Шарнір універсального шпинделя

Корисна модель відноситься до приводів прокатних станів, а саме до універсальних шпинделів, які використовують для передачі крутних моментів і може бути використана як шарнір шпинделів у лініях прокатних станів. Відомо технічне рішення роликової муфти [патент України №21908, В21В35/14] в якості шпиндельного шарніра на прокатному стані. Муфта складається зі сферичної головки з напівциліндричними пазами й кільцевою проточкою для виходу інструмента, а також обойми з напівциліндричними пазами. У напівциліндричних пазах розташовані бочкуваті ролики із хвостовиками, довжина яких дорівнює ширині кільцевої проточки. Головка й обойма сполучаються між собою по сферичних контактних поверхнях. Недоліки роликової муфти: - через відсутність засобів для підведення змащення в роликові порожнини відбувається швидке зношування сферичних поверхонь; - конструкція шарніра не забезпечує швидкої заміни сферичних контактних кілець в обоймі, а також відновлення оптимальних зазорів на поверхні тертя. За прототип обрана роликова муфта [патент України № 63729 МПК В21В35/14], що включає головку та обойму з напівциліндричними пазами, у яких установлені бочкуваті ролики, контактні сферичні кільця, за допомогою яких сполучені між собою головка й обойма. У прототипі усунуті деякі недоліки попередньої конструкції роликового шарніра. У корпусі обойми виконані отвори для змащення, що зменшує зношування тертьових елементів шарніра. Завдяки тому що, одне з контактних кілець вмонтовано в кришку, яке має можливість переміщення відносно обойми, стало можливим при поточному зношуванні сферичних кілець взаємно перемістити їх на величину зношування А відносно головки, і відновити первісні зазори, тобто компенсувати зношування поверхонь і виключити виникнення динамічного биття у шарнірі. При граничному зношуванні сферичного контактного кільця демонтаж втулки, і заміна сферичного контактного кільця та монтажу роликової муфти в робоче положення вимагають значно менше часу, тому що завдяки шліцевому з'єднанню роликового корпуса й втулки демонтаж вищевказаних деталей став зручним , без трудомісткого розбирання роликового з'єднання муфт. Однак у такому технічному рішенні є недоліки : - для ревізії (перевірки) зношування силових елементів роликового шарніра необхідне розбирання шарнірного вузла на спеціальному стенді поза лінією прокатного стана, тобто для демонтажу універсальних шарнірів потрібна зупинка прокатного стана. Не передбачена можливість визначати зношування тертьових поверхонь без демонтажу всього шарніра. В основу корисної моделі поставлене завдання підвищення продуктивності прокатного стана. Це завдання вирішується за рахунок технічного результату, що складається в можливості візуального визначення зношування елементів шарніра на індикаторі (міряльному пристрою) без демонтажу, що підвищує працездатність прокатного стана до зупинки. Для досягнення вищевказаного результату шарнір універсального шпинделя, що включає головку й обойму з півциліндричними пазами, у яких установлені бочкоподібні ролики, контактні сферичні кільця, за допомогою яких сполучені між собою головка й обойма, а одне з контактних кілець вмонтовано в кришку з можливістю переміщення щодо обойми, відповідно до корисної моделі, шарнір обладнаний індикатором, установленим на головці та стрілкою для фіксації тангенціальних переміщень, яка закріплена на обоймі напроти індикатора. Крім того, індикатор має позначки величини тангенціального переміщення під навантаженням. У результаті порівняльного аналізу пропонованого шарніра універсального шпинделя із прототипом установлено, що вони мають наступні загальні ознаки: - головку й обойму з напівциліндричними пазами; - у пазах установлені бочкуваті ролики; - контактні сферичні кільця, за допомогою яких сполучені між собою головка й обойма; - одне з контактних кілець вмонтовано в кришку з можливістю переміщення щодо обойми; а також відмінні ознаки: - шарнір обладнаний індикатором, установленим на головці; - шарнір обладнаний стрілкою для фіксації тангенціальних переміщень, що закріплена на обоймі напроти індикатора; - індикатор має позначки величини тангенціального переміщення під навантаженням. 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 причинно-наслідковий зв'язок. Завдяки тому, що шарнір обладнаний індикатором, установленим на головці й стрілкою, яка закріплена на обоймі для фіксації тангенціальних переміщень, стало можливим без демонтажу шпинделя в будь-який період часу визначити величину зношування силових елементів напівциліндричних пазів і роликів шарнірного з'єднання по положенню стрілки на індикаторі, що приводить до скорочення часу простою прокатного обладнання пов'язаного з демонтажем і монтажем шарнірного вузла для виявлення зношування названих вище елементів, та приводить до підвищення продуктивності прокатного стана. 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. Технічне рішення, яке заявляється, промислове застосовано, тому що його технологічне й технічне виконання не представляє труднощів. По цьому технічному рішенню виконаний робочий проект шарніра для дресировочного стана 1700-1 МК «Запоріжсталь». Таким чином, запропонованому те хнічному рішенню може представлятися правова охорона, тому що воно є новим й промислове застосованим, тобто відповідає критеріям корисної моделі. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких зображені: фіг.1 - загальний вид шарніра універсального шпинделя; фіг.2 - вид А на фіг.1; фіг.3 - місце Б на фіг.2, силовий ланцюг без зношування шарнірних силових шарнірних елементів; фіг.4 - місце Б на фіг.2, силовий ланцюг зі зношуванням силових шарнірних елементів. Шарнір універсального шпинделя (фіг.1, 2, 3, 4) включає сферичну головку 1, обойму 2. У напівциліндричних пазах 3 головки 1 і напівциліндричних пазах 4 обойми 2 розміщені ролики 5. Завдяки гарантованому зазору між сферичною головкою 1 (D) і розточенням Dpo обойми 2 та зсуву розточень напівциліндричних пазів 3 й 4 на величину 2е (фіг.3), ролики 5 вільно переміщаються щодо осі шарніра на вільний кут ji який підсумовує тангенціальний взаємний зсув головки 1 й обойми 2. Індикатор 6 (фіг.2) установлено на головці 1 за допомогою кріплення 7. На індикаторі 6 є позначки, які відповідають нормальному зношуванню «N» (Norma) і граничному зношуванню «U» (Usure) силових елементів напівциліндричних пазів і роликів універсального шарніра. Стрілка 8 закріплена на обоймі за допомогою гвинтів 9 й 10. Зі сферичною головкою 1 сполучені сферичні контактні кільця 12 й 13 (фіг.1). Причому кільце 12 установлене в обоймі 2, а кільце 13 установлене в кришці 14. Кришка 14 має можливість переміщатися на величину D (фіг.1) щодо обойми 2 за рахунок зменшення товщини набору прокладок 15 і кріпильних деталей 16. Кільце 13 сполучене зі сферичним кільцем 17, яке нерухомо встановлено на головці 1. Для герметизації порожнини шарніра встановлене ущільнювальне кільце 18, яке переміщається разом із кришкою 19. Для подачі змащення в обоймі 2 передбачені не менш трьох отворів закритих пробками 20. Виявлення зношування силових елементів шарніра універсального шпинделя відбувається таким чином. Тангенціальне переміщення головки 1 й обойми 2 фіксується індикатором 6 і стрілкою 8 . Індикатор 6 має позначки нормального тангенціального переміщення «N» і величину переміщення відповідному критичному зношуванню «U» силових елементів: напівциліндричних пазів і роликів сферичних поверхонь (фіг.2, 4). За допомогою стрілки 8 й індикатора 6 з'явилася можливість візуального визначення зношування силових елементів: напівциліндричних пазів і роликів універсального шарніра й відпала необхідність передчасно проводити демонтажні роботи для заміни універсального шпинделя, що підвищує виробіток прокатного стана до його планової зупинки. При граничному зношуванні силових деталей шарніра універсальний шпиндель демонтують і заміняють новим. Кількість замін зменшується в 5...8 разів, тому і продуктивність прокатного стана зростає. Градуювання індикатора виконується на основі приведених розрахунків. Довжина ділянки окружності (ZCN) на індикаторі від нульової позначки «0» до позначки нормального зношування «N» ( фіг.2 й 3) визначається по вираженню: Z (R - m) ZCN = N O (1) 2RO , де ZN - величина тангенціального переміщення обойми й головки по ділильній окружності при нормальному зношуванні, мм; RO - радіус ділильної окружності, мм; M - довжина стрілки від її вістря до діаметра ділильної окружності, мм. Довжина ділянки окружності (ZCU) на індикаторі від нульової позначки «О» до позначки граничного зношування «U» (фіг.2 й 4) визначається по вираженню: Z (R - m) ZCU = U O (2) 2RO , де ZU - величина тангенціального переміщення обойми й головки по ділильній окружності при їхньому граничному зношуванні, мм; RO - радіус ділильної окружності, мм; m - довжина стрілки від її вістря до діаметра ділильної окружності, мм; Розрахунок зношування силових елементів шарніра розглядається в статті «Повышение эксплуатационной надежности роликовых шпинделей прокатных станов внедрением совершенствованных методов их расчета», Бобух В.И., Федоренко Л.Н. в тематическом сборнике научных тр удов ДГМА / «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении» / Краматорск 2004г. Досвід експлуатації роликових шпинделів показав, що в роликовому шарнірі повинний працювати тільки один силовий ланцюг: обойма 2 - ролики 5 - головка 1 (фіг.2). Між розточенням обойми Dpo і діаметром сфери D передбачається рівномірний зазор по ділильному діаметрі установки роликів Do = 2Ro. Вільний кут ji (фі г.3) кінематичного ланцюга роликового шарніра визначається : z ji = arccos(1 ) (3) 4A , де z - величина тангенціального переміщення, мм А - відстань між центрами розточень в обоймі й у головці, мм rp A = ( - 1) × 2ro (4) rp , де rp. - раді ус напівциліндричних пазів, мм; rp - радіус ролика в середньому (максимальному) перерізі, мм. Реактивні сили РjI ( фіг.3 й 4) з боку обойми на ролик : Pji = M k A kHk HK n(R o ± ro ) sin ji , (5) де М - крутний момент, переданий шарніром, МНм; КА = 1,5...3...3,0 - коефіцієнт, що враховує динамічне навантаження; КН. = 1,25 - коефіцієнт нерівномірності навантаження по роликах; КНК = 1,18 - коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу навантаження по довжині контакту; n - кількість роликів у шарнірі, шт.; ji - поточний вільний кут контакту, рад/град; RO - радіус ділильної окружності, мм; rо - радіус ролика в середньому (максимальному) перерізі, мм. Під навантаженням відбувається пружна деформація обойми zji R +r 1 j sin ji + cos ji ji zj i = o o [ ( i + - ] (6) zEI sin2 ji 2 2 y де 2p y= (7) n - кут розташування роликів, рад; Е = 2,1´105, модуль пружності, Мпа ; І - розрахунковий момент інерції, м 2. На початку обертання при дуже малому навантаженні відповідно до формул (3) і (4) вільний кут силового ланцюга «напівциліндричне розточення головки-ролик-полуцилиндрическая розточення обойми» дорівнює j1 » 10°. При рості навантаження, тобто момента, переданого роликовим шарніром універсального шпинделя кут (р; росте за рахунок деформації обойми. Кут j1 відповідний максимальному навантаженню й розмірам силових деталей без зношування з урахуванням пружної деформації обойми становить j1 » 17°. Практикою експлуатації роликових шарнірів універсальних шпинделів установлено, що зношування силових елементів у межах 1 мм, яке не погіршує їхні експлуатаційні характеристики і якість прокату, приймається за норму. При цьому кут j1 дорівнює 40°...45°, а тангенціальне переміщення по ділильній окружності ZN/2 до 9мм. Вільний кут j1’ відповідний граничному зношуванню дорівнює 56°...58°, а тангенціальне переміщення по ділильній окружності ZU/2 = Z’/2 = 17мм (у формулі 3 й 4 використається зношений ролик з r0' і пази зі зношуванням на радіусі пазів rp'). Відповідність показників зношування силових елементів шарніра й позначок на індикаторі наведені в таблиці. Таблиця Величина зношування по індикаторі Від «О» до «N» Від «О» до «U» Від «N» до «U» Тангенціальні переміщення ZN/2 = 9мм ZU/2 - 17мм ZU/2 - ZN/2 = 8мм ZCN - 7 ZCU = 13,3 ZNU = 6,3 Таким чином, за рахунок обладнання шарнірного вузла індикатором зі стрілкою стало можливим без демонтажу шпинделя в будь-який період часу визначити величину зношування елементів шарнірного з'єднання по положенню стрілки на індикаторі, що приводить до скорочення часу простою прокатного стану пов'язаного з демонтажем і монтажем шарнірного вузла для оцінки його зношування, що приводить до підвищення продуктивності прокатної кліті і стана.