составной прокатный валок
Классы МПК: | B21B27/02 форма или конструкция валков |
Автор(ы): | Милованов И.И., Воробьев Н.И., Убейволк А.А., Денисенко Н.Я., Мухатдинов Н.Х., Антонов В.И. |
Патентообладатель(и): | ОАО Челябинский металлургический комбинат "МЕЧЕЛ" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-08-26 публикация патента:
27.08.2003 |
Использование: изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве прокатных валков. Сущность: составной прокатный валок содержит ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, при этом ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, а соотношение величины натягов стяжное кольцо - бандаж и бандаж - ось валка определяется в зависимости от размеров и материала оси валка, бандажа и стяжных колец и допустимого момента прокатки. Изобретение обеспечивает повышение стойкости валка, улучшение условии работы бандажа и стяжных колец путем снижения необходимого натяга стяжных колец на концевых участках бандажа, расширения марочного сортамента материала стяжных колец, повышение надежности валка в работе при изменении натяга стяжных колец при нагреве валка или при переточках. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, отличающийся тем, что ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, при этом величина натяга концевых участков бандажа на оси валка определяется прочностью бандажа при сборке, а величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа определяется в зависимости от натяга концевых участков бандажа на оси валка, размеров и материала оси валка, бандажа, стяжных колец и допустимого момента прокатки. 2. Валок по п. 1, отличающийся тем, что величина натяга стяжных колец dk определяется по следующей зависимости![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-26t.gif)
где dБ - натяг концевых участков бандажа на оси валка;
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211099/961.gif)
КOБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
КБК - коэффициент упругости системы бандаж-стяжное кольцо;
Кф - коэффициент формы и материала бандажа;
DО - диаметр оси валка;
DБ - диаметр кольцевых проточек бандажа.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве прокатных валков. Известен составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бурт и бандаж, сопряженный с осью по посадке с натягом. После механической обработки сопрягаемых поверхностей оси валка и бандажа с обеспечением гарантированного натяга последующее их соединение осуществляют путем увеличения внутреннего диаметра бандажа или уменьшения диаметра оси валка за счет нагрева бандажа или охлаждения оси валка [1]. Недостатком данной конструкции валка является невозможность ее использования для бандажей, выполненных из износостойких, но недостаточно прочных на растяжение материалов, например чугуна. Известен составной прокатный валок, содержащий ось и установленный на нее бандаж, имеющий на внутренних торцевых поверхностях кольцевые проточки с монтированными в них пружинно-затяжными кольцами, а в наружных проточках бандажа, выполненных у его торцов, с целью повышения прочности бандажа установлены кольцевые втулки, при этом сопряженные поверхности втулок и проточек бандажа выполнены коническими [2]. Недостатком данной конструкции валка является сложность изготовления элементов валка, низкая прочность бандажа, имеющего на наиболее опасных торцевых участках бандажа наружную и внутреннюю проточки, недостаточная надежность фиксации пружинно-затяжных колец с помощью гайки. Известен составной прокатный валок, содержащий ось, бандаж с кольцами на концевых участках, посаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом [3]. Данная конструкция валка взята за ближайший аналог. Недостатком валка является необходимость использования для посадки стяжных колец натяга, максимально допустимого из условий прочности материала стяжных колец, а также использовать для изготовления стяжных колец материалы, допускающие большие растягивающие напряжения. Кроме того, использование максимально допустимого натяга стяжных колец для обеспечения жесткости соединения бандажа с осью не позволяет компенсировать снижение натяга, а следовательно, и жесткости соединения бандажа с осью при нагреве валка при прокатке, вызванного разными коэффициентами температурного расширения материала бандажа и стяжных колец (у стальных стяжных колец он выше, чем у бандажа, изготовленного для данного типа конструкций из чугуна), а также при уменьшении наружного диаметра стяжных колец при переточках. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стойкости валка, улучшение условий работы бандажа и стяжных колец путем снижения необходимого натяга стяжных колец на кольцевых участках бандажа, расширения марочного сортамента материала стяжных колец, повышение надежности валка в работе при изменении натяга стяжных колец при нагреве валка или при переточках. Поставленная задача достигается за счет того, что предложен составной прокатный валок, содержащий ось с неприводной и приводной шейками, бандаж с кольцевыми проточками на концевых участках, насаженный на ось с зазором, а концевые участки бандажа стянуты с осью кольцами, насаженными с натягом, при этом ось валка содержит бурт, выполненный со стороны приводной шейки, а концевые участки бандажа на ширине, соответствующей ширине стяжных колец, насажены на ось валка с натягом, величина натяга концевых участков бандажа на оси валка определяется прочностью бандажа при сборке, а величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа определяется в зависимости от натяга концевых участков бандажа на оси валка, размеров и материала оси валка, бандажа, стяжных элементов и допустимого момента прокатки, причем величина натяга стяжных колец на концевых участках бандажа может определяться по следующей зависимости:![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-2t.gif)
где dБ - натяг концевых участков бандажа на оси валка;
ро - необходимое радиальное давление по поверхности контакта бандаж - ось валка;
КОБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
КБК - коэффициент упругости системы бандаж-стяжное кольцо;
Кф - коэффициент формы и материала бандажа;
DO - диаметр оси валка;
DБ - диаметр кольцевых проточек бандажа. На чертеже показан описываемый валок, продольный разрез. Составной прокатный валок содержит ось 1 с буртом 2, бандаж 3, стяжные кольца 4, 5. Бандаж 3 имеет с обоих сторон наружные кольцевые проточки 6 с цилиндрической или конической поверхностью, в которых установлены, с сопряжением поверхностей по посадке с натягом, стяжные кольца 4, 5. Валок работает следующим образом. На ось 1 по посадке с натягом dБ на концевых участках бандажа и по посадке с зазором на центральном участке бандажа, насаживается бандаж 3, нагретый до температуры tБ. После этого в наружные кольцевые проточки бандажа по посадке с натягом dк последовательно насаживаются стяжные кольца 4 и 5, нагретые до температуры tк. При насадке бандажа на ось валка с натягом dБ на кольцевых участках бандажа и нагрева оси за счет теплообмена от контакта с бандажом в момент сборки валка на поверхности контакта концевых участков бандажа и оси возникают контактные радиальные давления ро, которые приводят к возникновению в бандаже и оси тангенсальных и радиальных напряжений. При этом ось валка испытывает напряжения сжатия, а бандаж - напряжения растяжения. Величина натяга концевых участков бандажа на оси валка dБ выбирается с учетом обеспечения прочности бандажа в момент сборки валка без установки стяжных колец. После посадки с натягом dк в кольцевые проточки бандажа стяжных колец и выравнивания температуры элементов валка, на поверхности контакта стяжных колец и бандажа возникают контактные радиальные давления рк, а в стяжных кольцах и бандаже, на участке посадки стяжных колец в кольцевые проточки бандажа, возникают тангенсальные и радиальные напряжения Gt и Gr. При этом стяжные кольца испытывают растягивающие напряжения, а бандаж - напряжения сжатия. Эквивалентные напряжения в бандаже на концевых участках от растягивающих напряжений натяга на ось и напряжений сжатия от стяжных колец определяются по известным методикам расчета составных толстостенных труб. Определение величины необходимых натягов в системе ось - бандаж - стяжные кольца ведется в следующей последовательности. Исходя из конструктивного исполнения и размеров шеек и бочки валка, расположения и размеров калибров и буртов на бочке валка, пластических и упругих свойств материала оси, бандажа, стяжных колец, допустимого давления и момента прокатки, а также из условий работы элементов валка на смятие и срез по известным методикам определяют или задают диаметр оси валка, ширину участков контакта бандажа и оси валка по посадке с натягом В01 и В02, ширину и диаметр кольцевых проточек бандажа. Величину необходимых радиальных давлений рo по поверхностям контакта концевых участков бандажа и оси валка определяют по допустимому моменту прокатки с учетом коэффициента запаса по моменту прокатки по следующей зависимости:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-3t.gif)
где рo - необходимое радиальное давление по поверхности контакта концевых участков и оси валка;
КЗ - коэффициент запаса по моменту прокатки;
МПР - допустимый момент прокатки;
Do - диаметр оси валка;
В01, B02 - ширина участков контакта оси и бандажа по посадке с натягом;
fГР - коэффициент трения по поверхности контакта бандаж - ось валка. Величину натяга концевых участков бандажа на оси валка dБ задают с учетом обеспечения прочности бандажа в момент сборки при его посадке на ось исходя из размеров элементов валка, выбранной системы допусков и посадок и опытных данных. После определения величины необходимых радиальных давлений по поверхности контакта ось - бандаж, используя известные методики расчета составных толстостенных труб, определяется величина натяга dк при посадке стяжных колец в кольцевые проточки бандажа на концевых участках по следующей зависимости:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-4t.gif)
где : КОБ - коэффициент упругости системы ось - бандаж;
КБК - коэффициент упругости системы бандаж - стяжное кольцо;
КФ - коэффициент формы и материала бандажа;
DБ - диаметр наружных кольцевых проточек бандажа. Значения коэффициентов упругости системы ось - бандаж и системы бандаж - стяжное кольцо предварительно определяются по следующим зависимостям:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-5t.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-6t.gif)
где Dк - наружный диаметр стяжного кольца;
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211006/956.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211006/956.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211006/956.gif)
Ео - модуль упругости материала оси валка;
ЕБ- модуль упругости материала бандажа;
ЕК - модуль упругости материала стяжного кольца. Коэффициент формы и материала бандажа КФ предварительно определяется по следующей зависимости:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-7t.gif)
Для определения тангенсальных и радиальных напряжений в бандаже определяют величину контактных радиальных давлений к по поверхности контакта бандажа и стяжных колец по зависимости:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-8t.gif)
Радиальные и тангенсальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях концевых участков бандажа, нагруженных внутренним ро и наружным рк радиальными давлениями, определяются по известным методикам расчета толстостенных труб. На внутренней поверхности
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-9t.gif)
Gr Б вн = -po (8)
На наружной поверхности
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-10t.gif)
Gr Б нар = -pk (10)
При этом тангенсальные (окружные) напряжения в зависимости от соотношения размеров и внутреннего и наружного давлений могут быть растягивающими или сжимающими, а радиальные напряжения - только сжимающими. Эквивалентное напряжение согласно пятой теории прочности (гипотеза О. Мора) определяется по следующей зависимости:
G экв = maxGt-
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/957.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211015/8226.gif)
где max Gt - максимальное окружное (тангенсальное) напряжение;
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/957.gif)
min Gr - минимальное радиальное (нормальное) напряжение;
[G р] - допустимое напряжение растяжения материала бандажа. Эквивалентное напряжение будет или растягивающим или сжимающим в зависимости от соотношения тангенсальных и радиальных напряжений. Величина радиальных и тангенсальных напряжений на внутренней и наружной поверхностях стяжных колец, нагруженных внутренним радиальным давлением рк, определяется по известным методикам расчета толстостенных труб. На внутренней поверхности
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-11t.gif)
Gr К вн = - pk (13)
На наружной поверхности
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-12t.gif)
Gr К нар = 0
Эквивалентное напряжение согласно пятой теории прочности (гипотеза О. Мора) определяется по формуле (11), принимая значение
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/957.gif)
Расчет величины необходимых натягов в системе ось - бандаж и бандаж - стяжное кольцо проводили для составного прокатного валка проволочного стана 250 с размерами бочки 400х1000 мм. Исходя из конструктивного исполнения и размеров шеек и бочки валка, расположения и размеров калибров и буртов на бочке существующего цельнолитого валка, задаем следующие размеры элементов составного валка: диаметр оси валка Do=260 мм, диаметр кольцевых проточек бандажа DБ= 320 мм, наружный диаметр стяжного кольца DК=370 мм, ширина участков контакта оси и бандажа по посадке с натягом В01=В02=50 мм. Допустимый момент прокатки МПР=3830 кг
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211015/8226.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-13t.gif)
Зададим величину натяга концевых участков бандажа на оси валка. Из таблицы допусков и посадок в системе отверстий для посадки с натягом выбираем поле допусков Н7/r6. При этом для диаметра оси Dо=260 мм величина натяга по диаметру составит 0,032-0,126 мм. Для расчета берем минимальное значение натяга dБ=0,0.32 мм и максимальное значение dБ=0,126 мм. По формулам (3), (4) и (5) определяем коэффициенты упругости системы ось - бандаж КОБ и системы бандаж - стяжное кольцо KБК, коэффициент формы и материала бандажа КФ:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-14t.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-15t.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-16t.gif)
Определяем по формуле (2) величину натяга dк при посадке стяжных колец в кольцевые проточки на концевых участках бандажа:
- для минимального натяга бандажа dБ=0,032 мм:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-17t.gif)
- для максимального натяга бандажа dБ=0, 126 мм:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-18t.gif)
Определив требуемую величину минимального и максимального натяга при посадке колец в кольцевые проточки бандажа, выбираем систему допусков и посадок, которая обеспечит требуемое поле натяга. Далее расчет будем вести только для максимального натяга бандажа, так как в этом случае бандаж наиболее нагружен. По формуле (6) определяем величину возникающих радиальных давлений по поверхностям контакта стяжных колец и бандажа:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-19t.gif)
По формулам (7) и (9) определяем величину тангенсальных напряжений на внутренней и наружной поверхностях бандажа:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-20t.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-21t.gif)
При этом радиальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях бандажа определяем по формулам (8) и (10):
Gr Б вн = -ро = -6,365 кг/мм2
Gr Б нар = -рк = -4,79 кг/мм2
По формуле (11), принимая значение коэффициента
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/957.gif)
G эмв.вн =2,91-0,3
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211015/8226.gif)
G экв.нар =1,34-0,3
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211015/8226.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-22t.gif)
Определяем радиальные давления сборки роб на концевых участках бандажа при сборке валка с максимальным натягом dБ=0,126 мм:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-23t.gif)
По формулам (7) и (9) определим тангенсальные напряжения на внутренней и наружной поверхностях концевых участков бандажа:
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-24t.gif)
![составной прокатный валок, патент № 2211101](/images/patents/259/2211101/2211101-25t.gif)
Принимая допустимое напряжение растяжения [G р]=35 кг/мм2, определим коэффициент запаса прочности бандажа при сборке: KЗ.ПР = 35/7,03=4/98, что гарантирует прочность бандажа. В предлагаемой конструкции составного прокатного валка прочность бандажа и стяжных колец при сборке валка и в процессе эксплуатации гарантирована размерами элементов валка и возможностью задавать натяг бандажа и стяжных колец в зависимости от допустимого момента прокатки, размеров и прочностных характеристик материала элементов валка. Наличие на оси валка бурта, выполненного со стороны приводной шейки, посадка концевых участков бандажа, соответствующих ширине стяжных колец, на ось валка с натягом, позволяет повысить точность сборки, снизить требуемую величину натяга стяжных колец и расширить марочный сортамент материала стяжных колец. Источники информации
1. В. П. Полухин и др. Составной рабочий инструмент прокатных станов. - М.: Металлургия, 1977, с.21-25. 2. А.с. СССР 554897, пр.04.01.76, Мкл. В 21 В 27/02. 3. А.с. СССР 503387, пр.17.07.73, Мкл. В 21 В 27/02 - ближайший аналог.
Класс B21B27/02 форма или конструкция валков