Шарнир шпинделя прокатного стана

 

Использование: прокатное производство. Сущность изобретения: шарнир шпинделя прокатного стана содержит обойму, втулку, бочкообразные ролики, торцевые ограничительные кольца. На внутренней поверхности обоймы и на наружной поверхности втулки выполнены полуцилиндрические пазы. В пазах между обоймой и втулкой размещены ролики, их центры расположены на делительной окружности шарнира. Образующая роликов очерчена кривой переменного радиуса, уменьшающегося от середины ролика к его торцам. Радиус паза больше радиуса среднего сечения ролика. Центры их окружностей смещены относительно делительной окружности для обоймы - к центру шарнира, для втулки - от центра шарнира на расстояние, определяемое из зависимости между половиной длины ролика, максимального угла перекоса обоймы относительно втулки, радиусом центрального сечения ролика, минимальным радиусом ролика на торце. Центральный участок втулки выполнен сферическим и контактирует с внутренней поверхностью обоймы. Боковые участки втулки выполнены коническими с углом наклона образующей конуса к оси втулки, равным максимальному углу ее перекоса относительно обоймы. Суммарный зазор между торцами ролика и торцевыми ограничительными кольцами определен в зависимости от половины длины ролика, максимального угла перекоса обоймы, минимального радиуса ролика на торце. 1 табл., 13 ил.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано в качестве шарнира шпинделя прокатного стана.

Известен шарнир шпинделя прокатного стана (аналог), включающий обойму, втулку и бочкообразные ролики, установленные между ними в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки, с расположением центров роликов на делительной окружности шарнира (см. Комаров А. Н. Галицкий В.П. Пухальская А.М. Гридин Ю.В. Шпиндельные соединения с шарниром на телах качения для прокатных станов. Бюлл. ин-та "Черметинформация", "Черная металлургия", 1983, N 15, c. 60-61, pиc. 1,б).

Недостатком аналога является то, что диаметр наружной поверхности втулки меньше внутреннего диаметра обоймы и между ними имеется зазор. Это уменьшает глубину полуцилиндрических пазов на втулке и обойме, увеличивает расклинивающее усилие на пазы со стороны роликов и контактные давления между ними, что снижает несущую способность и срок службы шарнира.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является шарнир шпинделя прокатного стана, включающий обойму, втулку и бочкообразные ролики, установленные между ними в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки с расположением центров роликов на делительной окружности шарнира и ограничением их от осевого перемещения с помощью торцевых колец, закрепленных на втулке (а.с. СССР N 1577898, М.кл. B 21 B 35/14, 1990 г.).

Прототип также обладает рядом недостатков. Образующая роликов выполнена по окружности, что не обеспечивает беззазорное соединение роликов с обоймой и втулкой на всем диапазоне изменения угла их относительного перекоса. Это вызывает расцентровку обоймы относительно втулки и биения шпинделя при прокатке, что снижает работоспособность шарнира, надежность оборудования главной линии редуктора, шестеренной клети, рабочих валков и их подшипников и качество прокатываемого металла.

Боковые участки втулки в известном шарнире выполнены сферическими, что приводит к существенному уменьшению глубины пазов на этих участках, повышению контактных давлений между роликами и пазами, снижению их долговечности и быстрому выходу из строя втулки.

При передаче крутящего момента нагрузки от роликов к пазам (и наоборот) передаются по кромкам пазов. Это вызывает повышенные контактные давления между роликами и пазами, что приводит к их быстрому износу и выходу из строя шарнира.

Для ограничения роликов от осевого перемещения прототип снабжен сепаратором сложной формы, который создает избыточные связи в соединениях его элементов, увеличивающих нагрузки на шарнир и снижающих его работоспособность.

Целью изобретения является повышение несущей способности, долговечности шарнира, надежности оборудования главной линии и качества прокатываемого металла. Поставленная цель достигается тем, что шарнир шпинделя прокатного стана включает обойму, втулку и бочкообразные ролики, установленные между ними в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки с расположением центров на делительной окружности шарнира и ограничением их от осевого смещения с помощью торцевых колец, закрепленных на втулке.

Образующая роликов очерчена кривой переменного радиуса, уменьшающегося от середины ролика к его торцам. Полуцилиндрические пазы выполнены большего радиуса, чем радиус среднего сечения ролика. Центры их окружностей смещены относительно делительной окружности для обоймы к центру шарнира, для втулки от центра шарнира на расстояние l.

гдe l половина длины ролика, α_l максимальный угол перекоса обоймы относительно втулки; r₀ радиус центрального сечения ролика; r_l минимальный радиус ролика на торце. Радиус внутренней поверхности обоймы выполнен большим радиуса делительной окружности, так что при соосном положении втулки и обоймы хорда между кромками каждого паза проходит через центр ролика и касается делительной окружности. Центральный участок втулки выполнен сферическим и контактирует с внутренней поверхностью обоймы, а боковые участки втулки выполнены коническими с углом наклона образующей конуса к оси втулки, равным максимальному углу ее перекоса относительно обоймы. Суммарный зазор между торцами ролика и торцевыми ограничительными кольцами относительно торцев составляет: На фиг. 1 изображен общий вид шарнира шпинделя прокатного стана; на фиг. 2 разрез шарнира по линии I-I на фиг. 1; на фиг. 3 разрез шарнира по линии II-II на фиг. 1; на фиг. 4 положение ролика шарнира на вертикальном диаметре при максимальном угле перекоса обоймы относительно втулки; на фиг. 5 - структурная схема роликового шарнира; на фиг. 6, 8, 10 последовательные относительные положения ролика и образующих полуцилиндрических пазов за одну четверть оборота шарнира; на фиг. 7, 9, 11 фрагменты сечений роликового зацепления шарнира по линии I-I, П-П, К-К, Ш-Ш, соответствующие фиг. 6, 8, 10; на фиг. 12 втулка роликового шарнира; на фиг. 13 разрез по линии А-А на фиг. 12.

Шарнир включает обойму 1, втулку 2 и установленные между ними бочкообразные ролики 3.

Образующая роликов выполнена по кривой переменного радиуса, обеспечивающей беззазорное их соединение с обоймой 1 и втулкой 2 при изменении угла их относительного перекоса. Радиус уменьшается от середины ролика к его торцам.

Втулка 2 установлена на хвостовике 4 шпинделя по горячей посадке. Ролики 3 расположены в полуцилиндрических пазах 5 и 6, выполненных на внутренней поверхности обоймы 1 и наружной поверхности втулки 2. При нарезании пазов между ними образуются прочные выступы 7 и 8 (см. фиг. 2), воспринимающие нагрузки от роликов и обеспечивающие передачу повышенных крутящих моментов. Радиус r_l полуцилиндрических пазов выполнен больше, чем радиус r₀ центрального сечения роликов, из условия отсутствия их заклинивания в пазах и устранения кромочного эффекта при перекосе обоймы 1 относительно втулки 2.

Полуцилиндрические пазы обоймы и втулки выполнены со смещением их центров относительно делительной окружности диаметра D₀, на которой расположены центры роликов для обоймы к центру шарнира, для втулки от центра шарнира на расстояние e.

От осевого смещения ролики 3 удерживаются ограничительными торцевыми кольцами 9 и 10, посаженными с натягом на втулку 2 и надежно закрепленными на ней с помощью термозамка. Ролики установлены между кольцами с осевым зазором δ, необходимым для свободного изменения углового положения роликов в полуцилиндрических пазах при перекосе обоймы 1 относительно втулки 2.

Для повышения износостойкости контактирующие поверхности роликов и полуцилиндрических пазов подвергаются термоупрочнению азотированием на глубину не менее 1,5 мм с получением термоупрочненного слоя, имеющего твердость 50-55 единиц HRC.

Для смазки шарнира применяется специальная металлоплакирующая густая смазка, обладающая эффектом "избирательного переноса" и обеспечивающая высокую износостойкость контактирующих поверхностей элементов шарнира.

Шарнир снабжен герметичным узлом уплотнения, включающим стакан 11, установленный и закрепленный в торцевой части обоймы 2, и уплотнение 12, установленное между стаканом 11 и втулкой 2 и закрепленное на втулке. Снаружи стакан закрыт крышкой 13, закрепленной на нем болтами.

Шарнир выполнен с возможностью осевого перемещения уплотнения 1 вместе с втулкой 2 относительно стакана 11. Это предотвращает разрушение шарнира, например, при аварийной поломке прокатного валка и его осевой сдвижке или при осевых перемещениях рабочего валка под действием технологических осевых нагрузок, а также обеспечивает компенсацию изменения длины валка при температурных деформациях. Длина полуцилиндрических пазов 5 на обойме выполнена большей длины роликов на величину допустимого осевого перемещения обоймы 1 относительно втулки 2.

Внутри обоймы 1 выполнена перегородка 14, в которой установлен упор 15. В хвостовике 4 шпинделя выполнено глухое отверстие, в котором установлен ползун 16, поджимаемый к упору 15 пружиной 17, с помощью которой осуществляется возвращение обоймы 1 и втулки 2 в исходное положение после их относительной встречной осевой сдвижки.

Перегородка 14 разделяет обойму 1 на шарнирную и муфтовую части. Муфтовая часть предназначена для соединения лопасти 18 прокатного валка со шпинделем и включает два сегментных вкладыша 19 и 20, установленных в эксцентричных расточках обоймы радиуса r (см. фиг. 3). Центры расточек смещены относительно оси обоймы на величину эксцентриситета e. Со стороны перегородки 14 между плоскими поверхностями вкладышей по посадке с натягом установлен распор, имеющий форму сечения лопасти 18 прокатного валка. Расстояние А между плоскими поверхностями вкладышей 19 и 20 в исходном положении выполнено большим толщины В лопасти 18 из условия образования между вкладышами и лопастью монтажных зазоров D. При передаче крутящего момента вкладыши 19 и 20 разворачиваются в эксцентричных расточках обоймы и расстояние А между ними уменьшается. После выбора зазоров D разворот вкладышей прекращается. Благодаря применению распора 21 обеспечивается беззазорное соединение лопасти 18 с обоймой 1 и исключается заклинивание лопасти валка между вкладышами. Улучшается центрирование роликового шарнира относительно валка, что способствует снижению динамических нагрузок и повышению долговечности шарнира. Обеспечивается свободное извлечение лопасти валка из обоймы при перевалках.

Применение эксцентриковых расточек под сегментные вкладыши повышает технологичность изготовления обоймы, так как при ее обработке используются только расточные и не требуется выполнение долбежных операций, которые применяются при изготовлении обойм с плоскими вкладышами. Благодаря этому повышается качество изготовления и снижается стоимость шпинделя.

В распоре 21 выполнено центральное отверстие, в которое входит цилиндрический хвостовик 22, выполненный на лопасти 18 прокатного валка. Это улучшает центрирование шарнира относительно валка и повышает работоспособность шарнира.

Вкладыши 19 и 20 со стороны торца обоймы удерживаются с помощью кольца 23 с буртом 24. Кольцо 23 установлено в обойме 1 по посадке с натягом. На торцах вкладышей выполнены бурты 25, которые расположены в кольцевых карманах, образованных между эксцентричными расточками под вкладыши и буртом 24 кольца 23. Внутренняя цилиндрическая поверхность кольца 23 сопряжена с цилиндрической проточкой 26 на валке. Благодаря этому муфтовая часть обоймы 1 соединяется с прокатным валком по двум цилиндрическим поверхностям хвостовика 22 на лопасти 18 и проточки 26 на шейке валка, что обеспечивает две опоры обоймы роликового шарнира на валке и их надежное взаимное центрирование.

После снятия момента прокатки между вкладышами 19 и 20 и лопастью 18 валка вновь появляются зазоры D, и валик может быть свободно извлечен из муфтовой части при перевалках.

При перекосе обоймы относительно втулки ролики наклоняются к прямолинейным образующим пазов втулки и обоймы на угол вдвое меньше. На фиг. 4 показано положение ролика на вертикальном диаметре шарнира, между прямолинейными образующими MN и МР пазов обоймы и втулки. При перекосе на максимальный угол ролик контактирует с образующими своим торцевым сечением в точках К_В и К_А. Контакт диаметрально противоположного ролика с образующими пазов осуществляется противоположным торцом ролика. Ролики обеспечивают центрирование обоймы относительно втулки и постоянное положение центра 0_h шарнира на оси втулки независимо от угла их перекоса.

Оси всех роликов параллельны. При вращении шарнира угол наклона роликов не меняется. Благодаря наклону роликов к осям обоймы и втулки на угол, вдвое меньший угла их относительного перекоса, обеспечивается максимальное заполнение роликами пространства между пазами, что способствует снижению контактных давлений, уменьшению износа элементов и повышению несущей способности и долговечности шарнира.

Центрирование обоймы относительно втулки на всем диапазоне изменения угла их относительного перекоса a от 0 до a_l и в процессе вращения достигается благодаря постоянному контакту образующих пазов с роликами и их беззазорному соединению.

При перекосе обоймы относительно втулки на максимальный угол (фиг. 4) образующая M₀N₀ паза обоймы из начального (горизонтального) положения поворачивается вокруг центра 0_h шарнира в положение MN. Ролик поворачивается на половинный угол , а начальные точки его контакта с образующими пазов А и В перемещаются в точки К_А и К_В, расположенные на торце ролика. При этом точка начального контакта образующей M₀N₀ с роликами, совпадающая с точкой В, перемещается по окружности радиуса (R₀+r₀) в точку F, где R₀ радиус делительной окружности; r₀ радиус центрального сечения ролика.

При изменении угла перекоса обоймы относительно втулки от 0 до α_l точки контакта К_А и К_В перемещаются на половине длины ролика l по образующим PM и NM на одинаковые расстояния АК_A и SK_B. Относительное движение ролика и образующих представляет собой качение ролика со скольжением по образующей РМ и качение образующей NM по ролику со скольжением и вращением вокруг центра шарнира O_h. Точка контакта K_B вращается вокруг неподвижного центра O_R, лежащего на поперечной оси шарнира, с переменным радиусом, изменяющимся от максимального значения O_RB при альфа 0 до минимального О_RK_B при α = α_l. Перемещение точки контакта K_A происходит по прямолинейной образующей МР. В относительном движении оно также представляет собой ее вращение вокруг центра, перемещающегося из положения в положение , с переменным радиусом, изменяющимся от максимального значения O_RB до минимального O_KK_B. Радиус образующей ролика будет также переменным, изменяющимся от максимального в центральном сечении до минимального на торцах.

При синтезе профиля ролика определяют текущий радиус R образующей ролика и соответствующего радиуса его сечения на половине длины, исходя из двух основных условий: обеспечения беззазорного соединения ролика с обоймой и втулкой на всем интервале изменения угла α и постоянного расположения оси ролика на биссектрисе этого угла.

Для определения профиля ролика плоского многозвенного рычажно-кулисного механизма (фиг. 5), звенья и точки которого описывают движение ролика, подвижной образующей МN и точек К_A и К_B контакта ролика с образующими пазов. Идентичные точки на фиг. 4 и 5 имеют одинаковые буквенные обозначения. Движение ролика описывается Т-образным звеном CK_AK_B.

Структурная схема шарнира представляет собой механизм с тремя неподвижными вращательными кинематическими парами O_R, O_n, A, с одной степенью свободы, в котором ведущим звеном является Г-образный рычаг O_nFK_B, идентифицирующий движение обоймы. При повороте ведущего звена (обоймы) на угол a Т-образное звено CK_AK_B (ролик) поворачивается на угол , а его ось СМ постоянно расположена на биссектрисе угла α. При этом поперечная ось ролика всегда проходит через начальную точку А его контакта с образующей РМ паза втулки, что соответствует качающейся направляющей с шарниром в точке А, через которую проходит шатун O_MS, составляющий с этой направляющей поступательную кинематическую пару. Длина плеча O_RO_M кулисы O_MK_B (текущий радиус Р) остается всегда постоянной, равной расстоянию O_RA. Поэтому угол между кулисой O_MK_B и шатуном O_MS равен половине угла поворота кулисы. Кулиса O_MK_B параллельна ведущему кривошипу O_hF, т.е. рычаг FK_B кривошипа и кулиса связаны между собой ползуном с двумя взаимно-перпендикулярными направляющими. Стойка СМ Т-образного звена CK_AK_B (ролика) связана с рычагом O_hG осью, которая составляет вращательную кинематическую пару в точке G с ползуном, перемещающимся по неподвижной направляющей параллельно образующей PM паза втулки. Стойка Т-образного звена CM связана с шатуном O_MU в точке O_r центре ролика ползуном с двумя взаимно-перпендикулярными направляющими. Благодаря этому стойка CM (ось ролика) всегда находится на биссектрисе угла a.

Крестовина Т-образного звена CK_AK_B (ролика) образует поступательные пары в точках K_A и K_B с осями, шарнирно установленными в ползунах, перемещающихся по направляющим PM и NM. Плечи крестовины HK_A и HK_B равны между собой.

Таким образом, при повороте Г-образного рычага O_nFK_B на максимальный угол a_l точка K_B описывает профиль (образующую) ролика на половине его длины, удовлетворяющий поставленным условиям синтеза.

Перемещение ролика при перекосе обоймы относительно втулки происходит с его качением и скольжением по образующим пазов PM и NM. Величина скольжения определяется расстоянием, которое увеличивается по мере увеличения угла перекоса. Кинематический анализ структурной схемы шарнира показал, что при постоянном прохождении поперечной оси ролика через начальную точку A контакта ролика с неподвижной образующей PM расстояние FK_B близко к минимальному, соответственно минимальным оказывается и скольжение, что способствует снижению износа элементов шарнира, повышению его долговечности и коэффициента полезного действия.

При определении профиля ролика считаются заданными: максимальный угол перекоса обоймы относительно втулки α_l; радиус центрального сечения ролика; радиус делительной окружности шарнира R₀; половина длины ролика l.

При расчете профиля ролика необходимо определить расстояние f между центром шарнира O_h и центром O_R вращения переменного радиуса O_RK_B точки контакта K_B. Расстояние f находим при наклоне подвижной образующей MN на максимальный угол α_l/ . Из фиг. 5 следует: После соответствующих подстановок и преобразований получаем С учетом обеспечения технологичности изготовления ролика целесообразно получить зависимость r_x(X) между координатой X расстоянием от центрального сечения ролика до рассматриваемого текущего сечения и текущим радиусом r_x этого сечения. Эту зависимость найдем с использованием выражения (1).

Так как структурная схема шарнира описывается механизмом с одной степенью свободы, зависимость r_x(X) является строго детерминированной и характеризует заданную определенность движения ролика относительно втулки и обоймы при их перекосе.

Координата X зависит от угла α, поэтому для определения зависимости r_x(X) вначале найдем зависимость a(x).

С учетом замены l на координату X и α_l на текущий угол α, при 0≅X≅l и 0 ≅ α ≅ α_l из фиг. 5 следует: После подстановок и преобразований получаем

Подставляя в это выражение , после преобразований получим кубическое уравнение

Искомую зависимость α(x) получим в виде одного из корней этого уравнения

Текущий радиус сечения ролика r_x получим из следующих вычислений (фиг. 5):

После подстановок и преобразований окончательно имеем

На практике при изготовлении ролика задаются рядом значений X от 0 до l, обычно разделяя l на равные интервалы, и для каждого X вначале по (4) определяют α, а затем по (5) r_x.

Например, для роликового шарнира шпинделя чистовой клети стана 2000 горячей прокатки полосы при исходных данных l 75 мм, a_l 1,5^o; r₀ 37,5 мм; R₀ 280 мм получим значения, приведенные в таблице.

Для нормальной работы шарнира необходимо обеспечить осевой зазор δ между роликом и торцевыми кольцами (между поз. 9 и 10 на фиг. 1). Этот зазор определим из условия, что торец ролика из начального положения при наклоне в обе стороны от поперечной оси O₀ на максимальный угол α_l перемещается на половину осевого зазора (фиг. 4).

В этом случае

и после подстановки получим

Для приведенного примера роликового шарнира δ 1,927 мм.

Конструкция ролика, профиль которого описывается соотношением (5), в сочетании с осевым зазором, вычисляемыми по (6), обеспечивает беззазорное соединение роликов с обоймой и втулкой в пределах всего диапазона изменения углов их относительного перекоса при минимальном относительном скольжении роликов и полуцилиндрических пазов. В свою очередь это обеспечивает точное центрирование обоймы относительно втулки, что устраняет биения шпинделя, способствует повышению долговечности шарнира, надежности оборудования главной линии и качества прокатываемого металла.

При синтезе профиля пазов, исходя из правильного выбора формы сечения паза и его расположения относительно делительной окружности шарнира, обеспечивающий при вращении шарнира передачу крутящего момента всеми роликами, т. е. постоянный контакт каждого ролика с пазами втулки и обоймы по всей окружности роликового зацепления, а также учитывая контакт роликов с кромками пазов, при котором между ними возникают большие контактные давления, вызывающие быстрый износ роликов, разрушение кромок пазов и выход шарнира из строя.

При вращении шарнира каждый ролик совершает сложные повторяющиеся движения относительно пазов втулки и обоймы. Точки K_A и K_B контакта ролика с пазами (см. фиг. 4) за каждую четверть оборота шарнира перемещаются по прямолинейным образующим MP и MN пазов обоймы и втулки от торца ролика к его центральному сечению, далее к противоположному торцу и обратно. Так как оси всех роликов зацепления наклонены на одинаковый угол к осям обоймы и втулки, т. е. к осям прокатного валка и шпинделя, и расположены во взаимно-параллельных плоскостях, ролики перекатываются по образующим MP и MN пазов со скольжением и разворотом относительно точек контакта K_A и K_B. Поэтому сечения пазов должны быть выбраны такими, при которых исключается заклинивание роликов в пазах.

Для определения радиуса сечения пазов и положения их центров относительно делительной окружности воспользуемся методом обращения движения элементов шарнира относительно ролика. На фиг. 6, 8, 10 показаны последовательные положения ролика при повороте шарнира против часовой стрелки на четверть оборота. При вращении шарнира в каждой четверти оборота характер относительного движения роликов и пазов будет повторяться с возвратно-периодическим движением точек контакта K_A и K_B от одного торца ролика к другому. Поэтому анализ относительного положения ролика и пазов на одной четверти оборота шарнира дает полное представление о характере их контактного взаимодействия. На фиг. 7, 9, 11 показаны фрагменты эллиптических сечений пазов, проходящих через торцы ролика (сечения I-I, III-III), центральное сечение II-II и точки контакта K_A, K_B (сечение K-K). Сечения пазов обозначены соответствующими римскими цифрами с одним и двумя штрихами для втулки и обоймы.

В обращенном движении ось ролика вращается относительно центра шарнира O_h с переменным радиусом R_r, описывая эллипсоид вращения. Этот радиус за четверть оборота изменяется от максимального значения при ϕ 0 (фиг. 4, 6, 7) до минимального R_r=R₀ при (фиг. 10, 11). При этом точка G и центр ролика O_r перемещаются на делительную окружность. Анализ последовательных положений роликов и пазов фиг. 6-11 показывает, что наиболее неблагоприятные условия их контактного взаимодействия создаются при расположении роликов на горизонтальном диаметре шарнира (фиг. 10, 11). В этом случае объем пространства между пазами, в котором расположен ролик, оказывается минимальным и возникает максимальное перекрытие ролика пазами. Очевидно, сечение пазов и положение их центров относительно делительной окружности должно быть определено в этом положении при одновременном их контакте. Контакт ролика с пазами будет осуществляться в торцевых сечениях I-I и III-III и центральном сечении II-II (K-K) в шести точках K^I_I, K^I_I^I, K^I_III, K^II_III, K_A, K_B (фиг. 10, 11). В других положениях (фиг. 6-9) контакт осуществляется только в сечении К-К в двух точках К_A и К_B.

Для обеспечения возможности перекоса роликов относительно пазов и равномерности контактных давлений и сечения пазов выполнены большего радиуса, чем радиус среднего сечения роликов, одинаковыми и расположены симметрично относительно оси роликов. Это достигается тем, что радиус R_B внутренней цилиндрической поверхности обоймы выполнен больше радиуса делительной окружности R₀ из условия, что при соосном положении обоймы и втулки хорды AB между кромками пазов проходят через центры роликов и являются касательными к делительной окружности.

Для исключения контакта ролика с кромками пазов обоймы и втулки центры окружности пазов смещены относительно центров роликов (делительной окружности) на некоторое расстояние e для обоймы к центру шарнира, для втулки от центра шарнира. При этом окружности торцевых сечений ролика в его положении на горизонтальном диаметре шарнира должны быть касательными к эллиптическим сечениям пазов (на фиг. 11 к сечениям I', III' и I'', III'') при максимальном угле перекоса обоймы относительно втулки. Окружность центрального сечения ролика в этом случае будет касательной к эллиптическим сечениям II', II'' (K', K'').

Так как эллиптические сечения пазов расположены симметрично относительно центра ролика O_r и контактируют с роликом в симметрично расположенных относительно его центра точках, для определения радиуса r_c сечения пазов и положения их центров относительно делительной окружности достаточного рассмотреть относительное положение одного из эллиптических сечений, например сечения I'' обоймы, и торцевого сечения ролика радиуса r_l в системе координат Z, O_l, Y (фиг.11), где O_l - положение центра эллиптического сечения паза.

При перекосе обоймы относительно втулки на угол α_l кромки А и В их пазов в сечении I-I из соосного положения перемещаются навстречу одна другой в положении соответственно. Ролик в этом сечении контактирует с пазами в точках K₁ и .

Относительное расположение торцевых сечений ролика и паза в системе координат ZO_lY описывается следующей системой уравнений:

где
большая полуось эллиптического сечения паза:
r_c=r₀+l (9)
радиус окружности расточки паза малая полуось его эллиптического сечения;
Z_K, Y_K координаты контакта паза обоймы с торцом ролика в сечении I-I; l смещение центра расточки паза относительно центра ролика O_r; C координата центра ролика по оси Z определяется из фиг. 10:

где l половина длины ролика.

Первые два уравнения системы (7) представляют собой уравнения эллиптического сечения паза обоймы I'' и окружности торца ролика в сечении I-I. Третье уравнение получено из равенства производных от функций Y=f(Z), определяемых из первых двух уравнений, что отражает наличие общей касательной в точке контакта паза обоймы с торцом ролика. После дифференцирования и преобразований система (7) принимает вид

Это система с тремя неизвестными Z_K, Y_K и l, из решения которой определяется величина смещения е.

Это уравнение (11) может быть решено численными методами. На практике угол α_l не превышает 12^o, соответственно , что весьма мало отличается от единицы. Поэтому в практических расчетах для случаев, когда α_l ≅12^o с достаточной точностью можно принимать Из решения этой системы получаем величину смещения центра паза относительно центра ролика

Координата Z_K точки контакта ролика с пазом при таком смещении всегда меньше, чем координата Z_A кромки паза.

После определения смещения е находим радиус расточки паза по (9) и радиус внутренней поверхности обоймы из выражения:

Полученные значения параметров е, r_c и R_B профиля полуцилиндрических пазов удовлетворяют заданным условиям синтеза.

Для рассмотренного выше примера роликового шарнира шпинделя стана 2000 горячей прокатки полосы получим следующие параметры роликового зацепления: е=0,046 мм; c=0,982 мм; r_c=37,546 мм; R_B=282,50611 мм.

При тех же исходных данных, но максимальном угле перекоса α_l12^o будем иметь следующие значения: е=3,625 мм; C=7,84 мм; r_c=41,125мм; R_B= 282,99 мм.

Для создания беззазорного соединения втулки с обоймой и возможности перекоса обоймы на максимальный угол α_l центральный угол втулки S выполнен сферическим (фиг. 12, 13) с радиусом сферы r_B, равным радиусу R_B внутренней поверхности обоймы, контактирующим с ней. Ширина центрального участка определяется из соотношения
S = 2r_вsinα_l/ (14)
Боковые участки втулки выполнены коническими с наклоном образующей конуса к оси втулки на угол α_l.

При таком профилировании втулки обеспечивается ее свободный перекос относительно обоймы и дублируется их взаимное центрирование через ролики, что улучшает условия работы шарнира и повышает его долговечность.

Конструкция шарнира, согласно изобретению, обеспечивает равномерность вращения прокатного валка, что способствует снижению нагрузок в главной линии прокатной клети, повышению точности прокатки и качества прокатываемого металла.

Формула изобретения

Шарнир шпинделя прокатного стана, содержащий обойму, втулку и бочкообразные ролики, размещенные между обоймой и втулкой в полуцилиндрических пазах, выполненных на внутренней поверхности обоймы и наружной поверхности втулки, с расположением центров роликов на делительной окружности шарнира, а также торцевые ограничительные кольца, закрепленные на втулке с зазором относительно торцов роликов, отличающийся тем, что образующая роликов очерчена кривой переменного радиуса, уменьшающегося от середины ролика к его торцам, полуцилиндрические пазы выполнены большего радиуса, чем радиус среднего сечения ролика, а центры их окружностей смещены относительно делительной окружности для обоймы к центру шарнира, для втулки от центра шарнира на расстояние, определяемое из зависимости

где l половина длины ролика;
α_l - максимальный угол перекоса обоймы относительно втулки;
r₀ радиус центрального сечения ролика;
r_l минимальный радиус ролика на торце,
радиус внутренней поверхности обоймы выполнен больше радиуса делительной окружности, так что при соосном положении втулки и обоймы хорда между кромками каждого паза проходит через центр ролика и касается делительной окружности, центральный участок втулки выполнен сферическим и контактирует с внутренней поверхностью обоймы, а боковые участки втулки выполнены коническими с углом наклона образующей конуса к оси втулки, равным максимальному углу ее перекоса относительно обоймы, кроме того, суммарный зазор между торцами ролика и торцевыми ограничительными кольцами составляет

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14