Зрівноважувальний пристрій шпинделя приводу валків кліті прокатного стану

Винахід відноситься до області металургійного машинобудування, а саме, до шпиндельних пристроїв головних приводів робочих клітей прокатних станів. Відомо шпиндельний пристрій (Механическое оборудование прокатных цехов черной и цветной металлургии. Королев А.А. М., 1976г., с.170-173) з врівноважуючим механізмом, який утримує: - підставу; - систему пружин, зв'язаних через корпуси підшипників ковзання зі шпинделями і встановлених на підставі. Зусилля пружин у цьому пристрої регулюється і встановлюється таким чином, щоб зрівноважити вагу кожного зі шпинделів і виключити зайве навантаження на підшипники шпинделів. Недоліки описаного механізму, що врівноважує, наступні: - ручне трудомістке настроювання зусилля пружин; - наявність дисбалансу в шпинделях викликає незатухаючі коливання в пружинному вузлі, що можуть переходити в резонансні при визначеній частоті обертання шпинделів і викликати підвищений знос підшипників. У якості прототипа обраний пристрій для зрівноважування шпинделя привода валків прокатного стану (а. с. СРСР №1811927 МПК В21В35/14, опубліковано 1983р. Бюл. №16). Пристрій для зрівноважування містить: - підставу; - установлений на підставі через пружину плунжерний гідравлічний циліндр; - гідророзподільник, з'єднаний магістраллю з робочою порожниною гідроциліндра; - гідроакумулятор; - напірну і зливальну магістралі; - кінематичний зв'язок між плунжером гідророзподільника і корпусом гідроциліндра. У цьому пристрою зусилля зрівноважування створюється плунжерним гідравлічним циліндром. Для коректування попередньо обраного зусилля зрівноважування служить кінематичний зв'язок між плунжером гідророзподільника і корпусом гідроциліндра. При пере- або недозрівноважуванні шпинделів корпус плунжерного гідроциліндра зміщається нагору або вниз за рахунок пружини, установленої між ними і підставою і, завдяки кінематичному зв'язкові корпуса з плунжером гідророзподільника, відбувається підвищення або зниження тиску рідини в порожнині гідроциліндра. Тим самим автоматично коректується зусилля зрівноважування шпинделів. Недоліки описаного пристрою зрівноважування наступні: - при виникненні збурювального зусилля через дисбаланс шпинделя інерційність системи «пружина-корпус плунжерного гідроциліндра» приводить до запізнювання відхилення корпуса гідроциліндра і непрогнозованому поводженню пристрою, що врівноважує, розгойдуванню механічної частини у випадку резонансних явищ і в підсумку до поломок шпинделя; кінематичний зв'язок між плунжером гідророзподільника і корпусом гідроциліндра при зносі вимагає коректування і ручного настроювання. В основу винаходу поставлена задача підвищення довговічності елементів привода. Ця задача вирішується за рахунок технічного результату, що полягає в забезпеченні точного зрівноважування шпинделя за рахунок стаціонарної установки плунжерного гідроциліндра на підставі і стабільній підтримці в ньому тиску рідини, який не залежить від коливань шпинделя при його дисбалансі і коливань тиску рідини в напірній магістралі. Для досягнення вищевказаного результату врівноважуючий пристрій шпинделя привода валків кліті прокатного стану, що містить підставу з встановленим на ній плунжерним гідравлічним циліндром, гідророзподільник, з'єднаний магістраллю з робочою порожниною гідроциліндра, гідроакумулятор, напірну і зливальну магістралі, відповідно до винаходу, він постачений редукційним гідроклапаном і датчиком тиску, при цьому гідроакумулятор з'єднаний безпосередньо з робочою порожниною гідроциліндра, гідроклапан встановлений у магістраль, що з'єднує плунжерний гідравлічний циліндр з гідророзподільником, а датчик тиску зв'язаний з редукційним гідроклапаном електричним зворотним зв'язком по тиску робочої рідини, крім того, корпус плунжерного циліндра встановлений на підставі стаціонарно. Крім того, відповідно до винаходу, об'єм гідроакумулятора вибирається по формулі: -1 1 1ù é 1ê 2 ö ú æ 4mw2l o ö n æ p ÷ - ç p + 4mw l o ÷ n ú n Vo = D2l opз êç po o ÷ ÷ ç êç 2 pD2 ø pD2 ø ú è êè ú ê ú ë û де : D - діаметр циліндра; l o - амплітуда коливань центра мас шпинделя; m - маса обертових частин шпинделя; w - швидкість обертання шпинделя; pО - статичний тиск зрівноважування; р3 - тиск зарядки акумулятора; n - показник політропа. У результаті порівняльного аналізу пропонованого рішення з прототипом установлено, що вони мають наступні загальні ознаки: -підставу; - установлений на ньому плунжерний гідравлічний циліндр; гідророзподільник, з'єднаний магістраллю з робочою порожниною гідроциліндра; - гідроакумулятор; - напірну і зливальну магістралі, а також відмітні ознаки: - редукційний гідроклапан; - датчик тиску; гідроакумулятор, з'єднаний безпосередньо з робочою порожниною гідроциліндра; - гідроклапан встановлений у магістралі, що з'єднує плунжерний гідравлічний циліндр з гідророзподільником; - датчик тиску зв'язаний з редукційним гідроклапаном електричним зворотним зв'язком по тиску робочої рідини; - корпус плунжерного циліндра встановлений на підставі стаціонарно; - об'єм гідроакумулятора вибирається по формулі: -1 1ù 1 é 1ê ú 2 ö æ 4mw2l о ö n æ p ÷ - ç p + 4mw l о ÷ n ú n Vo = D2l opз êç pо ÷ ç о êç 2 ÷ 2 pD2 ø ú pD ø è êè ú ê ú ë û де : D - діаметр циліндра; l o - амплітуда коливань центра мас шпинделя; m - маса обертових частин шпинделя; w - швидкість обертання шпинделя; po - статичний тиск зрівноважування; p3 - тиск зарядки акумулятора; n - показник політропа. Таким чином, запропонований врівноважуючий пристрій має нові елементи і нову форму виконання цих елементів, нові зв'язки між ними. Між відмітними ознаками і досягнутим технічним результатом існує причинно-наслідковий зв'язок. Завдяки тому, що пристрій постачений редукційним клапаном і датчиком тиску стало можливим дистанційно, з пульта оператора, настроювати зусилля зрівноважування, а електричний вихідний сигнал датчика тиску може використовуватися в автоматизованих системах керування зрівноважуванням шпинделів, що підвищує точність настроювання, дозволяє знизити динамічні навантаження, а все це підвищує довговічність елементів привода. У зв'язку з тим, що гідроакумулятор і гідроклапан встановлені в магістралі, що з'єднує плунжерний гідравлічний циліндр із гідророзподільником, стало можливим: - підтримувати за рахунок гідроакумулятора і малоінерційності стовпа рідини такий тиск у напірній магістралі, що компенсує динамічні навантаження на ланки шпинделя через дисбаланс при його коливаннях; - підтримувати постійним встановлений в напірній магістралі тиск рідини при коливаннях шпинделя через його дисбаланс за рахунок гідроакумулятора, а також малоінерційність стовпа рідини в плунжерному циліндрі і магістралі, у порівнянні з прототипом, у якому коливанням піддається корпус гідроциліндра; - компенсувати довгострокові коливання рідини в магістралі за рахунок установки в ній редукційного гідроклапана. Усе вищесказане забезпечує підвищення довговічності елементів привода. Завдяки тому, що датчик тиску зв'язаний з редукційним гідроклапаном електричним зворотним зв'язком по тиску робочої рідини, стало можливим автоматично підтримувати тиск у магістралі на заданому рівні, що забезпечує підвищення довговічності роботи елементів привода, виключає ручне регулювання і настроювання вузлів пристрою, що у визначеній мірі впливає на підвищення продуктивності стану за рахунок зменшення його простоїв, зв'язаних з виконанням цих операцій. Завдяки тому, що корпус плунжерного циліндра встановлений на підставі стаціонарно, виключаються його коливання з появою дисбалансу в шпинделях, отже, резонансні явища і можливе руйнування елементів привода, що властиво пристроєві в прототипі. Сказане також забезпечує збільшення довговічності елементів привода. Виключення з вищевказаної сукупності відмітних ознак хоча б одного, не забезпечує досягнення технічного результату. Технічне рішення, що заявляється, промислово застосовано, тому що його технічне і технологічне виконання не представляє труднощів. По цьому рішенню виконаний робочий проект для стану 2000 г.п. Новолипецького металургійного комбінату. Таким чином, технічному рішенню, що заявляється, може бути надана правова охорона, тому що воно є новим, має винахідницький рівень і промислово застосовано, тобто відповідає критеріям винаходу. Технічне рішення, що заявляється, пояснюється кресленням, на якому зображено: фіг.1 - схема врівноважуючого пристрою шпинделя привода валків кліті прокатного стану. Пристрій, що врівноважує, містить плунжерний гідроциліндр 1 із плунжером 2 і корпусом 3, установленим стаціонарно на підставі 4. Плунжер 2 зв'язаний зі шпиндельним вузлом 5, що включає шпиндель 6, шарніри 7, 8. Шпиндельний вузол з'єднує прокатний валок 9 із шестеренним валком 10. Робоча порожнина гідроциліндра зв'язана з магістраллю 11, що з'єднує гідроциліндр із гідроакумулятором 12, редукційним гідроклапаном 13 із пропорційним електричним керуванням, і датчиком 14 тиску з електричним вихідним сигналом, що використовується для керування редукційним клапаном. Магістраль 11 з'єднана через гідророзподільник 15 з напірною 16 і зливальною 17 магістралями. Пристрій, що врівноважує, працює таким чином. У робочу порожнину гідроциліндра 1 подається рідина під тиском, величина якого заздалегідь (по відомій вазі шпинделя 6) установлюється за допомогою редукційного клапана 13. Довгострокові коливання величини цього тиску усуваються за допомогою системи керування (на фіг.1 не показана), яка впливає на редукційний клапан 15 і по отриманому сигналу від датчика тиску 14. Таким чином, вага шпинделя 6 скомпенсована зусиллям, прикладеним до нього від плунжера 2, що дозволяє розвантажити шарніри 7, 8 і опори прокатного валка 9 і шестеренного валка 10. Однак при обертанні шпинделя 6 виникає динамічна складова через незбалансованість шпинделя після деякого зносу шарнірів і зміщення центра мас від осі обертання. У цьому випадку до ваги шпинделя додається або віднімається (у залежності від фази обертання) сила, рівна Fg = mw2r , (1) де Fg - динамічна складова сил, що діють на шпиндель; m - маса шпинделя; w - кутова швидкість обертання шпинделя; r - радіус зміщення циліндра мас шпинделя. Зміщення центра мас шпинделя і, як наслідок, осі його обертання використовується для компенсації динамічної складової по формулі (1) таким чином: так як переміщення плунжера 2 викликає зміну об'єму рідини гідроциліндра і гідроакумулятора, тобто викликає зміну тиску рідини в порожнині гідроциліндра і компенсацію динамічних навантажень. Для того, щоб компенсувати вертикальну складову динамічної сили по формулі (1) за рахунок автоматичної зміни тиску в порожнині гідроциліндра, об'єм акумулятора повинний вибиратися по формулі: -1 1ù 1 é 2 ö ú 1 êæ 4mw2l o ö n æ p ÷ - ç p + 4mw l o ÷ n ú Vo = D2l op3 n êç po o ÷ ÷ ç êç 2 pD2 ø ú pD2 ø è êè ú ê ú ë û де : D - діаметр циліндра; l o - амплітуда коливань центра мас шпинделя; m- маса обертових частин шпинделя; w - швидкість обертання шпинделя; рo - статичний тиск зрівноважування; р3 - тиск зарядки акумулятора; n - показник політропа. У пристрої, що врівноважує, не виникає резонансних явищ, завдяки незначної інерційності робочої рідини, що знаходиться в робочій порожнині гідроциліндра 1 і магістралі 11. Таким чином, пропонований врівноважуючий пристрій дозволяє компенсувати статичні і динамічні складові сил, що діють на шпиндель, що забезпечує точне зрівноважування шпинделя і збільшує довговічність елементів привода.