Устройство для уравновешивания шпинделя привода валков прокатного стана

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шпиндельным устройствам главных приводов рабочих клетей прокатных станов. Сущность: устройство содержит траверсу с размещенной на ней подшипниковой опорой. Между траверсой и подшипниковой опорой установлен упругий элемент. Траверса поддерживается опирающимся на неподвижное основание гидроцилиндром, связанным с источником давления рабочей жидкости и сливом через гидрораспределитель, у которого один из элементов (корпус или плунжер) кинематически связан с подшипниковой опорой, а другой - с траверсой. Между траверсой и неподвижным основанием может быть установлен дополнительный упругий элемент. Изобретение обеспечивает автоматическое точное уравновешивание шпинделя при перемещениях рабочего валка независимо от величины сил трения в уплотнениях гидроцилиндра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к прокатному оборудованию, преимущественно к шпиндельным устройствам главных приводов рабочих клетей прокатных станов.

Точное уравновешивание шпинделя, при котором радиальные силы в шарнирах шпинделя равны нулю, необходимо для предотвращения раскрытия зазоров в сочленениях элементов шарниров. Неуравновешенность шпинделя приводит к росту динамических нагрузок при захвате металла валками, к интенсивному износу и отказам элементов привода.

Условием точного уравновешивания является равенство усилия, действующего со стороны уравновешивающего устройства на шпиндель, весу последнего, как в отсутствие внешних возмущения, так и при переходных процессах, обусловленных, например, перестройкой клети или ее деформацией при захвате полосы валками.

Известно устройство для уравновешивания шпинделя, содержащее траверсу с размещенной на ней подшипниковой опорой, пружины, взаимодействующие с траверсой и подвесками закрепленными на неподвижном основании, и средство регулирования положения пружин относительно подвесок.

Это устройство обеспечивает точное уравновешивание шпинделя только при одном определенном положении валка, задаваемом начальной настройкой. Любое отклонение рабочего валка от этого положения приводит к изменению деформации упругих элементов, к появлению радиальных сил в шарнирах шпинделя и нарушению его равновесия.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для уравновешивания шпинделя валков прокатного стана, содержащее неподвижное основание, опорную систему, включающую гидравлический цилиндр, преимущественно одностороннего действия, своим плунжером упирающийся в траверсу, несущую подшипниковую опору вала шпинделя, и упругий элемент, установленный между траверсой и подшипниковой опорой.

Благодаря использованию в рассматриваемом устройстве гидроцилиндра, снабженного источником давления рабочей жидкости и сливом, даже при больших перемещениях рабочих валков не происходит такого значительного роста неуравновешенности шпинделя, как при пружинном уравновешивании. Тем не менее для устройства характерна принципиальная невозможность постоянного точного уравновешивания шпинделя, что является основным недостатком данной конструкции. Это обусловлено непостоянством силы F, действующей со стороны плунжера гидроцилиндра, величина которой лежит в пределах F_ц - F_тр ≅ F ≅ F_ц + F_тр, где F_ц - усилие, создаваемое рабочей жидкостью; F_тр - сила трения в уплотнениях гидроцилиндра.

Несмотря на постоянство силы F_ц, неопределенность силы F_тр приводит к тому, что суммарная сила F не равна весу шпинделя, даже при отсутствии внешних возмущений со стороны валков.

В основу изобретения положена задача создания такого устройства для уравновешивания шпинделя привода валков прокатного стана, которое сочетало бы в себе достаточное быстродействие с точностью уравновешивания, т.е. с сохранением постоянства определенной при настройке уравновешивающей силы при перемещениях вала шпинделя в вертикальном направлении, вызванных как спецификой процесса прокатки, так и динамикой переходных процессов. Иными словами, устройство должно обладать свойством самонастройки, т.е. независимо от положения и скорости перемещения вала шпинделя в пространстве, поддерживать в определенных пределах постоянную величину уравновешивающей силы, минимизируя ее возможные колебания.

Для этого устройство снабжено гидрораспределителем и двумя жесткими кинематическими связями, одна из которых соединяет корпус гидрораспределителя, а другая плунжер гидрораспределителя - с элементами опорной системы. При этом одна из двух упомянутых связей сопряжена с траверсой, а другая - с подшипниковой опорой.

Кроме того, устройство снабжено дополнительным упругим элементом, установленным между траверсой и неподвижным основанием. Жесткость дополнительного упругого элемента удовлетворяет соотношению С_д/С ≅ 3,0; где С_д - жесткость дополнительного упругого элемента; С - жесткость основного упругого элемента, установленного между подшипниковой опорой и траверсой.

Сущность изобретения заключается в наличии комплекса упругий элемент - гидрораспределитель, расположенного между подшипниковой опорой и траверсой. При этом как деформация упругого элемента, так и взаимное смещение плунжера и корпуса гидрораспределителя зависят от положения траверсы относительно подшипниковой опоры. Выполнение последнего условия конструктивно обеспечивается наличием кинематической связи подшипниковой опоры с одним из взаимно подвижных элементов гидрораспределителя (с плунжером или корпусом) и кинематической связи траверсы с другим. Наличие этих признаков обуславливает возможность самонастройки системы при перемещениях рабочего валка, причем постоянство усилия, действующего на шпиндель, достигается автоматически и не зависит ни от величины перемещения валка, ни от силы трения в уплотнениях. Существенно также, что упругий элемент и гидрораспределитель, регулирующий подачу рабочей жидкости в гидроцилиндр, совместно установлены именно между подшипниковой опорой и траверсой. Благодаря этому деформация упругого элемента, а соответственно и взаимное смещение плунжера и корпуса гидрораспределителя практически не отстают во времени от изменения возмущающих усилий в шарнирах шпинделя, и система уравновешивания обладает малой инерционностью.

Установка дополнительного упругого элемента параллельно гидроцилиндру между траверсой и неподвижным основанием позволяет разгрузить гидроцилиндр от постоянной составляющей усилия уравновешивания и существенно уменьшить его габариты и массу. В результате уменьшения инерционности система быстрее компенсирует вызванные внешними возмущениями деформации упругих элементов, установленных между траверсой и подшипниковой опорой, т.е. дополнительно повышается точность уравновешивания при переходных процессах. Таким образом дополнительный признак, сущность которого состоит в параллельной передаче усилия уравновешивания гидроцилиндром и упругим элементом, позволяет усилить обеспечиваемый изобретением результат.

На фиг. 1 показано устройство для уравновешивания шпинделя в состоянии, когда шпиндель уравновешен; на фиг. 2 то же, при действии на шпиндель дополнительных сил, направленных по вертикали вниз; на фиг. 3 - то же, при действии на шпиндель дополнительных сил, направленных по вертикали вверх; на фиг. 4 - вариант соединения плунжера и корпуса гидрораспределителя с элементами опорной системы; на фиг. 5 - вариант уравновешивающего устройства с гидроцилиндром двустороннего действия и четырехщелевым гидрораспределителем; на фиг. 6 - вариант выполнения устройства с дополнительным упругим элементом между траверсой и неподвижным основанием.

Устройство (фиг. 1-3) содержит траверсу 1, на которой размещена подшипниковая опора 2, установленный между траверсой и подшипниковой опорой упругий элемент 3 (это может быть группа пружин), поддерживающий траверсу гидроцилиндр 4 с плунжером 5, корпусом 6, уплотнениями 7 и рабочей полостью 8, регулятор подачи рабочей жидкости, выполненный в виде гидрораспределителя 9 с плунжером 10, корпусом 11, рабочей полостью 12, регулировочным винтом 13 и пружиной 14. Рабочая полость 8 гидроцилиндра каналом 15 связана с рабочей полостью 12 гидрораспределителя 9, имеющего сливной канал 16, сообщающийся со сливной емкостью 17, и подводящий канал 18, связывающий гидрораспределитель с источником давления 19 рабочей жидкости. В подшипниковой опоре 2 устройства для уравновешивания установлен шпиндель 20 с вкладышами 21, передающий вращение от шестеренного валка 22 к рабочему валку 23. Гидроцилиндр 4 через промежуточные элементы непосредственно опирается на неподвижное основание 24. Тяга 25 через винт 13 осуществляет кинематическую связь плунжера 10 гидрораспределителя с подшипниковой опорой 2, а тяга 26 осуществляет кинематическую связь корпуса 11 гидрораспределителя с траверсой 1.

В устройстве (фиг. 4) тяга 26 осуществляет кинематическую связь плунжера 10 гидрораспределителя с траверсой 1, а тяга 25 - кинематическую связь корпуса 11 гидрораспределителя с подшипниковой опорой 2.

На фиг. 1-4 показаны варианты устройства с гидроцилиндром одностороннего действия и двухщелевым гидрораспределителем. В устройстве могут быть применены и другие типы гидроцилиндров и гидрораспределителей. Так, устройство для уравновешивания шпинделя привода валков прокатного стана (фиг. 5) содержит гидроцилиндр двустороннего действия 4 с двумя рабочими полостями 27 и 28, четырехщелевой гидрораспределитель 9 с рабочими полостями 29 и 30, два канала 31 и 32, связывающие рабочие полости гидроцилиндра и гидрораспределителя, и два сливных канала 33, 34. Корпус 11 гидрораспределителя тягой 35 кинематически связан с подшипниковой опорой, а плунжер 10 тягой 36 кинематически связан с траверсой.

На фиг. 6 показано устройство для уравновешивания шпинделя, где между траверсой 1 и неподвижным основанием 24 установлен дополнительный упругий элемент 37 с регулятором натяжения 38.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

В состоянии, когда шпиндель уравновешен, т.е. шарниры шпинделя и вкладыши 21 разгружены от радиальных сил, вес G шпинделя и подшипниковой опоры передается через упругий элемент 3 на траверсу, далее вместе с весом траверсы на гидроцилиндр и воспринимается неподвижным основанием. При этом плунжер 10 гидрораспределителя перекрывает каналы 16 и 18. При смещении рабочего валка в вертикальном направлении возможны два случая. В первом случае на вкладыши шпинделя действуют дополнительные силы R, направленные по вертикали вниз, а во втором - на вкладыши шпинделя действуют дополнительные силы R, направленные по вертикали вверх.

В первом случае, при возникновении направленных вниз сил R (фиг. 2) на упругий элемент 3, установленный между подшипниковой опорой и траверсой, действует сила G + 2˙R, вызывающая его дополнительное сжатие по сравнению с уравновешенным состоянием. В результате происходит сближение подшипниковой опоры и траверсы. При этом тяга 25 перемещает плунжер гидрораспределителя относительно корпуса, связанного тягой 26 с траверсой, и открывает канал 16. Из рабочей полости 8 жидкость по каналам 15, 16 стекает в емкость 17, плунжер гидроцилиндра вместе с траверсой опускается по вертикали. При этом восстанавливается высота упругого элемента, плунжер 10 перекрывает канал 16 и система возвращается в первоначальное состояние, при котором силы R равны нулю.

Во втором случае при возникновении направленных вверх сил R (фиг. 3) на упругий элемент 3, установленный между подшипниковой опорой и траверсой, действует сила G - 2˙R, вызывающая уменьшение его деформации. В результате расстояние между подшипниковой опорой и траверсой увеличивается, тяги 25 и 26 перемещают плунжер и корпус гидрораспределителя относительно друг друга, открывая канал 18. От источника давления 19 жидкость по каналам 18 и 15 поступает в рабочую полость гидроцилиндра, плунжер 5 гидроцилиндра поднимает траверсу 1. При этом восстанавливается высота упругого элемента, плунжер 10 перекрывает канал 18 и система возвращается в первоначальное состояние, при котором силы R равны нулю.

Таким образом, благодаря наличию упругого элемента 3, установленного между подшипниковой опорой 2 и траверсой 1, и кинематической связи корпуса и плунжера гидрораспределителя 9 с траверсой и подшипниковой опорой соответственно, осуществляется точное автоматическое уравновешивание шпинделя. Причем, ввиду отсутствия инерционных элементов между подшипниковой опорой 2 и упругим элементом 3 регулировка подачи рабочей жидкости осуществляется гидрораспределителем 9 практически без запаздывания по отношению к моменту начала действия сил R.

Устройство, показанное на фиг. 4, работает аналогично устройству на фиг. 3 с той лишь разницей, что перемещение плунжера 10 гидрораспределителя определяется смещением траверсы 1, а смещение корпуса 11 гидрораспределителя определяется смещением подшипниковой опоры 2.

Устройство, изображенное на фиг. 5, работает следующим образом. В уравновешенном состоянии плунжер 10 гидрораспределителя перекрывает каналы 18, 33 и 34. При изменении положения рабочего валка, как отмечено выше, возможны два случая.

При возникновении направленных вниз сил R на упругий элемент 3, установленный между подшипниковой опорой и траверсой, действует силы G + 2˙R, вызывающая его дополнительное сжатие по сравнению с уравновешенным состоянием. В результате происходит сближение подшипниковой опоры 2 и траверсы 1. При этом тяга 35 перемещает корпус гидрораспределителя относительно плунжера, связанного тягой 36 с траверсой, и открывает каналы 18 и 33. Из рабочей полости 27 жидкость по каналам 31, 33 стекает в сливную емкость 17, а в рабочую полость 28 по каналам 18 и 32 подается жидкость от источника давления 19. Под действием разности давлений в рабочих полостях 27, 28 плунжер 5 гидроцилиндра с траверсой 1 опускаются, восстанавливая высоту упругого элемента, плунжер 10 гидрораспределителя перекрывает каналы 18, 33 и система возвращается в уравновешенное состояние, при котором радиальные силы в шарнирах отсутствуют.

При возникновении направленных вверх сил R на упругий элемент 3 действует сила G - 2˙R, вызывающая уменьшение его деформации. В результате расстояние между подшипниковой опорой и траверсой увеличивается, тяги 35, 36 перемещают плунжер и корпус гидрораспределителя относительно друг друга, открывая каналы 18 и 34. Из рабочей полости 28 жидкость по каналам 32, 34 стекает в сливную емкость 17, а в рабочую полость 27 по каналам 18, 31 подается жидкость от источника давления 19. Плунжер гидроцилиндра поднимает траверсу, восстанавливая высоту упругого элемента, плунжер 10 гидрораспределителя перекрывает каналы и система возвращается в уравновешенное состояние.

Уравновешивающее устройство (фиг. 6) работает аналогично устройству на фиг. 5. Разница состоит в том, что вес G шпинделя и подшипниковой опоры передается через упругий элемент 3 на траверсу 1 и далее через дополнительный упругий элемент 37 на неподвижное основание 24. Вес траверсы также воспринимается упругим элементом 37. На гидроцилиндр 4 в уравновешенном состоянии вес шпинделя и траверсы практически не передается. При возникновении в шарнирах шпинделя реакций R гидроцилиндр для восстановления состояния равновесия должен скомпенсировать деформацию упругого элемента 3, равную С˙R, за счет дополнительной деформации упругого элемента 37, т.е. развить усилие F = F = R, где С_д - жесткость упругого элемента 37; С - жесткость упругого элемента 3.

Как показывает практика эксплуатации уравновешивающих устройств, величина R обычно не превышает величины 0,3˙G. Поэтому при С_д/≅ 3,0 усилие, развиваемое гидроцилиндром при наличии упругого элемента 37, будет меньше, чем при отсутствии этого элемента. Поэтому габариты гидроцилиндра и масса плунжера в устройстве с дополнительным упругим элементом (фиг. 6) будут тоже меньше. Перемещение плунжера 5 с траверсой 1 при восстановлении равновесия происходит тем быстрее, чем меньше их суммарная масса. Таким образом установка дополнительного упругого элемента, способствуя снижению инерционности системы, дает возможность увеличить точность уравновешивания при переходных процессах.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ШПИНДЕЛЯ ПРИВОДА ВАЛКОВ ПРОКАТНОГО СТАНА, содержащее неподвижное основание, опорную систему, включающую гидравлический цилиндр преимущественно одностороннего действия, своим плунжером упирающийся в траверсу, несущую подшипниковую опору вала шпинделя, и упругий элемент, установленный между траверсой и подшипниковой опорой, отличающееся тем, что оно снабжено гидрораспределителем и двумя жесткими кинематическими связями, одна из которых соединяет корпус гидрораспределителя, а другая - его плунжер с элементами опорной системы, при этом одна из двух упомянутых кинематических связей сопряжена с траверсой, а другая - с подшипниковой опорой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным упругим элементом, установленным между траверсой и неподвижным основанием, причем жесткости основного и дополнительного упругих элементов, удовлетворяют соотношению С_д/С ≅ 3,0, где С_д - жесткость дополнительного упругого элемента;
С - жесткость основного упругого элемента, установленного между траверсой и подшипниковой опорой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6