центробежная литейная машина

Формула изобретения

1. Центробежная литейная машина, содержащая основание, изложницу с коническими посадочными поверхностями, системы верхних и нижних катков с опорными кольцами, плитами, резинопневматическими и резиновыми амортизаторами, размещенными между нижними поверхностями плит и основанием, резинометаллическими амортизаторами, расположенными по периметру плит и включающими опорные, нажимные и упругие элементы, а также роликами с вертикальной осью вращения, расположенными на катках, отличающаяся тем, что каждое из опорных колец снабжено центрирующей шайбой, выполненной с наружной сферической и внутренней конической поверхностями и установленной подпружиненно относительно нижнего торца опорного кольца в цилиндрическую расточку, выполненную в его корпусе, при этом на опорных кольцах и на изложнице выполнены торцевые посадочные поверхности, к тому же системы катков снабжены симметричными двуплечими рычагами с вертикальной осью вращения, на которые попарно установлены ролики, при этом двуплечие рычаги соединены с системами катков с возможностью упругого перемещения в горизонтальной плоскости, кроме того, каждый резинометаллический амортизатор выполнен с возрастающей жесткостью упругих элементов и соединен с основанием и плитами сферическими шарнирами таким образом, что общая ось этих шарниров имеет угловое смещение в горизонтальной плоскости, равное 20-50°, относительно радиального направления одного из центров этих шарниров, при этом резинометаллические амортизаторы установлены попарно, а в каждой паре - зеркально относительно друг друга.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что соотношение суммарного усилия сжатия пружин в опорных кольцах к весу изложницы составляет 0,1-0,3.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждый двуплечий рычаг посажен на вертикальную ось с гарантированным технологическим зазором, при этом упругая связь двуплечего рычага с системами катков выполнена в виде демпфирующих устройств, соединенных с двуплечими рычагами и системами катков шарнирно.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в опорных элементах резинометаллических амортизаторов выполнена внутренняя цилиндрическая глухая расточка, а в нажимных и упругих элементах - наружная проточка, с возможностью установки этих деталей во внутреннюю расточку опорных элементов, при этом глубина расточки составляет не менее 1, 2 толщины резинового упругого элемента, к тому же торцы опорных и нажимных элементов, контактирующих с упругими элементами, имеют вогнутость объемом V₁ и выпуклость V₂ соответственно, а соотношение разности объемов V₁-V₂ к объему упругого элемента V₃ равно V₁-V₂/V ₃=0,05-0,2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству прокатных валков центробежным способом.

Известна центробежная вертикальная машина [1], содержащая литейную форму (изложницу), систему опорных катков, подпружиненных в вертикальной плоскости и расположенных в верхней части изложницы, систему центрирующих катков, контактирующих с изложницей через систему пружин переменной жесткости, ротор, выполненный в виде опорного кольца с внутренним конусом для сопряжения с изложницей.

Недостатком этой конструкции является повышенная вибрация при работе машины, в результате чего снижается ее надежность и долговечность. Это связано с тем, что при установке изложницы в опорные кольца неизбежно некоторое угловое смещение геометрических осей указанных выше деталей друг относительно друга. Причиной этого может быть малая база посадочной поверхности по отношению к ее диаметру, относительно большой угол конуса посадочной поверхности, отклонение геометрии ее формы от номинала, неравномерность реакции катков, воспринимающих нагрузку от веса изложницы при ее установке в опорное кольцо. При этом даже незначительное угловое смещение оси опорного кольца, относительно геометрической оси вращения изложницы, вызовет торцевое биение поверхности катания опорного кольца по системе катков и, как следствие, повышенную вибрацию со всеми негативными последствиями.

Недостатком этой машины являются также большие динамические нагрузки, воспринимаемые опорными катками и передающиеся на фундамент, по причине отсутствия демпфирования в горизонтальной плоскости неуравновешенных центробежных сил. На центрирующих роликах эти силы гасятся системой пружин с переменной жесткостью, однако такая система обладает следующими недостатками: конструктивная и технологическая сложность изготовления демпфирующего узла с заданным законом изменения жесткости, низкая надежность и большие габариты такой системы пружин.

Известна центробежная машина [2], содержащая основание, изложницу с коническими посадочными поверхностями, системы верхних и нижних катков с опорными кольцами, плитами, резинопневматическими и резиновыми амортизаторами, а также резинометаллическими амортизаторами, жестко закрепленными на основании и расположенными по периметру плит с зазором к последним. В этой схеме машины улучшена ее виброизоляция как в вертикальном, так и в радиальном направлениях, что снижает динамические нагрузки на ее элементы и фундамент. Однако сопряжение изложницы с опорными кольцами по коническим посадочным поверхностям не обеспечивает соосность посадки деталей, что также вызывает повышенную вибрацию, снижающую надежность и долговечность этой машины.

Ограничение роста амплитуд при прохождении зоны резонансных частот по этой схеме происходит на резинометаллических амортизаторах, жесткость которых на порядок больше жесткости резиновых амортизаторов. При соударении плит с резинометаллическими амортизаторами возникают большие нагрузки на элементы машины, что может привести к поломке узлов машины, воспринимающих эти ударные нагрузки.

К недостаткам относится также возможность перемещения опорных колец с изложницей по поверхности катков при большом дисбалансе вращающихся частей машины. В случае отсутствия реборд на опорных кольцах, ограничивающих это перемещение, возможен ее сход с системы нижних катков.

Известна центробежная литейная машина [3], содержащая основание, изложницу с коническими посадочными поверхностями, системы верхних и нижних катков с опорными кольцами, плитами, резинопневматическими и резиновыми амортизаторами, резинометаллические амортизаторы, жестко закрепленные на основании и расположенные по периметру плит с зазором к последним. Для ограничения перемещения опорных колец с изложницей по поверхности катков эта машина снабжена роликами с вертикальной осью вращения, закрепленными на станинах катков.

В этой схеме машины по сравнению с предыдущей устраняется недостаток, связанный с возможным сходом изложницы с системы опорных катков, или ее работа с трением реборд колец по этим каткам, вызывающая повышенный износ сопрягаемых деталей. Однако эта конструкция имеет недостаток, состоящий в том, что невозможна беззазорная установка роликов к опорным кольцам по причине возникновения разрушающих нагрузок на ролики из-за температурного расширения опорных колец во время заливки, а также отклонения геометрии дорожки катания опорных колец от кругового цилиндра. Установка роликов с гарантированным зазором к опорным кольцам вызывает повышенные динамические нагрузки на них при соударении с опорными кольцами. Недостатком также является восприятие каждым из установленных роликов всей нагрузки от вращающегося вектора неуравновешенной центробежной силы, по этой причине подшипниковый узел роликов должен быть достаточно мощным, а следовательно, и габаритным.

В основу изобретения поставлена техническая задача - в центробежной литейной машине, содержащей основание, изложницу с коническими посадочными поверхностями, системы верхних и нижних катков с опорными кольцами, плитами, резинопневматическими и резиновыми амортизаторами, размещенными между нижними поверхностями плит и основанием, резинометаллическими амортизаторами, расположенными по периметру плит и включающими опорные, нажимные и упругие элементы, а также роликами с вертикальной осью вращения, расположенными на катках, путем снабжения каждого из опорных колец центрирующей шайбой, выполненной с наружной сферической и внутренней конической поверхностями и установленной подпружиненно относительно нижнего торца опорного кольца в ее цилиндрическую расточку, выполнения на опорных кольцах и на изложнице торцевых посадочных поверхностей, снабжения системы катков симметричными двуплечими рычагами с вертикальной осью вращения, на которые попарно установлены ролики, соединения двуплечих рычагов с системами катков с возможностью упругого перемещения в горизонтальной плоскости, выполнения каждого резинометаллического амортизатора с переменной возрастающей жесткостью упругих элементов и соединения с основанием и плитами сферическими шарнирами таким образом, что общая ось этих шарниров имеет угловое смещение в горизонтальной плоскости, равное 20°-50°, относительно радиального направления одного из центров этих шарниров, установления резинометаллических амортизаторов попарно, а в каждой паре - зеркально друг относительно друга, обеспечить снижение вибрации машины, уменьшение динамических нагрузок на фундамент и узлы машины, тем самым повысить ее надежность и долговечность.

Снабжение опорных колец центрирующими шайбами позволяет центрировать изложницу относительно последних в радиальном направлении. Центровка происходит путем сопряжения наружных конических поверхностей изложницы с внутренними коническими поверхностями, выполненными в центрирующих шайбах.

Выполнение в корпусе опорного кольца цилиндрической расточки, а в центрирующей шайбе - наружной сферической поверхности обеспечивает центрирование этих деталей при их сопряжении.

Установка центрирующей шайбы в цилиндрическую расточку корпуса опорного кольца подпружиненно, относительно его нижнего торца, с суммарным усилием пружин 0,1÷0,3 от веса изложницы, обеспечивает фиксацию центрирующей шайбы в момент центрирования изложницы по коническим посадочным поверхностям.

Выполнение торцевых посадочных поверхностей на изложнице и на корпусах опорных колец обеспечивает параллельность осей этих деталей в момент их сопряжения по этим поверхностям.

Снабжение систем катков двуплечими рычагами с вертикальной осью вращения и попарное установление на них роликов обеспечивает восприятие неуравновешенной центробежной силы как минимум парой роликов, установленной на одном из двуплечих рычагов, а следовательно, соответствующее снижение нагрузки, приходящейся на один ролик. Выполнение двуплечего рычага симметричным обеспечивает равномерное перераспределение нагрузки между двумя роликами, установленными на одном двуплечем рычаге.

Посадка каждого двуплечего рычага на вертикальную ось с гарантированным технологическим зазором обеспечивает их перемещение в радиальном направлении, что позволяет компенсировать температурное расширение опорных колец.

Соединение двуплечих рычагов с системами катков упруго, через демпфирующие устройства, позволяет устанавливать ролики к опорным кольцам без зазора, что обеспечивает безударный контакт этих деталей, и тем самым снизить динамические нагрузки на ролики.

Соединение демпфирующих устройств с двуплечими рычагами и системами катков шарнирно обеспечивает возможность упругого поворота двуплечих рычагов относительно вертикальной оси при перераспределении нагрузки между парой роликов.

Соединение резинометаллических амортизаторов с основанием и плитами сферическими шарнирами обеспечивает кинематическую связь этих деталей при перемещении плит относительно основания как в вертикальном, так и в радиальном направлениях, а также при угловых смещениях.

Угловое смещение в горизонтальной плоскости общей оси сферических шарниров, относительно радиального направления центра одного из этих шарниров, обеспечивает упругое демпфирование крутильных колебаний плит в направлении, при котором происходит сжатие резинометаллических амортизаторов.

Установка резинометаллических амортизаторов попарно, а в каждой паре зеркально друг относительно друга обеспечивает гашение крутильных колебаний плит в обоих направлениях.

Выполнение резинометаллических амортизаторов с переменной возрастающей жесткостью упругих элементов обеспечивает, в совокупности с резиновыми амортизаторами, в зоне рабочих амплитуд машины сравнительно невысокую жесткость и резкое ее увеличение при амплитудах, превышающих допустимую рабочую. Такая жесткостная характеристика резинометаллических амортизаторов позволяет резонансные частоты машины сделать ниже частот вращения, при которых происходит заливка изложницы металлом и в то же время эффективно ограничивать рост амплитуд колебаний и выводить машину из резонанса.

Выполнение в резинометаллических амортизаторах, в их опорных элементах, внутренней цилиндрической расточки глубиной не менее 1,2 толщины упругого элемента, а в нажимных и упругих элементах наружной проточки, с возможностью установки этих деталей во внутреннюю расточку опорных элементов, обеспечивает размещение упругих резиновых элементов в замкнутом объеме.

Выполнение торцов опорных и нажимных элементов, контактирующих с упругими элементами, вогнутыми и выпуклыми соответственно, позволяет плоскому упругому резиновому элементу, при ходе нажимного элемента, деформироваться с переменной возрастающей жесткостью. Жесткость резинометаллического амортизатора будет складываться последовательно из жесткости деформации упругого резинового элемента на изгиб и на сжатие и параллельно из жесткости пневмополости, образованной торцевыми поверхностями упругого и опорного элементов. При этом составляющие этой жесткости являются величинами переменными, возрастающими. Жесткость упругого элемента на изгиб увеличивается из-за увеличивающегося деформируемого объема, а на сжатие - из-за уменьшающейся площадки свободной поверхности, через которую осуществляется выдавливание деформируемой резины. Жесткость пневмополости также увеличивается из-за нелинейного уменьшения ее объема и соответствующего увеличения в ней давления.

Жесткости на сжатие резинового упругого элемента и пневмополости теоретически стремятся к бесконечности при полном заполнении последней деформированной резиной. Выполнение вогнутости в торце опорного элемента объемом V₁ и выпуклости на торце нажимного диска объемом V₂, меньшим, чем V₁, обеспечивает образование замкнутой пневмополости объемом V₁-V₂, в которую происходит выдавливание деформированного объема резинового упругого элемента при его сжатии.

Выполнение соотношения:

где V₃ - объем упругого резинового элемента, обеспечивает максимальный ход нажимного элемента при данном объеме резинового упругого элемента и возможность получения наибольшего спектра упругих характеристик резинометаллического амортизатора.

Предлагаемая центробежная машина схематически показана на чертежах, где на фиг.1 показан общий вид машины, на фиг.2 - выносное сечение А, на фиг 3 - вид сверху Б на двуплечий рычаг, на фиг.4 - выносное сечение Г, на фиг.5 - вид сверху В на резинометаллические амортизаторы, на фиг.6 - продольный разрез Д-Д резинометаллического амортизатора.

Центробежная литейная машина содержит изложницу 1, которая через опорное кольцо 2 опирается на систему верхних катков 3, жестко установленных на верхней плите 4, а через опорное кольцо 5 опирается на систему нижних катков 6, жестко установленных на нижней плите 7. Под плитами 4 и 7 расположены резинопневматические амортизаторы 8 и резиновые амортизаторы 9. Амортизаторы 8 и 9 опираются на основание 10, закрепленное на фундаменте. По периметрам плит 4 и 7 установлены резинометаллические амортизаторы 11. Все катки, системы верхних катков 3, имеют приводы 12. Подача рабочего давления в резинопневматические амортизаторы 8 осуществляется от пневмосети 13, а управление - через раздельные системы 14 и 15.

Каждое из опорных колец 2 и 5 снабжено центрирующей шайбой 16 (см. фиг.2), у которой наружная поверхность выполнена сферической, а внутренняя - конической. Центрирующая шайба 16 установлена в корпус 17 каждого кольца, для чего в нем выполнена цилиндрическая расточка. Сопряжение центрирующей шайбы 16 с изложницей 1 осуществляется по конической поверхности, а с корпусом 17 - по сферической. Для сопряжения изложницы 1 с корпусом 17 на этих деталях выполнены торцевые поверхности. Центрирующая шайба 16 подпружинена относительно нижнего торца корпуса 17, для чего на нижнем торце корпуса 17 закреплена крышка 18 с цилиндрическими гнездами, в которые установлены пружины 19.

Каждый каток, верхних 3 и нижних 6 систем катков (см. фиг.3), снабжен двуплечим рычагом 20 с вертикальной осью вращения. Последний соединен со станиной катка через кронштейн 21. Кронштейн 21 закреплен на станине катка и состоит из консольной вертикальной оси 22 и опорной балки 23. На двуплечий рычаг 20 установлены два ролика 24 с вертикальной осью вращения. Сопряжение двуплечего рычага 20 с осью 22 выполнено с гарантированным технологическим зазором S. Для упругого перемещения двуплечего рычага 20, в пределах зазора S, а также углового смещения относительно оси 22 двуплечий рычаг 20 соединен с опорной балкой 23 через два демпфирующих устройства 25. Соединение последних с двуплечим рычагом 20 и с опорной балкой 23 шарнирное. Каждое демпфирующее устройство 25 (см. фиг.4) состоит из двух тарелок 26 со сферическими гнездами и резиновой пластины 27, контактирующей с тарелками 26. Для шарнирного соединения с демпфирующими устройствами 25 в двуплечий рычаг 20 запрессованы две втулки 28 со сферической головкой, а в опорную балку 23 ввернуты два винта 29 также со сферическими головками.

В исходном положении ролики 24 находятся в контакте с опорными кольцами 2 и 5. Для этого вначале осуществляется предварительное поджатие резиновых пластин 27 винтами 29. После этого кронштейны 21, по пазам крепежных отверстий, пододвигают к опорным кольцам 2 и 5. Винтами 29 осуществляют угловую корректировку двуплечих рычагов 20 с целью обеспечения контакта обоих роликов 24 с опорными кольцами 2 и 5 и фиксируют кронштейны 21 на станинах катков 3 и 6.

Каждый резинометаллический амортизатор 11 соединен с плитами 4 и 7 и основанием 10 сферическими шарнирами 30 и 31 соответственно (см. фиг.5). При этом общая ось этих шарниров 30 и 31 имеет угловое смещение в горизонтальной плоскости, относительно радиального направления центра сферического шарнира 30. Величина этого углового смещения равна =20°-50°. Резинометаллические амортизаторы 11 установлены попарно, а в каждой паре - зеркально друг относительно друга. Резинометаллические амортизаторы 11 состоят (см. фиг.6) из резиновых упругих элементов 32 нажимных 33 и опорных 34 металлических элементов. В опорном элементе 34 выполнена внутренняя цилиндрическая глухая расточка глубиной не менее 1,2 толщины упругого элемента 32, в которую плотно вставлен плоский упругий резиновый элемент 32, и по ходовой посадке - нажимной элемент 33, для чего на этих деталях выполнена соответствующая наружная проточка. Торцы опорного 34 и нажимного 33 элементов, контактирующие с упругим элементом 32, имеют вогнутость объемом V₁ и выпуклость объемом V₂ соответственно. При этом объем V₁ больше объема V₂, а соотношение разности объемов V₁-V₂ к объему V₃ упругого элемента 32 равно

Для сферического соединения резинометаллических амортизаторов 11 в нажимных элементах 33 выполнены сферические гнезда, а в плиты 4 и 7 запрессованы втулки 35 со сферическими головками. Сферическое соединение резинометаллических амортизаторов 11 с основанием 10 осуществляется через кронштейны 36, жестко закрепленные на основании 10, в которое ввинчены винты 37 со сферическими головками, а в опорных элементах 34 выполнены сферические гнезда.

В исходном положении резинометаллические амортизаторы 11 предварительно поджаты к плитам 4 и 7 с помощью винтов 37. Предварительное поджатие необходимо для обеспечения постоянного контакта в сферических шарнирах 30 и 31 при колебаниях плит 4 и 7. Для этого ход предварительного поджатия должен быть больше максимально возможной амплитуды колебаний плит 4 и 7.

Пример работы машины.

В опорные кольца 2 и 5 машины устанавливается изложница 1. Нагрузка передается через системы катков 3 и 6 на плиты 4 и 7 и через резинопневматические амортизаторы 8 и резиновые амортизаторы 9 на основание 10 и на фундамент. Через системы 14 и 15 в резинопневматических амортизаторах 8 создается давление, обеспечивающее равномерное распределение нагрузок на системы верхних 3 и нижних 6 катков.

При установке изложницы 1 в опорные кольца 2 и 5 вначале происходит ее контакт с центрирующими шайбами 16 по конусным посадочным поверхностям. Усилие предварительного поджатая рассчитано таким образом, чтобы его было достаточно для удержания центрирующих шайб 16 и смещения изложницы 1 в радиальном направлении по ее конусным посадочным поверхностям. После базирования изложницы 1 в центрирующих шайбах 16 изложница 1 своим весом перемещает их, сжимая при этом пружины 19 до момента контакта с корпусами 17 по торцевым посадочным поверхностям. Возможное угловое смещение осей корпусов 17 относительно геометрической оси вращения изложницы 1 устраняется при ее базировании по этим посадочным поверхностям.

При включении приводов 12 через систему верхних катков 3 вращение передается на опорное кольцо 2 и на изложницу 1. Последняя через опорное кольцо 5 передает вращающий момент на неприводную систему катков 6. При вращении изложница 1, а также кинематически с ней связанные системы катков 3, 6 и плиты 4, 7 совершают колебания под действием неуравновешенных центробежных сил. Колебания плит 4 и 7 как радиальные, так и тангенциальные через втулки 35 передаются на нажимные элементы 33 резинометаллических амортизаторов 11. При сжатии упругого элемента 32 деформированный объем выдавливается в пневмополость Е, образованную торцами упругого 32 и опорного 34 элементов. Пневмополость Е при этом уменьшается, а давление в ней увеличивается. В пределах рабочих амплитуд жесткость резинометаллического амортизатора 11 увеличивается незначительно. Однако при больших амплитудах резко уменьшается объем пневмополости Е, а также площадки, через которую происходит выдавливание деформированного при сжатии объема резины. В результате этого резко возрастает жесткость упругого элемента 32, а также пневмополости Е и суммарная жесткость резинометаллического амортизатора 11, что обеспечивает эффективное ограничение роста амплитуд при прохождении машиной интервала резонансных частот.

Во время работы машины ролики 24 находятся в постоянном контакте с опорными кольцами 2 и 5, ограничивая их радиальное смещение относительно систем опорных катков 3 и 6. Температурное расширение опорных колец 2 и 5 компенсируется за счет упругого радиального перемещения двуплечих рычагов 20 в пределах технологического зазора S, с которым они посажены на оси 22.

Для наиболее эффективного гашения радиальных и тангенциальных колебаний плит угловое смещение в горизонтальной плоскости общей оси сферических шарниров относительно радиального направления одного из центров этих шарниров должно быть в пределах =20°-50°. При меньшем угле жесткость резинометаллических амортизаторов будет недостаточной для гашения тангенциальных колебаний плит, а при большем угле снизится эффективность гашения радиальных колебаний плит.

Выполнение глубины цилиндрической глухой расточки в опорных элементах меньше чем 1,2 толщины резинового упругого элемента сделает недостаточным базу сопряжения нажимного элемента с опорным.

Выполнение соотношения разности объемов V₁-V ₂ к объему V₃ упругого элемента меньшим чем 0,05-0,2 уменьшит ход нажимного элемента и увеличит крутизну жесткостной характеристики резинометаллического амортизатора, а следовательно, и динамическую нагрузку на машину при прохождении зоны резонансных частот вращения. Выполнение этого соотношения объемов большим чем 0,05-0,2 приведет к тому, что интенсивность нарастания жесткости резинометаллического амортизатора будет недостаточной для эффективного ограничения роста амплитуды колебаний.

Выполнение пружин с соотношением суммарного усилия их сжатия к весу изложницы меньше чем 0,1-0,3 не гарантирует фиксацию центрирующей шайбы относительно корпусов опорных колец в момент центровки изложницы по конусным посадочным поверхностям, в случае если посадка изложницы будет происходить с большим ускорением (близким к ускорению свободного падения). Выполнение пружин с соотношением усилия их сжатия к весу изложницы большим чем 0,1-0,3 не гарантирует осуществления сопряжения изложницы с корпусами опорных колец по торцевым посадочным поверхностям (в случае большого коэффициента трения в сопряжении корпусов опорных колец с системами катков).

Таким образом, снабжение опорных колец центрирующими шайбами, подпружиненными к нижним торцам корпусов опорных колец, и выполнение на изложнице и опорных кольцах дополнительных торцевых посадочных поверхностей обеспечивает соосную посадку этих деталей, исключающих торцевое биение изложницы. Снабжение систем катков симметричными двуплечими рычагами с вертикальной осью вращения и установки на них пары роликов обеспечивает восприятие динамической нагрузки одновременно, как минимум двумя роликами, что позволяет соответственно снизить их габариты. Упругое перемещение двуплечих рычагов относительно систем катков в горизонтальной плоскости позволяет устанавливать ролики к опорным кольцам без зазора, обеспечить их безударный контакт. Выполнение резинометаллических амортизаторов с переменной возрастающей жесткостью в сочетании со схемой их установки позволяет эффективно гасить весь спектр колебаний плит.

Все существенные отличительные признаки предлагаемой центробежной машины необходимы и достаточны для решения поставленной технической задачи.

По заявляемому техническому решению изготовлена действующая модель. Проведенные испытания подтвердили эффективность заявляемых технических решений.

Источники информации

1. Патент России RU №2048251, В 22 D 13/02, 1995 г.

2. Патент России RU №2124414, В 22 D 13/04, 1999 г.

3. Патент России RU №2173607, В 22 D 13/04, 2000 г.