ЗУБЧАТО-РЕЕЧНЫЙ ПРИВОД ВАЛКА СТАНА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ
RACK-AND-PINION DRIVE OF TUBE PILGER MILL ROLL

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к холодной продольной периодической прокатке труб.
Известен зубчато-реечный привод вращения валка стана продольной периодической прокатки труб (Виноградов А.Г. Трубное производство. М., Металлургия, 1981, 340 с., с.174, рис.92, С.181, рис.95). Данный привод содержит круглую шестерню, соединенную с валком и имеющую постоянный угловой шаг зубьев, и находящуюся с ней в зацеплении неподвижную зубчатую рейку.
Валок стана периодической прокатки труб с нарезанным на нем ручьем переменного радиуса расположен в станине рабочей клети, которая совершает возвратно-поступательное движение. При этом валок совершает относительно станины вращательное движение, осуществляемое от зубчато-реечного привода. Круглая шестерня жестко соединена с хвостовиком валка и входит в зацепление с неподвижной рейкой, также имеющей постоянный шаг зубьев. При этом боковые поверхности зубьев рейки являются плоскостями, имеющими одинаковый угол наклона к плоскости, в которой происходит движение оси валка. Угол между нормалью к этой плоскости и плоскостями, представляющими собой боковые поверхности зубьев рейки, является углом зацепления шестерни с зубчатой рейкой.
Недостатком известного зубчато-реечного привода вращения валка является то, что он задает постоянное отношение линейной скорости возвратно-поступательного перемещения клети к угловой скорости вращения валка, отличающееся от переменной величины катающего радиуса. Величина катающего радиуса связана с переменным радиусом ручья. Вследствие этого в прокатываемой трубе формируется осевая сила (натяжение или подпор). Наличие осевой силы негативно влияет на качество поверхности прокатанной трубы и надежность работы механизмов стана, на которые действуют значительные дополнительные нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является зубчато-реечный привод валков стана периодической прокатки труб (Авторское свидетельство СССР SU №1808431 А1, Бюл. №14, 15.04.93).
Этот привод содержит круглую шестерню, соединенную с валком и имеющую постоянный угловой шаг зубьев, и находящуюся в зацеплении с шестерней неподвижную зубчатую рейку. При этом боковые поверхности зубьев рейки являются плоскостями, углы наклона которых к плоскости, в которой происходит движение оси валка, выполнены различными. Причем углы наклона плоскостей, соответствующих боковым поверхностям зубьев рейки, выбираются таким образом, чтобы в некоторых рассматриваемых положениях рабочей клети было обеспечено отношение линейной скорости возвратно-поступательного перемещения клети к угловой скорости вращения валка, равное катающему радиусу, который зависит от переменного радиуса ручья.
Недостатком данного зубчато-реечного механизма является то, что он не обеспечивает непрерывного изменения отношения линейной скорости клети к угловой скорости валка. Это отношение меняется скачкообразно при переходе контакта зубьев шестерни с одного зуба рейки к другому. При этом не обеспечивается необходимая величина отношения линейной скорости возвратно-поступательного движения клети к угловой скорости валка во всех положениях клети и, соответственно, не обеспечивается отсутствие осевых сил в прокатываемой трубе. С учетом того, что коэффициент торцевого перекрытия в зацеплении шестерни с рейкой больше единицы, в процессе перемещения клети существуют положения, в которых в зацеплении шестерни с рейкой должны находиться не менее двух зубьев. В этих положениях клети при предложенном принципе образования плоских боковых поверхностей зубьев рейки может произойти либо заклинивание передачи, либо ее замыкание с ударом при переходе контакта на каждую последующую пару зубьев шестерни и рейки.
Техническим результатом применения предлагаемого устройства является исключение осевых сил в прокатываемой трубе за счет того, что обеспечивается необходимое соотношение линейной скорости возвратно-поступательного движения клети и угловой скорости валка при любом положении клети в процессе прокатки.
Ц
Технический результат достигается за счет того, что в зубчато-реечном приводе валка стана периодической прокатки труб, содержащем круглую шестерню, соединенную с валком и имеющую постоянный угловой шаг зубьев, и находящуюся с ней в зацеплении неподвижную зубчатую рейку, боковые поверхности зубьев рейки выполнены в зоне взаимного контакта с боковыми поверхностями зубьев шестерни как сопряженные поверхности, образующиеся при обкатке имеющей переменный радиус центроиды круглой шестерни по центроиде рейки. При этом на участках, соответствующих таким угловым положениям шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы в ручье переменного радиуса, радиальная координата R центроиды шестерни равна переменному катающему радиусу валка для исключения подпора или натяжения в заготовке трубы.
Из уровня техники известно зубчато-реечное зацепление, поверхности зубьев элементов которого спрофилированы как сопряженные поверхности (SU 51250 А, 31.01.1938). В известном техническом решении используется зубчато-реечная передача, содержащая круглую шестерню с центроидой в виде окружности и рейку с постоянным шагом зуба, центроидой которой является прямая. Это самый простой вариант зубчато-реечного зацепления, использование которого в приводе валка стана периодической прокатки труб не позволяет достичь требуемого технического результата, так как в результате применения шестерни с центроидой постоянного радиуса не обеспечивается необходимое соотношение линейной скорости возвратно-поступательного движения клети и угловой скорости валка при любом положении клети в процессе прокатки, а соответственно, невозможно исключить наличие осевых сил в прокатываемой трубе.
Из уровня техники также известны зубчатые зацепления (RU 2009386 С1, 15.03.1994), в том числе зубчато-реечные, в которых в качестве центроид элементов зацепления могут быть использованы не только окружности, но и другие кривые. Технический результат данного известного технического решения состоит в повышении КПД передачи за счет исключения проскальзывания зубьев в точке взаимного контакта и обеспечении плавности зацепления. Перечисленные положительные качества улучшают свойства известного зубчатого зацепления, как самостоятельного объекта, но не могут существенно повлиять на решение технической задачи обеспечения необходимого соотношения линейной скорости возвратно-поступательного движения клети и угловой скорости валка стана периодической прокатки труб при любом положении клети в процессе прокатки.
В предлагаемом техническом решении центроида круглой шестерни, имеющей постоянный угловой шаг зубьев, является не произвольной кривой, а кривой, определенным образом связанной с геометрическими параметрами ручья валка, а именно: радиальная координата центроиды на участках, соответствующих угловым положениям шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы, равна катающему радиусу валка. Наличие этой существенной связи между параметрами центроиды шестерни и валка, в сочетании с выполнением боковых поверхностей зубьев шестерни и рейки сопряженными, позволяет обеспечить необходимый технический результат в приводе валка стана периодической прокатки труб.
Вместе с тем, анализ известных источников информации не позволил выявить решения, связанные с применением в приводе валка стана периодической прокатки труб круглой шестерни с постоянным угловым шагом зубьев, имеющей центроиду, отличную от окружности.
Изобретение поясняется чертежами, где
- на фиг.1 представлен общий вид зубчато-реечного привода валка стана периодической прокатки труб;
- на фиг.2 показана боковая проекция привода (стрелками показаны возвратно-поступательное движение станины и вращение валка);
- на фиг.3 приведена схема круглой шестерни с центроидой переменного радиуса;
- на фиг.4 - схема зацепления шестерни с рейкой, имеющей непрерывно меняющийся шаг зубьев;
- на фиг.5 - схема двухвалковой прокатной клети, каждый из валков которой имеет привод, выполненный в соответствии с предлагаемым изобретением.
Предлагаемый зубчато-реечный привод валка стана периодической прокатки труб (фиг.1, 2) содержит круглую шестерню 1, соединенную с валком 2 и имеющую постоянный угловой шаг зубьев (фиг.3). В зацеплении с шестерней 1 находится неподвижная зубчатая рейка 3.
0
Д
B
Круглая шестерня 1 (фиг.3) имеет постоянный угловой шаг зубьев, основную окружность 4 радиуса r, делительную окружность 5 радиуса R, окружность 6 вершин зубьев радиуса R.
Боковые поверхности зубьев рейки выполнены в зоне взаимного контакта с боковыми поверхностями зубьев шестерни как сопряженные поверхности, образующиеся при обкатке имеющей переменный радиус центроиды 7 шестерни, определяемой уравнением
по центроиде 8 рейки (фиг.4), определяемой в параметрическом виде
Ц
где R - полярный радиус;
MAX
α - полярный угол, изменяющийся в диапазоне 0≤α≤α;
α=0 соответствует положению шестерни в зацеплении с первым зубом рейки;
MAX
α=α соответствует положению шестерни в зацеплении с последним зубом рейки.
Центроидой называется геометрическое место мгновенных центров вращения тела в абсолютном или относительном движении (см., например, Артоболевский И.И. Теория механизмов. М., Наука, 1965, 776 с., с.114). Для зубчато-реечного зацепления совокупность центроид шестерни и рейки полностью определяет закон движения шестерни относительно неподвижной рейки, а также форму боковых поверхностей зубьев рейки и, соответственно, является конструктивной характеристикой механизма.
Ц
Для шестерни 1, надетой неподвижно и концентрично на хвостовик прокатного валка 2, имеющего ручей переменного радиуса, составляется, например, в полярной системе координат, уравнение (1) центроиды 7. На участках, соответствующих таким угловым положениям шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы в ручье переменного радиуса, радиальная координата R центроиды 7 шестерни равна переменному катающему радиусу валка.
В зацеплении с шестерней 1 находится зубчатая рейка 3 с непрерывно меняющимся шагом зубьев (фиг.4). Для зубчатой рейки 3 на основании уравнения (1) центроиды 7 шестерни определяют в параметрическом виде (параметр α) уравнение (2) центроиды 8 зубчатой рейки.
Боковые поверхности зубьев рейки 3 выполняются таким образом, что они являются сопряженными к боковым поверхностям зубьев шестерни 1. Такие боковые поверхности получаются при обкатке без скольжения центроиды 7 шестерни по центроиде 8 зубчатой рейки.
Пример. Зубчато-реечный привод осуществляет вращение валка стана холодной периодической прокатки труб. Валок имеет калибровку ручья переменного радиуса для прокатки трубы по маршруту 40×2,7→22×0,75. На станах периодической прокатки труб, как следует из их названия, прокатка трубы происходит периодически. Соответственно, существуют угловые положения шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы в ручье переменного радиуса, и угловые положения, при которых прокатка не происходит, а осуществляются другие операции.
В рассматриваемом конкретном случае рейка установлена таким образом, что угол поворота шестерни от углового положения шестерни в зацеплении с первым зубом рейки до углового положения, при котором начинается прокатка трубы в ручье переменного радиуса, составляет 0,43 рад. Угловым положениям шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы, соответствует диапазон 0,43 рад≤α≤4,51 рад. Участкам в этом диапазоне соответствуют различные стадии процесса прокатки трубы. При угловых положениях 4,51 рад<α≤6,30 рад прокатка не происходит. Угловому положению шестерни в зацеплении с последним зубом рейки соответствует α=6,30 рад.
Ц
В диапазоне угловых положений 0,43 рад≤α≤4,51рад катающий радиус валка изменяется линейно от 140,0 мм до 144,8 мм. При других угловых положениях шестерни и валка прокатка не происходит, соответственно, катающий радиус валка не определяется. В соответствии с заявляемым техническим решением на участках, соответствующих угловым положениям 0,43 рад≤α≤4,51 рад шестерни и жестко соединенного с ней валка, при которых происходит прокатка трубы в ручье переменного радиуса, радиальная координата R центроиды шестерни равна переменному катающему радиусу валка. При других угловых положениях форма центроиды в рамках настоящего технического решения не регламентируется, поскольку она не влияет на технический результат, поэтому форма центроиды может быть выбрана из каких-либо других соображений. Вместе с тем, задание формы центроиды на этих участках необходимо для выполнения боковых поверхностей зубьев рейки сопряженными с боковыми поверхностями зубьев шестерни на всей длине рейки. Отметим, что, поскольку речь идет о зубчатом зацеплении, термин «сопряженные поверхности» использован в том смысле, в каком он употребляется в теории зубчатых передач (см., например, Левитская О.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин, М., Высшая школа, 1985, С.179).
В рассматриваемом примере для задания центроиды шестерни на участках, соответствующих таким угловым положениям шестерни и валка, при которых прокатка трубы не происходит, приняты дуги окружностей: радиусом 140,0 мм на участке 0,0 рад≤α<0,43рад и радиусом 144,8 мм на участке 4,51 рад<α≤6,30 рад.
P
В соответствии с уравнением (1) и первым из уравнений (2) однозначно определяются значения координаты y центроиды рейки, которые изменяются в пределах от -140,0 мм до -144,8 мм.
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц
P
Определенный интеграл с переменным верхним пределом от заданной функции R, присутствующий во втором из уравнений (2), как известно, является функцией верхнего предела (см., например, Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, T.II, М., Наука, 1969, С.115). При заданной функции R=R(α) (или, что тоже самое, R=R(φ)) этот интеграл может быть вычислен известными методами, в результате чего будет получена однозначная зависимость координаты x точек центроиды рейки от α. В нашем случае, можно воспользоваться известными приемами вычисления определенного интеграла от функции, заданной табличным способом (см., например, Бермант А.Ф., Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа, М., Наука, 1966, С.323).
Ц
P
В результате интегрирования функции R однозначно получаются значения координаты x центроиды рейки, которые изменяются в пределах от 0,0 до 897,2 мм.
Ц
P
P
Ниже, в качестве иллюстрации, приведены вычисленные по зависимостям (1) и (2) конкретные числовые значения катающего радиуса валка, радиальной координаты R центроиды шестерни и координат y, x центроиды рейки, соответствующие конкретным угловым положениям шестерни и валка, задаваемым углом α:
α, рад
0,00
0,21
0,43
0,94
1,45
1.96
2,47
2,98
Катающий радиус, мм
-
-
140,0
140,6
141,2
141,8
142,4
143,0
R<sub>Ц</sub>, мм
140,0
140,0
140,0
140,6
141,2
141,8
142,4
143,0
y<sub>P</sub>, мм
-140,0
-140,0
-140,0
-140,6
-141,2
-141,8
-142,4
-143,0
x<sub>P</sub>, мм
0,0
29,4
60,2
131,4
203,6
275,7
348,0
421,3
α, рад
3,49
4,00
4,51
5,02
5,53
6,04
6,30
Катающий радиус, мм
143,6
144,2
144,8
-
-
-
-
R<sub>Ц</sub>, мм
143,6
144,2
144,8
144,8
144,8
144,8
144,8
y<sub>P</sub>, мм
-143,6
-144,2
-144,8
-144,8
-144,8
-144,8
-144,8
x<sub>P</sub>, мм
493,7
560,9
638,9
712,5
786,1
859,7
897,2
На участках, на которых центроида 7 шестерни является окружностью постоянного радиуса, центроида 8 зубчатой рейки параллельна плоскости 9 перемещения оси валка (фиг.4). На этих участках зубчатой рейки боковые поверхности зубьев являются плоскостями, имеющими определенный угол наклона к плоскости 9. Угол между нормалью к плоскости 9 и плоскостями, представляющими собой боковые поверхности зубьев рейки, является углом зацепления. Чем больше радиус окружности, представляющей собой участок центроиды 7 шестерни, тем больше угол зацепления шестерни с рейкой и тем больше шаг зубьев рейки.
На участках, на которых центроида 7 не является окружностью, боковые поверхности зубьев рейки представляют собой поверхности криволинейных цилиндров (фиг.4), образующие которых параллельны плоскости 9. Благодаря такой форме боковых поверхностей зубьев рейки обеспечивается необходимое соотношение линейной скорости возвратно-поступательного движения клети к угловой скорости валка при любом положении клети в процессе прокатки. Дополнительно обеспечивается отсутствие заклинивания зубчато-реечной передачи и отсутствие ударов при переходе контакта к каждой последующей паре зубьев шестерни и зубчатой рейки.
Боковые поверхности зубьев рейки могут быть построены (или обработаны на станке) на основе заданных центроид шестерни и рейки в соответствии с известными принципами теории зубчатых зацеплений. Способы построения сопряженных поверхностей, например методом огибания (см., например, Левитская О.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин, М., Высшая школа, 1985, С.186-187), позволяют осуществить как теоретическое построение профиля зуба, так и практическое получение профиля зуба на зуборезном станке. Например, это можно сделать, выбирая в качестве производящей поверхности поверхность зубьев шестерни и обеспечивая относительное движение производящей поверхности и заготовки рейки таким, каким оно получается при обкатке центроиды шестерни по центроиде рейки.
Работу устройства рассмотрим на примере двухвалковой прокатной клети, привод каждого из валков которой выполнен в соответствии с предлагаемым изобретением. Такой вариант является предпочтительным.
На фиг.5 представлена схема клети стана холодной периодической прокатки труб. Неподвижная в процессе прокатки заготовка трубы 10 находится в валках 2, на которых выполнены ручьи переменного радиуса. Валки смонтированы в станине 11, совершающей возвратно-поступательное движение. На хвостовик 12 каждого из валков надета круглая шестерня 1, находящаяся в зацеплении с зубчатой рейкой 3, имеющей непрерывно меняющийся шаг.
Зубчато-реечный привод валка стана периодической прокатки труб работает следующим образом.
Станина 11 с валками 2, имеющими ручьи переменного радиуса, совершает возвратно-поступательное движение (в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа). Валки 2 дополнительно получают вращение от круглых шестерен 1, надетых на хвостовики 12 валков, и входящих в зацепление с неподвижными зубчатыми рейками 3, имеющими непрерывно меняющийся шаг зубьев. В результате перемещения станины 11 в сочетании с вращением валков 2 с ручьем переменного радиуса пластически деформируют прокатываемую заготовку трубы 10. Указанная деформация заготовки происходит на ограниченном участке полного перемещения станины.
Согласно изобретению боковые поверхности зубьев рейки 3 выполнены как сопряженные поверхности, образующиеся при обкатке центроиды шестерни по центроиде рейки в соответствии с зависимостями (1) и (2). Благодаря этому в тех положениях станины, в которых осуществляется пластическая деформация валками 1 неподвижной заготовки трубы 10, обеспечивается отношение линейной скорости станины 11 к угловой скорости валков 2 (в частности, равное катающему радиусу ручья в очаге деформации), при котором исключается появление в заготовке 10 осевой силы (подпора или натяжения).
Следствием исключения осевых сил является улучшение качества поверхности прокатанной трубы и повышение долговечности механизмов трубопрокатного стана за счет снижения действующих на них нагрузок.