Соединительные шпиндели

4.5.1. Устройство шпинделей

Шпиндели предназначены для передачи крутящего момента от шестеренной клети или непосредственно от главных двигателей к валкам прокатного стана. В основу конструкции универсальных шпинделей

положен принцип шарнира Гука. Существуют следующие типы шпинделей: универсальные, трефовые, на подшипниках качения, зубчатые и шариковые. Наибольшее применение получили универсальные шпиндели (Рисунок 15). Эти шпиндели могут передавать вращение и крутящий момент под углом наклона до 810°. Шпиндельное соединение представляет собой вал с двумя универсаль­ными шарнирами (Рисунок 16), каждый из которых состоит из бронзовых вкладышей 1, вилки 2, пальца 3.

Рисунок 15- Универсальные шпиндели

1-текстолитовый вкладыш; 2-лопасть; 3-палец

Рисунок 16- Шарнир универсального шпинделя

Учитывая необходимость переточки валков, диаметр шарнира шпинделя со стороны валка обычно принимают < 0,85-0,95 диаметра валка. В цилиндрической расточке шпинделя размещены бронзовые или текстолитовые вкладыши.

Трефовые шпиндели (Рисунок 17) применяются на старых линейных станах. Передача крутящего момента под углом 1-2 ^о достигается зазором между муфтой и шпинделем. Величина зазора . Длина шпинделя равна двум длинам муфт, плюс величине зазора между торцами муфт и шпинделем для установки каната при перевалке. Трефовый шпиндель рассчитывается на кручение:

≤

1-муфта; 2-шпиндель.

Рисунок 17- Трефовый шпиндель

Шпиндели на подшипниках качения дают возможность передавать вращение валкам под углом до 12 ⁰ при скорости вращения до 800 об/мин. Устройство шарнира шпинделя на подшипниках качения представлено на рисунке 18.

1- полумуфта; 2- подшипник; 3-крестовина; 4-фланец

Рисунок 18- Головка шпинделя на подшипниках качения

Зубчатые шпиндели (Рисунок 19) нашли применение для привода валков станов с относительно небольшим передаваемым крутящим моментом, а также для приводов некоторых вспомогательных машин и механизмов. Угол наклона шпинделя не превышает 1,5⁰ при скорости вращения до 800 об/мин.

1-полумуфта; 2-вал; 3-зубчатая втулка; 4-крышка; 5-уплотнение; 6-пружина.

Рисунок 19- Головка зубчатого шпинделя

Шпиндель выполнен в виде удлиненных зубчатых муфт, зубья которых имеют бочкообразное сечение. Зубчатые втулки изготавливаются из высокопрочных марок сталей, для повышения контактной прочности зубья подвергают термообработке, а для уменьшения износа во внутрь головки заливается смазка.

Ввиду сложности изготовления зубчатых шпинделей, их вибрациях при больших скоростях вращения, для приводов мелкосортных и проволочных станов нашли применение шариковые шпиндели (Рисунок 20). Шариковые шпиндели работают при скорости вращения до 2000 об/мин и углах наклона до 1,5^о.

1-полумуфта; 2-пружина; 3-шарик; 4-уплотнение; 5-обойма; 6-труба

Рисунок 20- Шариковый шпиндель

4.5.2. Расчет универсальных шпинделей на прочность

Размеры отдельных элементов универсального шарнира выбираются исходя из наружного диаметра его головки, который стандартизован. Диаметр выбирается из следующего ряда: 200, 210, 220, 240, 250, 260, 280, 300, 320, 340, 360, 380, 400, 420, 450, 480, 500, 530, 560, 600, 630, 670, 710, 750, 800, 900, 950, 1000, 1060, 1120, 1180, 1250, 1320, 1400, 1500, 1600.

Приближенно выбор типоразмера шпинделя можно провести по графи­ку (Рисунок 21) в пределах заштрихованной зоны.

Рисунок 21 График для выбора типоразмера шпинделя

Рисунок 22 –Схема к расчету универсального шпинделя

Наиболее опасным сечением при передаче крутящего момента в шпинделе (рисунок 22) является сечение 1-1 – переход щеки головки в ее цилиндрическую часть. При передаче крутящего момента М на каждую щеку головки шпин­деля действует усилие Р, возникающее в результате давления лопасти на бронзовый вкладыш и бронзового вкладыша на щёку по цилиндрической поверхности их соприкосновения.

Величина этого усилия равняется:

где a- расстояние между точками приложения сил.

При трапецеидальном распределении удельных давлений, с учетом геометрических соотношений, . Таким образом, при передаче шпинделем крутящего момента в сечении щеки 1-1 (рисунок 22) на расстоя­нии Х от шарнира возникают напряжения кручения и изгиба.

Напряжение кручения в сечении 1-1

где - момент сопротивления кручению сечения 1-1.

Приведем сечение 1-1 к виду прямоугольника, для которого момент сопротивления кручению можно определить по формуле [4]

,

где коэффициент X зависит от отношения ширины прямоугольника (по площади равного площади сегмента) к его высоте.

При величина , напряжение

изгиба в сечении 1-1

,

где - момент сопротивления изгибу 1-1.

Изгибающий момент в сечении 1-1

.

Определить точно момент сопротивления изгибу сечения 1-1, имеющего форму сегмента, трудно, поэтому, заменяя его равновеликой тра­пецией с основанием и высотой , находим

.

Расчетное значение напряжений в сечении 1-1 определяется по фор­муле

Шпинделиизготовляются из сталей 40, 40X,40XH, 40XHM, ЗХХНВ.

Предел прочности этих сталей - 650 - 850 Н/мм. При пятикратном запасе прочности допускаемое напряжение для шпинделей будет = 130¸170 H/мм². Полученное расчетное напряжение не должно быть выше допустимого.

Кроме проверки сечений 1-1 необходимо определить напряжение в теле шпинделя. Тело шпинделя работает только на кручение. Тогда:

.

Рассчитанное по этой формуле напряжение не должно превышать указанных выше допускаемых напряжений.

4.5.3. Уравновешивание шпинделей

Как трефовые, так и универсальные шпиндели уравновешиваются при диаметре валков > 450-500мм. Необходимость уравновешивания заключается в том, чтобы вес шпинделя не передавался на шарниры шпинделей. Усилие уравновешивания Р_ур принимается равным 1,1-1,3 веса уравновешиваемых деталей G_ур:

Р_ур = (1,1 – 1,3)G_ур

Все трефовые шпиндели, а так же универсальные, при незначительном перемещении (<50-100 мм.) обычно уравновешиваются пружинами (рисунок 23).

Рисунок 23-Пружинное уравновешивание.

1-планка; 2-шпиндель; 3-траверса; 4-стойка.

При значительных перемещениях универсального шпинделя применяют грузовое уравновешивание (рисунок 24) или гидравлическое (рисунок 25). Причем гидравлическое уравновешивание наиболее удобно в работе, оно позволяет осуществлять регулировку положения уровня головки шпинделя со стороны валков при их смене.

1-шпиндель; 2-валок; 3-контрогруз; 4-штанга.

Рисунок 24- Схема грузового уравновешивания шпинделей.

1-траверса; 2-штанга; 3-гидроцилиндр.

Рисунок 25- Схема гидравлического уравновешивания