ОПОРНЫЙ УЗЕЛ
SUPPORT ASSEMBLY

Изобретение относится к опорному узлу для использования в металлургии, содержащему валок с бочкой и двумя шейками и, по меньшей мере, одну втулку для размещения без возможности проворота одной из шеек без радиального зазора.

Из уровня техники известны опорные узлы, в которых шейка валка размещена в цилиндрической или конической втулке. Например, в прокатных станах используются подшипники жидкостного трения для опорных валков, которые передают прокатные усилия от нажимных цилиндров на рабочие валки. При этом речь идет о высоконагружаемых подшипниках скольжения, работающих в большинстве случаев в диапазоне высоких чисел Зоммерфельда, т.е. при относительно низкой частоте вращения и при высокой нагрузке. В случае очень высоких давлений, отчасти свыше 1500 бар, возникающих в зоне нагрузки, происходит упругая деформация или уплощение нагруженных давлением поверхностей. За счет этого уплощения в упругом диапазоне возникает большая, оказывающая давление поверхность против направления действия внешней силы, прикладываемой, например, нажимным цилиндром. Следовательно, подшипник может нести больше нагрузки. Этот эффект называется эластогидродинамическим повышением несущей способности. Для большего усиления этого эффекта используются так называемые подшипники Morgoil-KLX, содержащие тонкостенную коническую втулку шейки в качестве рабочей поверхности (US 6468194 или ЕР 1213061).

Из публикации «Newsletter 01/2009, SMS Group», 16-й год издания, №1, апрель 2009 г., с. 50, 51 известны подшипники Morgoil-KLX для опорного узла, в которых втулка насажена на коническую шейку валка. Для передачи крутящего момента между втулкой и шейкой расположена призматическая шпонка.
В ЕР 1651876 В1 описан подшипник жидкостного трения для шейки валка, причем насаженная на шейку втулка окружена расположенной в подушке подшипниковой втулкой.
Из DE 60303052 D2 известен подшипник жидкостного трения для использования в прокатных станах, содержащий цилиндрическую втулку для поддержания с возможностью вращения поверхности шейки валка, причем втулка снабжена углублениями для смазочного средства.
В DE 3876663 Т2 описана цилиндрическая втулка для поддержания огибающего подшипника на гидродинамической смазочной пленке.
Недостатки известных до сих пор решений заключаются в том, что для передачи очень высоких нагрузок предусмотрен соответствующий нагрузкам большой размер опоры.
В основе изобретения лежит задача дальнейшего повышения несущей способности опорного узла без увеличения его конструктивного или монтажного размера.
Эта задача решается согласно изобретению посредством признаков п. 1 формулы. Изобретение описывает опорный узел для использования в металлургии, содержащий валок с бочкой и двумя шейками и, по меньшей мере, одну втулку для размещения без возможности проворота одной из шеек без радиального зазора. Опорный узел особенно отличается тем, что в ненагруженном состоянии между втулкой и шейкой образована огибающая полость.
В зависимости от максимального опорного усилия полость предварительно точно рассчитана. Она выполнена в виде вращательно-симметричной кольцевой щели в смысле окружного полого профиля в плоскости перпендикулярно продольной оси опорного узла.
За счет полости между втулкой и шейкой возникает увеличенное свободное пространство, в которое втулка может уплощаться под нагрузкой в пространственной области силового воздействия. В результате уплощения втулки шейки увеличивается оказывающая давление поверхность для восприятия усилий, и заметно повышается нагружаемость опорного узла без необходимости увеличения его конструктивного размера. Подробности см. в разделе «Принцип действия» в конце описания.
Согласно первому варианту предусмотрено, что полость увеличена и ограничена за счет вращательно-симметричной вогнутости боковой поверхности шейки валка и/или внутренней боковой поверхности втулки шейки.
В другом варианте предусмотрено, что боковая поверхность шейки валка и/или внутренняя боковая поверхность втулки шейки в зоне своей вогнутости, если смотреть в продольном разрезе опорного узла, по меньшей мере, на отдельных участках имеет контур в форме прямой, синусоиды, многоугольной кривой R(x) n-й степени или их комбинации. Чтобы обеспечить стабильную посадку втулки на шейке валка без радиального зазора, втулка и шейка имеют в радиальном направлении рядом с полостью примыкающие друг к другу поверхности прилегания.
Далее предусмотрено, что контур боковой поверхности шейки валка или контур внутренней боковой поверхности втулки шейки в зоне своей вогнутости, если смотреть в продольном разрезе опорного узла, в переходной зоне между двумя соседними участками профиля непрерывный и дифференцируемый. Предпочтительным образом это обеспечивает плавные переходы без кромок между отдельными участками профиля, чтобы избежать этим, прежде всего, в случае нагрузки образования вмятин, например бороздок, на действующих друг на друга боковых поверхностях втулки и шейки. Предпочтительным образом это исключает также недостатки возможного влияния надреза.
Далее предусмотрено, что контур боковой поверхности шейки валка или контур внутренней боковой поверхности втулки шейки в зоне своей вогнутости, если смотреть в продольном разрезе опорного узла, коррелирует с распределением опорного усилия в осевом направлении, так что под нагрузкой локально достигается максимально большое уплощение втулки шейки в ее упругой области, которое приводит к увеличению несущей способности опорного узла при неизменном конструктивном размере.
Далее, согласно изобретению предусмотрено, что боковая поверхность шейки валка и внутренняя боковая поверхность втулки шейки выполнены в форме усеченного конуса. Предпочтительным образом это позволяет легко устанавливать втулку через конус на шейку валка и снимать с нее.
В одном альтернативном предпочтительном варианте предусмотрено, что боковая поверхность шейки валка и внутренняя боковая поверхность втулки шейки выполнены в форме цилиндра. При этом для создания соединения с силовым замыканием без радиального зазора втулка предпочтительным образом напрессовывается в горячем состоянии на шейку валка.
Далее, согласно изобретению предусмотрено, что валок представляет собой опорный или промежуточный или рабочий валок для использования в прокатной клети.
Согласно одному варианту предусмотрено, что узел содержит, по меньшей мере, одну подушку с подшипниковой втулкой, в которой втулка шейки с шейкой валка или с валком установлена с возможностью скольжения с использованием несущей масляной пленки между обеими втулками.
В целом, предложенный узел дает возможность простой и недорогой замены имеющихся опорных узлов, например внутри прокатного стана, предложенными опорными узлами для повышения несущей способности опоры без необходимости изменения имеющегося монтажного пространства. Предложенный узел легко устанавливается. В случае ремонта возможна его простая и быстрая замена.
Другие преимущества и подробности изобретения приведены в зависимых пунктах формулы и нижеследующем описании, в котором более подробно поясняются изображенные на чертежах варианты осуществления изобретения. При этом наряду с приведенными выше комбинациями признаков существенными для изобретения являются также признаки по отдельности или в других комбинациях.
Описание чертежей
Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
фиг. 1 - валок с профилированной цилиндрической втулкой шейки;
фиг. 2 - валок с профилированной конической втулкой шейки;
фиг. 3а-3с - различные конфигурации профиля боковой поверхности шейки валка и/или внутренней боковой поверхности втулки шейки;
фиг. 4 - упругую деформацию втулки шейки в разрезе в зоне максимальной полости.
На фиг. 1 изображен опорный узел 100 для использования, например, в металлургии, содержащий валок с бочкой 11 и, по меньшей мере, одной цилиндрической шейкой 10. Шейка 10 валка без возможности проворота и, по меньшей мере, без радиального зазора установлена в выполненном цилиндрическим в соответствии с ней посадочном отверстии втулки 20. Для создания соединения с силовым замыканием без радиального зазора втулка 20 напрессована в горячем состоянии на шейку 10. Предпочтительным образом предусмотрено, что между шейкой 10 и втулкой 20 расположен, по меньшей мере, один поводковый элемент 23, например, в виде призматической шпонки или соответственно специально выполненного пазового сухаря.
Внутренняя поверхность 21 втулки 20 и/или внешняя поверхность шейки 10 снабжены вогнутым контуром, называемым ниже также профилированием 40, которое выполнено, например, точением и/или шлифованием. В зоне своей вогнутости профилирование 40 имеет, если смотреть в продольном разрезе втулки 20, по меньшей мере, на отдельных участках контур в форме прямой, синусоиды, многоугольной кривой R(x) n-й степени или их комбинации. Профилирование 40 может описывать также простую параболическую кривую.
За счет вогнутых конфигураций профиля на втулке 20 или шейке 10 образуются углубления, которые при насаженной на шейку 10 втулке 20 в ненагруженном состоянии образуют радиально огибающую вращательно-симметричную полость 12 между втулкой 20 и шейкой 10. Полость 12 выполнена в виде кольцевой щели в смысле огибающего вращательно-симметричного полого профиля. Внешняя боковая поверхность 22 втулки 20 и боковая поверхность 13 шейки 10 выполнены, например, цилиндрическими.
Может быть предусмотрено выполнение профилирования 40 на боковой поверхности 13 шейки 10, а внутренней боковой поверхности 21 втулки 20 - цилиндрической. Описанные профилирования 40 могут быть выполнены также одновременно на внутренней боковой поверхности втулки и внешней боковой поверхности шейки, преимущественно напротив друг друга. Для ограничения положения втулки 20 при надевании на шейку 10 между торцевой стороной бочки 11 валка и втулкой 20 расположено дистанционное кольцо 28 с упором 25. В качестве альтернативы бочка 11 валка может быть снабжена на торцевой стороне выступом (не показан) в качестве упора 25, который выполнен за одно целое с бочкой 11. После надевания на шейку 10 втулка 20 с помощью нажимного кольца 17 с буртиком через упорный подшипник, расположенный в качестве опции для опирания шейки 10, и гайки 18 притянута в осевом направлении x к дистанционному кольцу 28 и защищена от осевого смещения, причем шейка снабжена на своем конце для размещения кольца 17 ступичным выступом 26 и примыкающим к нему резьбовой цапфой 27 для размещения гайки 18. На фиг. 1 и 2 между кольцом 17 и гайкой 18 лишь схематично изображено внутреннее кольцо 16 упорного подшипника. От ослабления гайка 18 может быть дополнительно защищена предохранителем 19, например контргайкой.
Глубина t профилирования 40 или величина результирующей из этой полости 12 между втулкой 20 и шейкой 10 в зависимости от максимально возникающего опорного усилия F и модуля упругости втулки 20 согласована таким образом, что объем полости 12 тем больше, чем выше максимальное опорное усилие F в нагруженном состоянии, причем деформация втулки 20 остается исключительно в упругой области. Фактическая глубина t профиля лежит в микрометровом диапазоне, предпочтительно до 1000 мкм.
Толщина d стенки цилиндрической втулки 20 составляет 10-75 мм без учета описанной ниже опциональной вращательно-симметричной вогнутости.
Кроме того, может быть предусмотрена, по меньшей мере, одна подушка 50 с подшипниковой втулкой 51 для размещения втулки 20 с шейкой 10, причем между подшипниковой втулкой 51 подушки 50 и внешней боковой поверхностью 22 втулки 20 предусмотрена несущая масляная пленка 30. Это устройство называется также опорой жидкостного трения. В одном предпочтительном варианте внутренняя боковая поверхность подшипниковой втулки 51 имеет покрытие из подшипникового материала, например баббита.
В другом варианте на фиг. 2 шейка 10 выполнена в форме усеченного конуса. Внутренняя боковая поверхность 21 втулки 20 выполнена ответной к идеальной линии (без профилирования) шейки 10. При этом, как сказано выше, профилирование 40 выполнено на внутренней боковой поверхности 21 втулки 20 и/или на внешней боковой поверхности 13 шейки 10.
В этом варианте втулка 20 надевается на шейку 10, пока не исчезнет радиальный зазор между ними. Затем, как описано выше со ссылкой на фиг. 1, втулка 20 напрягается и предохраняется от смещения.
Чтобы обеспечить стабильную посадку втулки 20 на шейке 10 без радиального зазора, втулка 20 и шейка 10 имеют в осевом направлении рядом с обеих сторон полости примыкающие друг к другу поверхности прилегания 14.
Толщина d стенки цилиндрической втулки 20 составляет на ее тонком конце 10-75 мм.
Между втулкой 20 и шейкой 10 дополнительно расположена смазочная пленка 31 во избежание холодной микросварки в результате микротрения. Профилирования 40 шейки 10 и втулки 20 в этом варианте выполнены так же, как и в описании фиг. 1.
На фиг. 3а и 3b изображен опорный узел 100 с валком и, по меньшей мере, одной втулкой 20 для лишенного зазора и размещения без возможности проворота одной из шеек 10. При этом боковая поверхность 13 шейки 10 и внутренняя боковая поверхность 21 втулки 20 могут быть выполнены в форме цилиндра или усеченного конуса, причем поверхности 13, 21 выполнены ответными друг другу и примыкают друг к другу без радиального зазора.
На фиг. 3с профилирования 40 внутренней боковой поверхности 21 втулки 20 и/или боковой поверхности 13 шейки 10 описывают различные возможности математических функций R(x) n-й степени, которые в зависимости от нагрузки могут найти применение также в комбинации с другими профилированиями. Чтобы обеспечить равномерный, лишенный кромок переход в случае комбинированных между собой участков профиля, профилирование 40 в переходной зоне между двумя соседними участками профиля выполнено непрерывным и дифференцируемым. Следует сказать, что изображенные на фиг. 3с кривые не описывают фактически реализуемые на практике профилирования. Показанное множество участков кривых или профиля служит лишь для схематичной  иллюстрации различных возможных вариантов профиля.
Принцип действия
Принцип действия изобретения более подробно описан ниже со ссылкой на фиг. 4.
За счет возникающей в результате профилирования 40 вращательно-симметричной полости 12 между втулкой 20 и шейкой 10 между ними возникает увеличенное свободное пространство, в которое в месте силового воздействия может расширяться втулка 20.
w
w
Конкретно в режиме прокатки в прокатной клети к верхнему (опорному) валку прикладывается прокатное усилие F, направленное, по меньшей мере, в основном, вертикально вверх, тогда как в то же время к нижнему (опорному) валку прикладывается прокатное усилие F, направленное, по меньшей мере, в основном, вертикально вниз. Эти прокатные усилия передаются с бочек валков соответственно наполовину на шейки валков, в результате чего шейки давят в верхней подушке вверх, а в нижней подушке - вниз.
Прокатные усилия передаются в соответствии с функциональной цепью от шейки валка дальше через втулку шейки, несущую масляную пленку между втулкой шейки и подшипниковой втулкой на подушку. От подушки прокатные усилия отводятся в прокатную клеть, в которой подушка установлена.
w/2
L
Подушку и установленную в ней подшипниковую втулку следует в идеальном случае рассматривать как неподатливые и несжимаемые по отношению к прокатным усилиям. Это значит, что подушка и подшипниковая втулка полностью улавливают действующие на них соответственно половинные прокатные усилия F (действие), тогда как они противопоставляют соответственно такие же по значению, однако противоположно направленные усилия F на опоре (противодействие).
w
w
L
Уже при нагружении шейки 10 валка в режиме прокатки небольшим прокатным усилием F шейка 10 вместе с втулкой 20 давит в направлении прокатного усилия F на несущую масляную пленку 30, которая давит на подшипниковую втулку 51 и подушку (фиг. 2). При этом втулка 20 ударяется о несжимаемую несущую масляную пленку 30, которой неподатливые подшипниковая втулка 51 и подушка 50 не дают отклониться в направлении прокатного усилия. В результате противодействующее усилие F на опоре не дает втулке 20 отклониться в направлении прокатного усилия.
Сама втулка 20 в сочетании с полостью 12 в направлении шейки 10 является самым слабым звеном в описанной выше функциональной цепи (прокатного) усилия.
w/2
L
Поскольку втулка 20 не может избегнуть прокатного усилия, в случае нагрузки в режиме прокатки происходит упругая деформация втулки 20. За счет прокатного усилия F или встречно направленного усилия F на опоре втулка 20 деформируется внутрь первоначальной полости 12 и при этом уплощается. Уплощение происходит максимально до тех пор, пока втулка 20 не будет давить на шейку 10 и не будет поддерживаться ею. Втулка 20 локально упруго приспосабливается к профилированию 40 шейки 10 и после снятия нагрузки снова деформируется в первоначальное состояние. За счет уплощения увеличивается оказывающая давление поверхность между втулкой 20 и подшипниковой втулкой 51. Между обеими втулками 20, 51 расположена несущая масляная пленка 30, которая образует так называемую гидродинамическую опору жидкостного трения. За счет увеличения оказывающей давление поверхности опорный узел приводит к повышению несущей способности гидродинамической опоры жидкостного трения между втулками 20, 51.
В действительности прокатное усилие или опорное усилие действует не точечно или линейно, а в виде так называемой «силовой горы». Последняя имеет плоскую протяженность в направлении периферии и в осевом направлении. За счет уплощения втулки шейки и связанного с этим увеличения оказывающей давление поверхности достигается заметное повышение несущей способности опорного узла для плоско протяженной «силовой горы».
Опорный узел обладает также заметно большей несущей способностью по сравнению с опорным узлом, втулка которого еще в ненагруженном состоянии соединена с шейкой валка с силовым замыканием с натягом, например посредством горячей посадки. Необходимое для упругого уплощения втулки шейки силовое воздействие вследствие полости ниже, чем в конструкциях с натягом между втулкой и шейкой. В конструкциях с натягом требуются большие усилия для реализации такой же деформации втулки шейки.
Другими словами, благодаря относительно небольшой толщине стенки втулки 20 деформация под нагрузкой на внутренней боковой поверхности 21 втулки 20 происходит без изменений, т.е. как и на ее внешней боковой поверхности 22, что приводит к увеличению/расширению противодействующей силовому воздействию поверхности давления между втулкой 20 и подшипниковой втулкой 51. Это, в свою очередь, приводит к более равномерному распределению давления смазочной пленки, так что воспринимается и может шире распределяться большее усилие, в результате чего пиковое давление в несущей масляной пленке 30 не превышает предельных значений материала подшипниковой втулки или ее вкладыша. Следовательно, предложенный узел приводит к повышению несущей способности гидродинамической опоры жидкостного трения между втулками 20, 51.
Перечень ссылочных позиций
100 - опорный узел
10 - шейка валка
11 - бочка валка
12 - полость
13 - боковая поверхность шейки валка
14 - плоская поверхность прилегания
15 - средняя ось
16 - внутреннее кольцо упорного подшипника
17 - нажимное кольцо с буртиком
18 - гайка
19 - контргайка
20 - втулка шейки
21 - внутренняя боковая поверхность втулки шейки
22 - внешняя боковая поверхность втулки шейки
23 - поводковый элемент
25 - упор
26 - ступичный выступ
27 - резьбовая цапфа
28 - дистанционное кольцо
30 - несущая масляная пленка
31 - смазочная пленка
40 - профилирование
44 - распределение давления - уровень техники
46 - оптимизированное распределение давления
50 - подушка
51 - подшипниковая втулка
R(x) - профилирование в качестве математической функции
х - координата в осевом направлении
w
F - прокатное усилие
L
F - опорное усилие
t - глубина профиля
d - толщина стенки втулки шейки