Шарнір універсального шпинделя

Шарнір універсального шпинделя прокатного стана, до складу якого входять бочкоподібні ролики, обойма й втулка, у яких радіуси півциліндричних пазів виконані більше радіуса середнього перерізу роликів, а центри півциліндричних пазів зміщені щодо ділильної окружності до центра шарніра в обоймі й від центра шарніра у втулці, твірна бочкоподібних роликів обкреслена кривою змінного радіуса, який відрізняється тим, що величина змінного радіуса кривизни поздовжньої твірної ролика визначається з наступної залежності: ρ -ρ ρi = ρ0 + m 3 0 × j3 ; i æαö ç ÷ è2ø 2 3 21946 площини максимального нахилу, що відповідно, збільшує контактні тиски між ними, їхнє зношування й знижує працездатність і довговічність шарніра. Найбільш близьким технічним рішенням [патент Росії №2089308, МПК В21В35/14] є шарнір універсального шпинделя прокатного стана, до складу якого входить обойма, втулка й бочкуваті ролики, установлені між ними в напівциліндричних пазах. Центри напівциліндричних пазів зміщені щодо ділильної окружності до центра шарніра в обойми й від центра шарніра у втулки. Твірна роликів обкреслена кривою змінного радіуса, яка зменшується від середини ролика до його торців. Слід зазначити, що через зменшення радіусів кривизни роликів на відрізках, розміщених ближче до його торців при роботі шарніра в умовах, близьких до граничних значень кутового робочого діапазону зміни кута нахилу шпинделя, зменшуються контактні поверхні в силовому ланцюзі "ролики-пази" і зростають у елементах контактні напруги. Відомо, що напруги на контактній поверхні визначаються відповідно до завдання Герца по формулі: sн = 2 2 A R × E (rp - ri ) ×3 ; 2 B rp ri2 (1) æ1 1 ö A = 0,5ç - ÷; (2) ç ri rp ÷ è ø æ1 1 ö B = 0,5ç + ÷ (3) çr r ÷ iø èi де А і В - коригувальні коефіцієнти; Р - значення сили, яка діє в зоні контакту "пазролик", МН; Е - модуль пружності, МПа; rр - радіус розточення напівциліндричних пазів (величина постійна для одного типорозміру універсального шпинделя), мм; ri - поточна величина радіуса поперечного переріза ролика, мм; r i = r0 + rm - r 0 3 æ aö ç ÷ è2ø r 0 = (1,6... 2,1)l; rm r i - поточна величина поздовжньої кривизни твірної ролика, мм. Аналіз геометричних параметрів ролика й напівциліндричних пазів для і-тих перерізів ролика показує, що при віддаленні плями контакту ролика від центрального перерізу ролика до торця величина під кубічним коренем (формула 1) зростає в 1,5...2 рази. Величина А (формула 2) при віддаленні плями контакту від центрального перерізу ролика до його торця також збільшується. Величина В (формула 3) при зменшенні змінного радіуса поздовжньої кривизни r i від середини ролика до торця також буде трохи збільшуватися, як за рахунок зменшення величини ri, так і за рахунок зменшення величини r i . Це викликає високі контактні тиски, зношування напівциліндричних пазів і роликів, розцентровку обойми щодо втулки за рахунок зношування й биття шпинделя при прокатці, що знижує надійність і довговічність шарніра. В основу корисної моделі поставлене завдання підвищення довговічності шарніра і його надійності. Це завдання вирішується за рахунок технічного результату, який складається в збільшенні площі контактних поверхонь, які сприймають робочі навантаження. Для досягнення вищевказаного результату шарнір універсального шпинделя прокатного стана до складу якого входять бочкуваті ролики, обойма й втулка, у яких радіуси напівциліндричних пазів виконані більше радіуса середнього перерізу роликів, а центри напівциліндричних пазів зміщені щодо ділильної окружності до центра шарніра в обоймі й від центра шарніра у втулки, твірна бочкувати х роликів обкреслена кривою змінного радіуса, відповідно до корисної моделі, величина змінного радіуса кривизни поздовжньої твірної ролика визначається по наступній залежності: × j3 ; i (4) (5) l æaö - r0 × f ç ÷ 2 è 2ø; = a æaö sin - f ç ÷ 2 è 2ø (6) æaö 3 a 6 a 6 æ aö f ç ÷ = - cos + sin ç1 - cos ÷; 2 3 a 2 æaö 2 æaö è 2ø è 2ø ç ÷ ç ÷ 2 è 2ø è2 ø де r 0 - поздовжня кривизна в центральній частині ролика, мм; r m - кривизна твірної ролика в торчовому перерізі, мм; 4 (7) j - кут нахилу дотичних у змінних точках ролика, град; a - кут перекосу шарніра, град; l - довжина ролика, мм; крім того, торчовий радіус поперечного переріза ролика визначається по залежності: 5 rm = rp l a tg 2 2 та rp = 21946 l 4 a 2 де rр - радіус розточення напівциліндричних пазів обойми й втулки, мм. В наслідок порівняльного аналізу запропонованого шарніра універсального шпинделя із прототипом установлено, що вони мають наступні загальні ознаки: - обойму й втулку, у яких радіуси напівциліндричних пазів виконані більше радіуса середнього перерізу роликів; - центри напівциліндричних пазів зміщені щодо ділильної окружності до центра шарніра в обоймі й від центра шарніра у втулки; - бочкуваті ролики, у яких твірна обкреслена кривою змінного радіуса; а також відмінні ознаки: - величина змінного радіуса кривизни поздовжньої твірної ролика визначається по залежності r -r r i = r0 + m 3 0 × j3 ; i æ aö ç ÷ è2ø - торчовий радіус поперечного переріза ролика визначається по залежності rp l a l rm = - tg та rp = a 2 2 4 cos 2 де rр - радіус розточення напівциліндричних пазів обойми й втулки, мм. Таким чином, запропонований шарнір універсального шпинделя має нове конструктивне виконання вузлів і деталей, нові зв'язки вузлів і деталей, а також нове розміщення їх відносно один одного. Між відмінними ознаками й технічним результатом, який досягається, існує причиннонаслідковий зв'язок. Завдяки тому, що величина змінного радіуса поздовжньої кривизни твірної ролика визначається r -r по кубічній залежності r i = r 0 + m 3 0 × j3 та геоi æaö ç ÷ è 2ø метричні параметри ролика згідно формули корисної моделі стали такими, що стало можливим зменшити зазор у зачепленні "паз-ролик", збільшити площі контактних поверхонь, які сприймають навантаження при всіх кута х нахилу шпинделя, у тому числі при максимальних, що приводить до зниження тисків на одиницю контактної площі й підвищує довговічність. Виключення з вищевказаної сукупності відмінних ознак хоча б одного не забезпечує досягнення технічного результату. Технічне рішення, яке заявляється, невідомо з рівня техніки й тому воно є новим. Рішення, яке заявляється, промислово застосовано, тому що його технологічне й технічне виконання не представляє труднощів. По цьому технічному рішенню виконаний проект привода машини, трубозварювального агрегату Харцизького тр убного заводу. cos 6 Таким чином, технічному рішенню може представлятися правова охорона, тому що воно є новим і промислово застосовано, тобто відповідає критеріям корисної моделі. Технічне рішення пояснюється кресленнями, на яких зображені: Фіг.1 - загальний вид шарніра універсального шпинделя; Фіг.2 - положення ролика при куті перекосу шарніра a ; Фіг.3 - параметри ролика, побудова твірної ролика; Фіг.4 - ділянки поздовжніх профілів роликів. Роликовий шарнір (Фіг.1) включає втулку зі сферичною головкою 1, обойму 2, насаджену на вал 3 приводу. Між втулкою 1 й обоймою 2 у нарізаних на них напівциліндричних пазах установлені бочкуваті ролики 4 із хвостовиками для передачі крутного моменту від обойми до головки й навпаки. Сферична головка 1 й обойма 2 сполучені між собою по сферичних контактних поверхнях сфери D через сферичні кільця 5, 6, 7. Кільце 5, що обмежує осьовий зсув роликів 4 убік обойми, жорстко встановлено на головку 1 і контактує з кільцем 6, установленому в обоймі 2. Кільце 7 установлене в кришці 8, зафіксованої в обоймі за допомогою байонетового з'єднання. Для ущільнення кришки 8 використається гумовий шнур 9. Для виключення повороту кришки 8 щодо обойми 2 у прорізі встановлені фіксатори 10, які кріпляться упорами 11. Фігурна кришка 12 закріплена болтами 13 на торці кришки 8. У кільцевій проточці фігурної кришки 12 установлене ущільнення 14, яке контактує, як зі сферою D головки 1, так і з похилою поверхнею кришки 8, що забезпечує надійне втримання змащення в роликовому шарнірі. На посадковій поверхні обойми 2 нарізані шліци 15 для з'єднання із приводним валом 3. Для подачі змащення в шарнір передбачені пробки 16. Змащення накачується в один з отворів при відгвинчених двох інших пробках. Для роликових шарнірів використається металоплакируюче змащення типу СМ-02 "Л" ТУ38.101.1075-86. Після заповнення мастильної порожнини пробки 16 загвинчуються. На Фіг.4 представлені криві 19, 20, 21, 22, що відповідають твірним криволінійним поверхням роликів у заявленому рішенні, аналогу й прототипі. Універсальний шарнір працює таким чином. При роботі в діапазоні кутів нахилу ± a між деталями 1 і 2 бочкуваті ролики 4 нахиляються щодо своєї поздовжньої осі на кут a 2 (Фіг.2). На Фіг.2 показане розташування ролика в напівциліндричних пазах 17 головки 1 і напівциліндричних пазах 18 обойми 2, які під кутом a перетинаються в точці О геометричних осей О1О2 та О3О 4. Ролик зображений на Фіг.2 у положенні, яке найбільш віддалено від площини, яка утворена цими осями. При цьому його центральна точка перебуває на перпендикулярі до площини осей шарніра, проведеному через точку О перетинання цих осей. Через відносний поворот напівциліндричних пазів 17 й 18 діаметри поперечних перерізів розміщеного в них ролика убувають при переході від середнього перерізу ролика до торчового. При цьому радіус 7 21946 середнього поперечного переріза ролика менше радіуса розточення пазів. Геометрична вісь ролика О5О 6 розташовується до осей пазів на кут a 2 . Твірна 19 криволінійної поверхні ролика має зменшуючий кут нахилу дотичної до осі О5 О6 ролика при переміщенні від торця ВС й AD до середини ролика. Це дозволяє універсальному шпинделю працювати й при кутах менше ніж a . Пропоноване технічне рішення передбачає в точці А0 (Фіг.3) кривизну r 0 відповідно до формули 5. При цьому центри радіусів кривизни К0 і Кm розташовуються на осі симетрії шарніра, а інші точки Кі будуть розташовуватися на деякій кривій еволюте твірної АА0 робочої поверхні ролика. Кут нахилу дотичної до твірної у кінцевій точці А зберігається рівним a 2 , а в точці А0=0. При цьому радіус r m поздовжньої кривизни твірної ролика в точці А (Фіг.3) буде більше радіуса R, що позитивно позначиться на контактній міцності. Твірна по технічному рішенню аналога показана у вигляді кривій 20 (Фіг.4). Відома також крива 21, яка використовується як твірна роликів та є 8 l частиною дуги окружності з радіусом R = a 2 [стаття Антонюк Е.Я., Бобух В.И. Исследование роликових шарниров с завышенными углами перекоса. / ТЗНП "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні" ДДМА Краматорськ-Словянск, 2003]. Твірна роликів по технічному рішенню прототипу відповідає кривій 22. Як видно з порівняльного аналізу кривих наведених на Фіг.4. найбільш сприятливою для контактної міцності є поздовжня твірна ролика, яка реалізується через математичний кубічний закон відповідно формули те хнічного рішення. При цьому торчовий радіус ролика залежить тільки від геометричних параметрів ролика l , радіуса розточення напівциліндричних пазів rр і максимального кута універсального шарніра (формули 8 й 9). Інші параметри профілю ролика rm, am, r m й r0 визначаються по відомих формулах і прораховуються по комп'ютерній програмі. Показання цих параметрів представлені в таблиці 1 для R0=212,5мм й rр=37,5. 2 sin Таблиця 1 a° j° rm am rm r0 15° 7,5° 27,95 6,52 1582,23 34,467 12° 6° 29,82 5,74 2153,5 35,57 9° 4,5° 31,71 4,7 3106,6 36,42 j - кут нахилу дотичних у змінних точках ролика, град; a - кут перекосу шарніра, град; аm - торцева стрілка зміни поперечного радіуса ролика ri, яка характеризує величину зазору в роликовому зачепленні; rm - торчовий радіус поперечного переріза ролика, мм; 7,5° 3,75° 32,66 4,09 3869,5 36,75 6° 3° 33,62 3,4 5014,4 37,02 4° 2° 34,9 2,382 7877,7 37,29 r m - кривизна твірної ролика в торчовому перерізі, мм; r0 - серединний радіус ролика, мм. Із усього вище наданого видно, що запропонована конструкція універсального шарніра із профілем кривизни поздовжньої твірної ролика, згідно формули корисної моделі, дозволяє забезпечити підвищення надійності шарніра та його довговічності. 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 21946 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601