ПОДУШКА ПРОКАТНОГО ВАЛКА
FORMING ROLL CHUCK

Изобретение относится к прокатному производству, преимущественно к фиксированным в осевом направлении подушкам рабочих валков четырехвалковых клетей листовых прокатных станов с опорами валков на подшипниках качения.
Известна подушка прокатного валка (аналог), на которой выполнены заплечики для ее осевой фиксации на станине прокатной клети, в подушке в качестве опоры под шейку прокатного валка установлен четырехрядный радиально-упорный подшипник качения с коническими роликами, закрытый крышками, закрепленными на торцах подушки с помощью шпилек, и снабженный узлом осевой фиксации, смонтированным на шейке валка [Патент РФ №2026761, МПК B21B 31/02, 1995 г.].
Недостатком аналога является невозможность измерения и контроля осевых нагрузок, действующих на валки и их подшипники при прокатке. При износе боковых поверхностей подушек и сопряженных с ними боковых поверхностей стоек станин прокатной клети между подушками и станинами возникают боковые зазоры, которые вызывают относительные перекосы рабочих и опорных валков. Перекосы валков вызывают неравномерное распределение усилия прокатки по ширине прокатываемой полосы, что приводит к появлению волнистости или коробоватости полосы, снижению качества прокатываемого металла, его отсортировке в брак и снижению выхода годного металла.
Относительные перекосы рабочего и опорного валков вызывают большие осевые нагрузки на их контакте. Эти нагрузки передаются на подшипники фиксированных в осевом направлении подушек рабочих валков со стороны перевалки и приводят к быстрому разрушению подшипников, выходу их из строя и увеличению расхода подшипников. По мере износа контактирующих боковых поверхностей подушек и станин боковые зазоры между ними и осевые нагрузки на подшипники возрастают и достигают критической величины, при которой подшипники разрушаются. Из-за отсутствия контроля за увеличением возрастания осевых нагрузок при достижении их критических значений возникают внезапные аварийные разрушения подшипников валков и простои прокатного стана, вызывающие потери металла в брак и снижение производительности стана.
Перекосы валков приводят к быстрому износу их профилированных рабочих поверхностей, снижению точности прокатки и качества прокатываемых полос, увеличению износа валков и их расхода.
Наиболее близким техническим решение (прототипом) является подушка прокатного валка, на которой выполнены заплечики, взаимодействующие со стойками станины прокатной клети и защелками, закрепленными на стойках. В подушке смонтирован четырехрядный радиально-упорный подшипник качения с коническими роликами, насаженный на коническую шейку прокатного валка. Подшипник закрыт крышками, закрепленными на торцах подушки с помощью шпилек, и снабжен узлом осевой фиксации на шейке прокатного валка [Патент РФ №2058206, МПК В21В 31/02, 1996 г.].
Прототип включает те же элементы, что и аналог, и обладает теми же недостатками.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества прокатываемого металла, сокращение расхода прокатных валков и их подшипников, аварийных простоев прокатного стана и повышение его производительности.
Технический результат достигается тем, что в подушке прокатного валка, на которой выполнены заплечики, взаимодействующие со стойками станины прокатной клети и закрепленными на стойках защелками, смонтирован четырехрядный радиально-упорный подшипник качения с коническими роликами, насаженный на коническую шейку прокатного валка. Подшипник закрыт крышками, закрепленными на торцах подушки с помощью шпилек, и снабжен узлом осевой фиксации на шейке прокатного валка. На окружности расположения шпилек крепления крышек подшипника к подушке диаметрально противоположно установлены силоизмерительные элементы сжатия, выполненные в виде кольцевых магнитострикционных датчиков, закрепленных на подушке, также с помощью шпилек. Датчики через многоканальные разъемы соединены экранированными кабелями с клеммной коробкой, закрепленной на станине прокатной клети. От датчиков экранированные кабели проложены в жестком защитном кожухе, выполненном в виде трубы, и связанном с ним сборном кожухе, закрепленных на крышке подшипника. От сборного кожуха кабели в гибких защитных трубках подведены к клеммной коробке.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг.1. Подушка прокатного валка - торцевой вид со стороны завалки в прокатную клеть.
Фиг.2. Вид на подушку по стрелке М на фиг.1.
Фиг.3. Разрез по линии А-А на фиг.1.
Фиг.4. Узел N на фиг.1.
Фиг.5. Разрез по В-В на фиг.4.
Фиг.6. Узел сборного кожуха с кабелем от датчиков (поз.29 на фиг.1.)
Фиг.7. Разрез по линии С-С на фиг.6.
Реализацию предлагаемого технического решения рассмотрим на примере нижней подушки рабочего валка четырехвалковой клети непрерывного широкополосного стана горячей прокатки с установкой одной пары диаметрально расположенных датчиков.
Подушка 1 прокатного валка 2 выполнена с заплечиками 3, которые в прокатной клети расположены между Г-образными облицовочными планками 4 и подвижными защелками 5, закрепленными на стойках 6 станины клети (фиг.1, 2). С помощью заплечиков и защелок подушка вместе с прокатным валком фиксируется в осевом направлении при действии осевых нагрузок. Если нагрузки действуют на сторону привода валков, осевые нагрузки воспринимаются заплечиками 3 подушки при их упоре в стойки 6 станины, если на сторону перевалки (в обратном направлении) - нагрузки воспринимаются защелками 5. При перевалках защелки отводятся в сторону и освобождают подушку от осевой фиксации и проем станины для вывалки валков с подушками из клети и завалки валков в клеть. После завалки защелки закрываются и фиксируют подушку и валок в клети в осевом направлении.
В подушке установлен четырехрядный радиально-упорный подшипник качения 7 с коническими роликами 8, насаженный на коническую шейку 9 валка 2 (фиг.3). Ролики в рядах I, II, III, IV подшипника установлены с противоположным направлением углов конусности роликов.
С торцов подшипник закрыт передней и задней крышками 10 и 11 с уплотнительными узлами. Крышки закреплены на подушке с помощью шпилек 12.
Подшипник 7 удерживается на конической шейке с помощью узла осевой фиксации, включающего два полукольца 13 с наружной резьбой, установленных в цилиндрической проточке на шейке валка, на которые навернута гайка 14, упирающаяся в дистанционное кольцо 15.
Осевая фиксация подшипника на конической шейке 9 осуществляется с помощью узла осевой фиксации путем неподвижной посадки внутренних колец 16 подшипника на шейку с их поджатием к шейке и уплотнительному кольцу 17 со стороны бочки валка 2 через дистанционное кольцо 15.
Наружные кольца 18 подшипника установлены в подушке 1 между внутренними торцами крышек 10 и 11 с осевым зазором. Величина зазора регулируется с помощью дистанционного кольца 19.
Между шпильками 12 крепления крышек 10 и 11 к подушке на окружности расположения этих шпилек диаметрально противоположно установлены силоизмерительные элементы сжатия, выполненные в виде кольцевых магнитострикционных датчиков 20, закрепленных на подушках с помощью шпилек 21 (фиг.5).
С целью исключения повреждения датчиков тросами, охватывающими хвостовики шеек валка при транспортировке, датчики установлены на диаметре, расположенном под углом наклона к вертикальной оси подушки в пределах 40-50°С.
Датчики 20 установлены на шпильках 21 между прокладочными кольцами 22, выполненными из прочной закаленной стали, и закреплены на шпильках с помощью гаек 23, пружинных шайб 24 и плоских шайб 25. Через переходный элемент 26 датчик соединен четырехжильным экранированным кабелем 27, две жилы которого предназначены для подачи напряжения на измерительный мост датчика, а две другие жилы - для передачи измерительного сигнала.
Экранированные кабели 27 от датчиков 20 проложены в жестком защитном кожухе 28, выполненном из труб, и проходят через жестко связанный с ним сборный кожух 29 (фиг.6) и далее через многоканальный разъем 30 к клеммной коробке 31.
Защитный кожух 28 и сборный кожух 29 жестко закреплены на крышке подшипника. От сборного кожуха 29 к клеммной коробке 31 кабели 27 подведены в гибких защитных трубках 32.
От клеммной коробки сигналы от датчиков через усилитель (условно не показан) поступают на приемное устройство, на котором преобразуются в показания значений осевых нагрузок, действующих на подшипник 7 прокатного валка.
Диаметрально противоположная установка датчиков 20 на окружности расположения шпилек крепления крышек 10 и 11 к подушке обеспечивает получение усредненного значения осевых нагрузок, действующих от прокатного валка на подшипник как на сторону привода, так и на сторону перевалки.
Число пар диаметрально расположенных датчиков, устанавливаемых на крышках 10 и 11, может быть больше одной. В этом случае пары датчиков устанавливаются равномерно на окружности установки шпилек 12 крепления крышек 10 и 11 к подушке. При этом точность измерения осевых нагрузок повышается. Однако из-за ограниченных габаритных размеров крышек усложняется конструкция подушки. Сигналы на приемное устройство от датчиков поступают индивидуально и могут быть выведены на регистратор осевых нагрузок как в виде их суммы, так и индивидуально от каждого датчика.
Процесс измерения осевых нагрузок, действующих на подшипник прокатного валка, заключается в следующем.
При действии осевой нагрузки от валка на сторону перевалки нагрузка через коническую шейку 9 передается на внутренние кольца 16 подшипника. После выбора осевых зазоров через конические ролики осевая нагрузка передается на наружные кольца 18 и от них - на внутренний торец передней крышки 10. От фланца этой крышки осевая нагрузка передается на шпильки 12 ее крепления к подушке и на датчики 20.
Большая часть осевой нагрузки передается роликами рядов I и III подшипника, меньшая часть - роликами рядов II и IV. Это обусловлено тем, что ролики в рядах I и III передают осевую нагрузку как горизонтальную составляющую от нормальной нагрузки на коническую поверхность роликов, а ролики в рядах II, IV - как силу трения между роликами и кольцами 16 и 18 подшипника, так как в этих рядах горизонтальная составляющая от нормальной нагрузки практически отсутствует. Осевая фиксация подушки при действии осевых нагрузок на сторону перевалки осуществляется при упоре заплечиков 3 в защелки 5 (фиг.2).
Нагрузка на датчики 20 передается от крышки 10 через внутренние прокладочные кольца 22. От датчиков осевая нагрузка через наружные подкладочные кольца 22, плоские шайбы 25 и пружинные шайбы 24 воспринимается гайками 23 и шпильками 21. При этом датчики 20 воспринимают нагрузку как нагрузку сжатия. Под действием этой нагрузки изменяются магнитная проницаемость материала магнитострикционных датчиков, напряжение и сила тока в электрической цепи моста датчиков, которые в приемном устройстве преобразуются в показания значений осевых нагрузок.
При действии осевой нагрузки от валка на сторону привода нагрузка на подшипник 7 передается от гайки 14 через дистанционное кольцо 15 также на внутренние кольца 16 подшипника. Далее через ролики нагрузка передается на наружные кольца 18, от них через дистанционное кольцо 19 на заднюю крышку 11 и от нее - на шпильки ее крепления к подушке и датчики 20, установленные на этой подушке.
При действии осевой нагрузки на сторону привода большая ее часть передается роликами, расположенными в рядах II и IV, меньшая - роликами в рядах I и III.
Через наружные кольца 18 подшипника, дистанционное кольцо 19, крышку 11, шпильки 12 и 21 осевая нагрузка передается на подушку 1 и через ее заплечики 3 (фиг.2) - на стойки 6 станины прокатной клети. При упоре заплечиков в стойки подушка вместе с валком фиксируется в прокатной клети при действии осевой нагрузки на сторону привода.
Датчики 20 устанавливают на шпильках 21 с предварительным усилием затяжки гайками 23.
В этом случае шпильки 21, как и шпильки 12, также выполняют функцию крепления крышек к подушке.
0
g1
g2
0
g
к
Полную осевую нагрузку Р, передаваемую на подшипник от прокатного валка, с достаточным приближением для прокатки можно определить по величине осевых нагрузок P и P, измеряемых с помощью датчиков 20. Исследования заявителя показали, что жесткость крышек 10 и 11 значительно превышает жесткость шпилек 21 датчиков и шпилек 12 крепления крышек к подушке, поэтому крышки при передаче осевых нагрузок можно считать недеформируемыми. В этом случае осевую нагрузку Р можно определить из условия, что усредненная упругая деформация растяжения δ шпилек 21 датчиков 20, установленных диаметрально противоположно, при передаче осевой нагрузки равна усредненной упругой деформации растяжения δ шпилек 12 крепления крышек к подушке.
g
к
Выражения для определения деформаций δ и δ представляют собой соотношения закона Гука между усилиями и упругими деформациями и имеют вид:
для шпилек датчиков
для шпилек крепления крышек к подушке
g
к
где P, Р - суммарные осевые нагрузки, передаваемые на шпильки датчиков и шпильки крепления крышек к подушке;
Е - модуль упругости материала шпилек;
g
к
l, 1 - длина растягиваемых участков шпилек датчиков и крепления крышек;
g
к
S, S - суммарные площади поперечных сечений шпилек датчиков и крепления крышек:
где m, n - числа шпилек датчиков и крепления крышек;
g
к
d, d - диаметры шпилек датчиков и крепления крышек.
g
к
Из равенства деформаций δ и δ и соответственно правых частей выражений (1) и (2) следует
0
Полная осевая нагрузка Р, передаваемая на подшипник валка, определяется из выражения
Пример: Определить полную осевую нагрузку на подшипник рабочего валка чистовой клети непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки при следующих исходных данных:
g1
g2
1. Измеренные осевые нагрузки, воспринимаемые датчиками 20: P=3250 кг; P=2350 кг;
к
2. Диаметр шпилек крепления крышки к подушке d=30 мм;
g
3. Диаметр шпилек датчиков d=25 мм;
4. Длина растягиваемых участков шпилек:
к
- крепления крышки к подушке l=50 мм;
g
- установки датчиков l=70 мм;
5. Число шпилек:
- датчиков m=2;
- крепления крышки n=10.
g
g1
g2
Суммарная осевая нагрузка, передаваемая на датчики: P=P+P=5600 кг.
Суммарная осевая нагрузка, передаваемая на шпильки крепления к подушке, определяется по формуле (3):
Полная осевая нагрузка, передаваемая на подшипник валка, определяется по формуле (4):
0
Р=5600+56448=62048 кг.
0
Если число пар датчиков, установленных на подушке, больше одной, эти пары располагают между шпильками крепления крышек к подушке диаметрально противоположно на диаметрах, соответствующих равномерному расположению датчиков по окружности расположения шпилек. С увеличением числа пар датчиков точность определения полной осевой нагрузки Р на подшипник повышается и при установке датчиков на всех шпильках крепления крышек к подушке достигается самая высокая точность измерения полной нагрузки.
При перевалках разъединяют разъемы 30 и кабели 27, соединяющие датчики 21 с клеммной коробкой 32, и подушку вместе с датчиками в комплекте с другой подушкой и валком отправляют на участок подготовки валков для замены валка на перешлифованный и последующей завалки в клеть. После завалки с помощью разъемов 30 соединяют датчики 21 с клеммной коробкой 32 и подушка готова к работе.
Применение предлагаемого изобретения обеспечивает регистрацию и контроль осевых нагрузок, действующих на валки и подшипники фиксированных в осевом направлении подушек рабочих валков, в режиме online. Информация о величине и направлении осевых нагрузок накапливается в памяти компьютера. Это позволяет в процессе эксплуатации контролировать состояние оборудования рабочих клетей прокатного стана, в частности износ боковых контактирующих поверхностей подушек и станин и углы относительного перекоса рабочих и опорных валков. Система контроля осевых нагрузок снабжена средствами предупреждения обслуживающего персонала о наступлении критической величины осевых нагрузок, при которой дальнейшая эксплуатация прокатной клети может привести к аварийной ситуации на стане. Это позволяет исключить аварийные разрушения подшипников валков и сократить их расход, повысить износостойкость и сократить расход валков, сократить аварийные простои прокатного стана, повысить его производительность и качество прокатываемого металла.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения обеспечивает получение заявленного технического результата и может быть рекомендовано для широкого распространения на практике.