабан 21 предназначен для формирования мотка готовой проволоки.
Прямоточный волочильный стан для грубо-среднего волочения проволоки действует следующим образом.
В волочильный стан из подвешенного бунта 1 заправляют исходную катанку 2 (фиг. 1). Далее катанка с помощью роликового правильного аппарата 3 и направляющего ролика 4 поступает на 0-й (натяжной) барабан 5, создающий противонатяжение. Через обводной горизонтальный ролик 6 оно действует на 1-й волочильный инструмент 7, состоящий, например, из секционной волоки с гидродинамическим нагнетанием технологической смазки в зону деформации. Ролик 6 горизонтальный, и барабан 5 создает обратный крутящий момент, тормозящий катанку и создающий противонатяжение. Далее катанка поступает на 1-й волочильный барабан 9, развивающий усилие волочения. После 3...4 витков, достаточных для развития усилия волочения, передельная проволока поступает во 2-й промежуточный волочильный инструмент 7, усилие протяжки через который развивает 2-й волочильный барабан 16. Таким же образом передельная проволока поступает в 3-й волочильный инструмент 7 и наматывается на 3-й волочильный барабан 17. Далее проволока огибает свободно вращающийся обводной ролик 18, диаметр которого равен ширине колеи. Этот ролик наклонный, он передает проволоку на подобный же волочильный инструмент 7, расположенный перед волочильным барабаном 19. Далее передельная проволока поступает в волочильный инструмент 20, закрепленный перед чистовым волочильным барабаном 21, который, например, формирует моток готовой проволоки.
Технологические нагрузки на барабаны 5, 9, 16, 17, 19 и 21 передаются раме (не показана) через опорные патрубки 8 и жесткие сварные соединения 10, минуя полуоси (не обозначены). При этом, благодаря наличию в составе главных передач 11 и раздаточных коробок 14 дифференциальных механизмов, крутящие моменты распределяются по редукторам (главным передачам ведущих мостов) и полуосям барабанов в равных пропорциях (если диаметры галтелей барабанов выполнены равными). Кроме того, это дает возможность применять единственный общий электродвигатель для привода всех 6-ти барабанов, что значительно снижает первоначальные затраты и затраты на эксплуатацию. Скорости вращения шпинделей барабанов (полуосей дисков колес) согласуются сами собой, подобно скоростям вращения ведущих колес автомобиля при езде по неровностям дороги, при повороте или пробуксовке.
Доводы в пользу того, что, благодаря принятым новым конструктивным признакам, задача предполагаемого изобретения выполняется, в следующем.
Для того, чтобы, согласно возможности применения технического решения-прототипа «Многократный прямоточный волочильный стан для калибровки заготовок», осуществлять грубо-среднее волочение с высокой эффективностью, т.е. с эффективным использованием противонатяжения. Для этого необходимо изменить конструктивную схему и компоновку прямоточного волочильного стана-прототипа так, чтобы на всех переходах (в т.ч. на 1-м), эффективно использовалось противонатяжение.
Для осуществления грубо-среднего волочения (∅ 6,5-1,8 мм) нужен 6-кратный волочильный стан. Если он будет выполнен по известному техническому решению-прототипу, противонатяжение для 1-го перехода нужно будет создавать искусственно, простым торможением катанки на входе в 1-ю волоку. У этого метода получения противонатяжения есть существенные недостатки: 1) безвозвратные потери энергии, подводимой к приводу; 2) если торможение осуществлять изгибами в роликах, то будет иметь место деформационное упрочнение (наклеп) катанки при изгибах; 3) если будет иметь место простое трение катанки о какой-то материал, то мы будем иметь дело с затратным износом этого материала, загрязнением окружающей среды и самой технологии (продукты износа будут попадать в волоки).
Во избежание этого, в предлагаемое техническое решение были введены новые конструктивные признаки.
С передней правой полуосью трансмиссии связан 0-й барабан 5 (фиг. 1); с передней левой полуосью трансмиссии связан 1-й волочильный барабан 9, а оба - передние правый натяжной и левый волочильный барабаны связаны обводным свободно вращающимся роликом 6, установленным горизонтально. Действительно, т.к. включение в кинематическую цепь этих, связанных межосевым дифференциалом 0-го и 1-го барабанов взаимно обратное, к 0-му барабану 5 от общего приводного электродвигателя будет приложен обратный, тормозящий крутящий момент. Задача изобретения выполняется, поскольку энергия на торможение 0-го барабана не расходуется: автомобильная трансмиссия - единая механическая система, и энергия, затрачиваемая на принудительное вращение 0-го барабана, благодаря дифференциальным механизмам и противонатяжениям, в конечном счете, также расходуется на вращение волочильных барабанов и составляет одну из статей экономии.
Остальные признаки новизны отражают изменение порядка нумерации волочильных барабанов из-за замены 1-го волочильного на 0-й натяжной. При этом стан становится 5-кратным, но благодаря передовому признаку прямоточности и применению более совершенных волочильных инструментов удастся повысить частные обжатия с тем, чтобы чистовой диаметр проволоки стал тонким 1,8 мм. Итак, 5-кратность - 2-я статья экономии.
Кроме того, применение на всех 5-ти переходах волочильного инструмента с гидродинамическим режимом захвата и нагнетания технологической смазки в зону деформации с повышением из-за этого качества проволоки в плане механических свойств и износостойкости волок - 3-я статья экономии и дополнительных доходов.
При использовании сборных волок с гидродинамической подачей и нагнетанием технологической смазки в деформационную зону на промежуточных переходах противонатяжения обеспечат оптимальное напряженно-деформированное состояние в металле между обжимающими волоками рабочей секции волочильного инструмента. Это обеспечит сохранение микрорельефа на поверхности передельной проволоки, близкого к микрорельефу поверхности катанки, эффективно захватывающего и увлекающего технологическую смазку в деформационную зону. Такой режим напорного смазывания в зоне деформации обеспечит частные обжатия, близкие к предельным, на каждом промежуточном переходе.
На чистовом переходе волочильный стан прямоточного типа обеспечит достаточно высокую чистоту поверхности готовой проволоки, минимальное деформационное упрочнение металла и точные форму и размер ее сечения.
Не смотря на то, что в данном, заявляемом случае с использованием трансмиссии грузового автомобиля не менее чем с 3-мя ведущими мостами для 6-кратности волочения с достижением тонких размеров проволоки 2,0…1,8 мм, в результате имеем 5-кратный стан, ожидаемый результат, несомненно, будет достигнут благодаря увеличению частных обжатий в самых желательных условиях волочения с адекватным противонатяжением.
Стан прямоточный, и рабочая поверхность барабана - только галтель. На ней намотано лишь 4-5 витков, не более, и этим достигается экономия металла на изготовление барабана и высокая компактность такого стана. При этом галтель барабана может располагаться симметрично опорным подшипникам, и технологические нагрузки на них снижены, т.к. они распределены поровну.
Таким образом, появляется возможность создания прямоточного волочильного стана для грубо-среднего волочения проволоки своими силами, или в условиях малого предприятия, например, проблемной научно-исследовательской лаборатории при вузе. Это - стан прямоточного типа, т.е. такой, что может обеспечить самые технологичные условия процесса волочения - волочение с задаваемым и контролируемым противонатяжением.
Предполагаемое изобретение во всей совокупности своих конструктивных признаков, основанных на передовых технологиях, повысит степень сбережения энергии более эффективным и экономичным процессом волочения.
Кроме того, заявляемая схема прямоточного волочильного стан для грубо-среднего волочения проволоки позволит заказчику изготавливать и использовать его в условиях малого предприятия, например, для изготовления порошковой проволоки.
Кроме того, это позволит вести в малом предприятии исследовательскую работу по изучению, совершенствованию и испытаниям новых технологий и оборудования для их реализации в условиях, близких к промышленным.
Кроме того, авторский коллектив данного возможного изобретения полагает, что оно, наряду с изобретением-прототипом, является центральным в изобретательском замысле. Такой стан, при правильном выборе его соответствующей кратности, является хорошей базой и для создания поточных линий, включающих многие устройства, защищенные патентами, а также устройства, которые должны быть придуманы, разработаны и испытаны в условиях прямоточного волочения с противонатяжением. Тем более, потребность в этом есть.