Шарнір універсального шпинделя

Шарнір універсального шпинделя, що містить сферичну головку з осьовим розточенням й обойму з півциліндричними пазами, в яких установлені бочкуваті ролики, причому обойма виконана складовою, яка містить роликовий корпус і встановлену на валу центруючу м уфту із фланцем, зв'язані за допомогою з'єднувальних елементів, а головка жорстко встановлена на з'єднувальному валу шпинделя, який відрізняється тим, що оснащений кожухом, який охоплює фланець центруючої муфти і торцеву частин у роликового корпусу, вал центруючої муфти виконаний із цапфою, а роликовий корпус виконаний складовим, який складається із зовнішньої гільзи й центруючої втулки з розміщеним у ній підшипником, установленим на цапфі вала, при цьому осьове розточення сферичної головки виконане ступінчастим, розміри якого забезпечують вільне розміщення в ній центруючої втулки роликового корпусу, а з'єднувальні елементи, які зв'язують роликовий корпус і центруючу муфту, виконані у вигляді пружних циліндричних стрижнів, кінці яких установлені в отворах деталей і виконаних з поверхнями, кожна з яких складається із чотирьох ділянок, які сполучаються послідовно, з розмірами: - циліндрична ділянка з посадковим розміром dH8 і Корисна модель відноситься до прокатного виробництва й може бути використана як з'єднувальний вузол, який зв'язує шпиндель прокатного стана з електроприводом. Відомий шарнір універсального шпинделя прокатного стана [патент України №21908, МПК В21В35/14], що включає головку, яка жорстко встановлена на сполучному валу шпинделя й обойму з напівциліндричними пазами, у яких установлені бочкуваті ролики, для передачі крутного моменту від обойми до головки й навпаки. Недоліком аналога є те, що при передачі крутного моменту шпинделем від двигуна до машини, наприклад робочої прокатної кліті, універсальний шарнір з роликами не знижує приведеної жорсткості шпинделя, тому що кут закручування обойми щодо головки на порядок менше в порівнянні з кутом закручування з'єднувального вала шпинделя, і це приводить до високих значень моменту пружності та сумарного крутного моменту на шпинделі, що зменшує довговічність шпинделя. Найбільш близьким технічним рішенням, є шарнір універсального шпинделя прокатного ста U ù (19) UA (11) 37353 (13) éd довжиною 11 ³ ê + (1 - cos a) × Lú , де ë2 û d - номінальний діаметр пружного стрижня; α - максимальний кут нахилу вала шпинделя; L - довжина універсального шпинделя по шарнірах; - конічна ділянка, більший діаметр d1 якої дорівнює (dH8 + 0.002d) , a довжина цієї ділянки 12=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r3 £ 150d і довжиною 1 3=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r4 £ 110d і довжиною 1 4=d. 3 37353 на [патент України №63729 МПК В21В35/14], що включає головку й обойму з напівциліндричними пазами, у яких установлені бочкуваті ролики. Головка жорстко встановлена на з'єднувальному валу шпинделя. При цьому обойма складається із двох деталей, роликового корпуса й муфти, яка центрує. Ці деталі зчленовані рухли вим шліцевим з'єднанням і фланцевим болтовим з'єднанням. Так як, бічні зазори в шліцевому з'єднанні між охоплюваною муфтою, яка центрує, і роликовим корпусом менше, ніж тангенціальне переміщення в роликовому шарнірі, то момент пружності в шліцевому з'єднанні більше, ніж у роликовому шарнірі, а приведена жорсткість шпинедля при цьому аналогічна жорсткості універсального роликового шарніра. З погляду динаміки, шпинделі прокатних станів навантажені крутними моментами, які складаються, як мінімум, із двох складових: Мкр= Мст± Муп (1) де Мст - статичний крутний момент, залежний від те хнологічного навантаження; Муп - момент від сил пружності. Myn=J dw = j × Сприв. dt (2) де J - приведений до вала машини момент інерції деталей валопровода; да; dw -кутове прискорення деталей валопровоdt dw- збільшення швидкості; dt - час, за який відбувається збільшення швидкості; Сприв - приведена жорсткість валопровода ; j - кут закручування пружних деталей валопровода. Для зменшення Муп необхідно в першу чергу збільшити величину dt під час захвата валками металу, тобто час за який відбувається ріст швидкості до технологічних параметрів, а щоб збільшити dt необхідно збільшити кут закручування j пружних деталей валопровода, а значить зменшити в момент початку росту навантаження приведену жорсткість валопровода Сприв. Високі значення моменту пружності Муп знижують довговічність універсальних шарнірів. В основу корисної моделі поставлене завдання - збільшення довговічності й надійності деталей універсального шарніра шпинделя й привода в цілому. Це завдання вирішується за рахунок технічного результату, який складається в зміні приведеної жорсткості універсального шарніра шпинделя за заданим законом: від мінімального значення (на початку росту навантаження) до максимального значення (наприкінці росту навантаження). Для досягнення вищевказаного результату шарнір універсального шпинделя прокатного стана, який містить сферичну головку з осьовим розточенням й обойму з напівциліндричними пазами, у яких установлені бочкуваті ролики, при чому обойма виконана складовою, яка містить роликовий корпус і встановлену на валу центр уючу муфту із фланцем, зв'язані за допомогою з'єднувальних елементів, а головка жорстко встановлена на 4 з'єднувальному валу шпинделя, відповідно до корисної моделі, постачений кожухом, який охоплює фланець центруючої муфти і торцеву частину роликового корпуса, вал центруючої муфти виконаний із цапфою, а роликовий корпус виконаний складовим, який складається із зовнішньої гільзи й центруючої втулки з розміщеним у ній підшипником, установленим на цапфі вала, при цьому осьове розточення сферичної головки виконане ступінчастим, розміри якого забезпечують вільне розміщення в ній центруючої втулки роликового корпуса, а з'єднувальні елементи, які зв'язують роликовий корпус і центруючу муфту виконані у вигляді пружних циліндричних стрижнів, кінці, яких установлені в отворах деталей і виконаних з поверхнями, кожна з яких складається із чотирьох ділянок, які сполучаються послідовно, з розмірами: - циліндрична ділянка з посадковим розміром dH8 і довжиною I1 ³ é d + (1 - cos a ) × Lù , де ê ú ë2 û d - номінальний діаметр пружного стрижня; a - максимальний кут нахилу вала шпинделя; L- довжина універсального шпинделя по шарнірах; - конічна ділянка, у якому більший діаметр d1 дорівнює (dH8 + 0.002d) , а довжина цієї ділянки І2=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r3 £ 150d і довжиною І3=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r4 £ 110d і довжиною І4=d. У результаті порівняльного аналізу пропонованого шарніра універсального шпинделя із прототипом установлено, що вони мають наступні загальні ознаки: - сферичну головку з осьовим розточенням; - обойму з напівциліндричними пазами; - установлені в пазах головки й обойми бочкуваті ролики; - виконання обойми складовою, що містить роликовий корпус і встановлену на валу центруючої муфти із фланцем; - з'єднання роликового корпуса й центруючої муфти з'єднувальними елементами; - установлення сферичної головки жорстко на з'єднувальному валу шпинделя; а також відмінні ознаки: - постачання кожухом, який охоплює фланець центруючої муфти і частини роликового корпуса; - виконання вала центруючої муфти із цапфою; - виконання роликового корпуса складовим, який складається із зовнішньої гільзи й центруючої втулки; розміщення у центруючій втулці підшипника, установленого на цапфі вала; - виконання осьового розточення сферичної головки ступінчастим, розміри якої забезпечують вільне розміщення в ній центруючої втулки роликового корпуса; - виконання з'єднувальних елементів, що зв'язують роликовий корпус і центруючу муфту у вигляді пружних циліндричних стрижнів, кінці, яких установлені в отворах деталей; 5 37353 - виконання вищезгаданих отворів з поверхнями, які складаються із чотирьох ділянок, які сполучаються послідовно, з розмірами: - циліндрична ділянка з посадковим розміром dH8 і довжиною ділянки І1 ³ é d + (1 - cos a ) × Lù , де ê ú ë2 û d - номінальний діаметр пружного стрижня; a - максимальний кут на хилу вала шпинделя; L- довжина універсального шпинделя по шарнірах; - конічна ділянка, у якому більший діаметр d1 дорівнює (dH8 + 0.002d) , а довжина цієї ділянки І2=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r3 £ 150d і довжиною І3=d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r4 £ 110d і довжиною І4=d. Таким чином, запропонований шарнір універсального шпинделя має нові деталі й нове конструктивне виконання деталей, нові зв'язки між деталями, а також нове розміщення їх відносно один одного. Між відмінними ознаками й технічним результатом, що досягається, існує причиннонаслідковий зв'язок. Завдяки тому, що шарнір постачений кожухом, який охоплює фланець центруючої муфти і торцеву частин у роликового корпуса, вал центруючої муфти виконаний із цапфою, а роликовий корпус виконаний складовим, який складається із зовнішньої гільзи й центруючої втулки з розміщеним у ній підшипником, установленим на цапфі вала, при цьому осьове розточення сферичної головки виконане ступінчастим, розміри якого забезпечують вільне розміщення в ній центруючої втулки роликового корпуса, а з'єднувальні елементи, які зв'язують роликовий корпус і центруючу муфту, виконані у вигляді пружних циліндричних стрижнів, кінці, яких установлені в отворах деталей і виконаних з поверхнями, кожна з яких складається із чотирьох ділянок, які сполучаються послідовно, з розмірами: - циліндрична ділянка з посадковим розміром dH8 і довжиною І1 ³ é d + (1 - cos a ) × Lù , де ê ú ë2 û d - номінальний діаметр пружного стрижня; a - максимальний кут нахилу вала шпинделя; L- довжина універсального шпинделя по шарнірах; - конічна ділянка, у якому більший діаметр d1 дорівнює (dH8 + 0.002d) , а довжина цієї ділянки І2 =d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r3 £ 150d і довжиною І3= d; - криволінійна ділянка з радіусом кривизни r4 £ 110d і довжиною І4=d, стало можливим, змінюючи приведену жорсткість універсального шарніра шпинделя від мінімального значення до максимальної величини, управляти величиною крутного моменту Мкр універсального шарніра шпинделя й величиною моменту Муп від сил пр ужності при зростанні наван 6 таження. При мінімальній жорсткості шарніра, наприклад у момент захвата валками металу, зменшується динамічна складова крутного моменту Мкр в універсальному шпинделі й приводі в цілому й забезпечується збільшення довговічності й надійності деталей універсального шарніра й привода в цілому. Збільшення жорсткості шарніра наприкінці захвата в порівнянні із жорсткістю з'єднувального вала забезпечує постійну приведену жорсткість, величина якої дозволяє досягати необхідну точність технологічних операцій. Виключення з вищевказаної сукупності відмінних ознак хоча б одного не забезпечує досягнення технічного результату. Технічне рішення пояснюється кресленнями, на яких зображені: Фіг.1 - загальний вид шарніра універсального шпинделя; Фіг.2 - місце А на Фіг.1 , профіль отворів під пружні стрижні. Роликовий шарнір (Фіг.1) включає сферичну головку 1 з осьовим розточенням 2, жорстко встановлену на з'єднувальному валу 3 шпинделя й обойму 4. Між втулкою 1 й обоймою 4 у нарізаних напівциліндричних пазах установлені бочкуваті ролики 5. Обойма 4 виконана складовою і містить роликовий корпус 6 і муфту 7, що центрує, яка жорстко встановлена на веденому валу 8. Муфта, що центрує 7 виконана із фланцем 9, у якому виконані наскрізні отвори 10. Роликовий корпус 6 виконаний складовим і містить зовнішню гільзу 11, яка є силовою оболонкою корпуса й втулку, яка центрує 12. Ведений вал 8 виконаний із цапфою 13, на яку через підшипник 14 насаджена втулка, що центрує 12 роликового корпуса 6. У торці роликового корпуса 6 виконані глухі отвори 15, які в зібраному виді співвісні з отворами 10 на фланці 9 муфти 7. В отвори 10 й 15 установлені з'єднувальні елементи у вигляді пружних циліндричних стрижнів 16, які зв'язують роликовий корпус 6 і муфту 7. Зовнішня поверхня втулки 12 із зазором розташована в ступінчастому осьовому розточенні 17 головки 1. На фланець 9 муфти 7 установлений захисний кожух 18, який охоплює торцеву частину роликового корпуса 6 й утворює разом з гільзою 11 загальну зовнішню поверхню обойми 4. Отвори 10 й 15 виконані з поверхнями, що складаються із чотирьох ділянок, які сполучаються послідовно: циліндрична ділянка 19, конічна ділянка 20, криволінійна ділянка 21 і криволінійна ділянка 22 (Фіг.2). Розміри чотирьох ділянок 1-4 (поз.19, 20, 21 й 22) виконані по розмірам, наведеним у формулі корисної моделі. З'єднувальний вал 3 універсального шпинделя з іншого кінця жорстко з'єднаний з обоймою 23 роликового шарніра, сферична головка 24 якого жорстко встановлена на провідному приводному валу 25. Шарнір універсального шпинделя працює наступним чином. Крутний момент Мкр від привода через провідний вал 25 роликового шарніра за допомогою головки 24 й обойми 23 передається на з'єднувальний вал З через осьове розточення 2 передається на сферичну головку 1. Сферична 7 37353 головка 1 за допомогою бочкувати х роликів 5 передає Мкр на роликовий корпус 6, який за допомогою зовнішньої гільзи 11 й отворів 15 передає Мкр на пружні стрижні 16, які у свою чергу передають обертання через отвори 10 фланцю 9 муфти 7 і далі на вал 8, пов'язаний з виконавчим органом машини. При цьому втулка 12 і підшипник 14 вільно переміщаються щодо цапфи 13 завдяки розточенню 17 у головці 1. Кожух 18 обертається разом із фланцем 9 і переміщається щодо обойми 4 при зміні кута нахилу шпинделя а і пружної деформації стрижнів 16. При виконанні технологічної операції крутний момент Мкр (формула 1) різко зростає до величини статичного крутного моменту Мст, при цьому в обертових деталях, які пружно деформуються з кутовим прискоренням e = dw (збільшення dt кутової швидкості до часу, за який відбувається збільшення швидкості) виникає додатковий крутний момент J dw . Таким чином, величина крутного dt моменту дорівнює: Мкр=Мст+ J dw (3). dt Негативний вплив на довговічність і надійність деталей шарніра робить величина J dw , тому для dt її зменшення використовуються в складі шпинделя пружні елементи 16, які установлені в отворах виготовлених з розмірами, зазначеними у формулі корисної моделі. Це досягається за рахунок зміни жорсткості пружних стрижнів 16. Мінімальна величина жорсткості наступає при максимальному згинання стрижнів 16 при максимальній довжині стрижнів, які контактують із поверхнями отворів 10 й 15 (Фіг.2). Максимальна величина граничного крутного моменту наступає, коли стрижні взаємодіють із профільною ділянкою опорного отвору, що має мінімальний радіус кривизни. Дослідження згинання стрижнів, установлених в отворах, виконаних із зазначеними параметрами показали, що величина напруг у стрижнях залежить від величини ri / d , де ri - радіус кривизни ί тої ділянки. Для ділянки 20 (Фіг.2) при оптимальних відносинах r2 / d =300 величина напруг s i =350МПа, для третьої ділянки 21 при r3 /d =150, s i =700МПа, для четвертої ділянки 22 при r 4 / d=110, s i =945МПа, що оптимально, наприклад, для матеріалу стрижнів 60С2А-4А, що має при модулі пружності Е=2,1´106кг/см 2, граничну напругу текучості [sТ ] =1200МПа й гранична напруга розриву [sB ] =1300МПа. Дослідження показали, що при діаметрі пружних стрижнів d=20мм, розташованих по окружності 8 з напівдовжиною 95мм і з жорсткістю сполучного вала Ссв=8400кНм/рад. на першому етапі навантаження на ділянці 19 лінійне згинання пружних елементів забезпечує їхня жорсткість Суп 1=3212кНм/рад. На другому етапі навантаження на границі від другої 20 до третьої ділянки 21 маємо стрибок жорсткості Суп 2=3503кНм/рад. Для третього етапу навантаження жорсткість системи пружних стрижнів збільшується до Суп 3=5084кНм/рад. Для четвертого етапу навантаження жорсткість системи пружних стрижнів становить Суп 4=9100кНм/рад. Приведена жорсткість шпинделя із пружними елементами визначається зі співвідношення: 1 = Спривi 1 1 1 S + Супі Ссв (4) При згинанні стрижнів по профілю першої ділянки 19 приведена жорсткість дорівнює Сприв1=2325,6кНм/рад. При згинанні стрижнів по профілю другої ділянки 20 приведена жорсткість дорівнює Сприв2=2459кНм/рад. При згинанні стрижнів по профілю третьої ділянки 21 приведена жорсткість дорівнює Сприв3=3184кНм/рад. При згинанні стрижнів по профілю четвертої ділянки 22 приведена жорсткість дорівнює Сприв4=4387кНм/рад. Таким чином, пропоноване технічне рішення забезпечує збільшення жорсткості пружних елементів від мінімального 3212кНм/рад значення до максимального значення 9100кНм/рад наприкінці росту навантажування, а приведена жорсткість росте відповідно від 2325кНм/рад до 4387кНм/рад. Запропоноване технічне рішення корисної моделі в порівнянні зі звичайним роликовим шпинделем забезпечує збільшення кутів повороту j , а значить і збільшення dt і зниження Муп і відповідно Мкр у порівнянні з аналогами наступним чином: - на початку росту навантажування в 3,61 разів - у середині росту навантажування в 2, 64 рази - наприкінці росту навантажування в 1, 9 рази. Границі етапів навантажування визначаються границями зміни жорсткості пружних елементів й приведеній жорсткості шпинделя в цілому. Із усього вище описаного видно, що запропонована конструкція шарніра універсального шпинделя згідно формули корисної моделі, дозволяє за рахунок збільшення несучої здатності шарніра забезпечити підвищення, довговічності й надійності універсального шарніра шпинделя й привода в цілому. 9 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 37353 Підписне 10 Тираж 28 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