Шестеренные клети и редукторы

Шестеренные клети предназначены для разделения крутящего момента, получаемого от главного двигателя, и привода валков стана. Шестеренные клети предусмотрены во всех прокатных станах, за исключением станов с индивидуальным приводом валков, осуществляемым непосредственно от двух двигателей (большие блюминги, слябинги и в некоторых случаях толстолистовые четырехвалковые станы).

Во всех шестеренных клетях приводной от главного двигателя являетя нижняя шестерня (за исключением трехвалковых сортовых станов, в которых приводной иногда делают среднюю шестерню).

Учитывая, что диаметр прокатных валков в процессе эксплуатации станов не является величиной постоянной (так как валки по мере их износа перетачивают или перешлифовывают), за основной параметр сортовых прокатных станов принят не диаметр рабочих валков, а диаметр начальной окружности шестерен шестеренных клетей. Благодаря этому можно сократить число требуемых типоразмеров шестеренных клетей и применять клети с одинаковым диаметром шестерен для различных прокатных станов. Кроме того, при этом значительно сокращается число типоразмеров дорогостоящего инструмента (долбяков или пальцевых фрез), требуемого для нарезания зубьев шестерен. Шестерни шестеренной клети часто называют шестеренными валками.

Диаметр начальной окружности шестерен шестеренной клети зависит от диаметра валков стана и величины наибольшего расстояния между ними при прокатке. Так как высота подъема верхнего валка в процессе прокатки изменяется, то диаметр шестеренных валков нужно выбирать исходя из условия, что угол наклона верхнего шпинделя не должен превышать допустимой величины (8—10°).

Практически установлены следующие соотношения между диаметром начальной окружности шестерни d₀, диаметром новых валков Dн, диаметром переточенных (до допустимого предела) валков Dп и максимальной высотой подъема верхнего валка h:

для малых блюмингов и других обжимных (черновых) двухвалковых станов

d₀=(D_н+D_п)/2+h/(8÷10);

для остальных станов, у которых расстояние между валками изменяется незначительно (только за счет переточки или перешлифовки валков):

d₀ = (D_н + D_п) / 2

В шестеренных клетях применяют шестерни с шевронным зубом, без дорожки или с дорожкой в середине, что объясняется следующим:

а) шестерни работают, как правило, с довольно высокими окружными скоростями (5—20 мм/с), и применение прямых зубьев в этом случае не рекомендуется вследствие малой плавности их хода;

б) применение косых зубьев внесло бы усложнение в конструкцию клети, так как потребовалось бы устройство для восприятия осевых нагрузок;

в) применение шевронных зубьев с дорожкой в середине (для выхода червячной фрезы щи нарезании зубьев) нежелательно, так как дорожка уменьшает полезную ширину шестерни, а следовательно, и величину передаваемого крутящего момента. Однако шестерни с дорожкой проще и дешевле в изготовлении.

Нарезку шевронных зубьев осуществляют либо при помощи специальных косозубых долбяков, либо пальцевыми фрезами.

Угол наклона шевронных зубьев на делительном цилиндре шестерни обычно принимают равным β≈30°; профильный угол эвольвенты в торцевом сечении α=20°.

В шестеренных клетях передаточное число зацепления равно единице (i=1), поэтому диаметр начальной окружности шестерни d₀ равен межосевому расстоянию шестерен шестеренной клети А.

Число зубьев z= 18÷29. Превышение этого предела недопустимо, так как оно влечет за собой уменьшение модуля, т. е. уменьшение прочности на изгиб. Обычно зубья шестеренных валков подвергают поверхностной закалке ацетиленовым пламенем для улучшения их сопротивления износу, поэтому для лучшего подвода горелки (или индуктора при закалке током высокой или низкой частоты) к зубьям не рекомендуется принимать модуль зубьев меньше 8—10 мм.

Поскольку шестерни одного и того же диаметра предназначены для передачи различных усилий и крутящих моментов (в зависимости от назначения прокатного стана), на практике их изготавливают различной ширины.

По ширине шестерни шестеренных клетей подразделяют на три типа: узкие при отношении В/А = 1÷1,25; средние 1,6—2,0 и широкие 2,5. Применение более широких шестерен (В/А>2,5) нежелательно, так как при этом увеличивается прогиб шестеренных валков и ухудшаются условия передачи нагрузки зубьями.

Обычно шестерни шестеренных клетей изготовляют из сталей 45_, 40ХН, 60Х2МФ с поверхностной закалкой до твердости 450—570 НВ. Механические свойства заготовок из этой стали (после нормализации) следующие: предел прочности σ_в=600÷800 МПа, предел текучести σ_т=320 МПа, относительное удлинение δ≥15%, ударная вязкость a_k≥45 Н·м/см², твердость 170-195 НВ, предел усталости σ_-1=280 МПа.

Конструкция

Шестерные клети делают открытыми (со съемной крышой). Они состоят из следующих основных элементов: станины, крышки, шестерен (шестерных валков) и подушек с подшипниками. Станины и крышки отливают из высокопрочного или модифицированного чугуна (марок BЧ45-5, СЧ32-52); шестерни изготовляют из кованой легированной стали марок 40ХН и зубья подвергают поверхностной закалке; подшипники — роликовые конические или (реже) баббитовые (если конструктивно нельзя применять роликовые ввиду их больших габаритов). К подшипникам и в зубчатое зацепление непрерывно подается жидкая смазка(брайтсток) от центральной циркуляционной смазочной станции, располагаемой обычно в подвале цеха, вблизи рабочей и шестеренной клетей. Для шестерен и подшипников должно быть предусмотрено хорошее уплотнение, не допускающее утечки масла, оказывающего разрушающее действие на фундамент.

Шестеренная клеть для привода рабочих валков четырехвалкового стана 2500 конструкции НКМЗ. Межосевое расстояние А = 500 мм, длина бочки шестерен 1200 мм, угол наклона зубьев β=30°, z=21, m_s = 24 мм, зубья корригированные. Максимальный крутящий момент на приводном валу 400 кН·м. Подшипники и зубья смазываются жидким маслом П-28 (брайтсток). Станина и крышка отлиты из серого чугуна марки СЧ32-52, подушки литые из стали марки 35ЛIII. Шестерни из легированной стали марки 60Х2МФ. Для облегчения нарезки шевронные зубья сделаны с дорожкой в середине (для выхода червячной фрезы). С целью предотвращения утечки масла из подшипников на концах шеек сделаны маслосбрасывающие кольца. Для подачи масла на верхнюю шестерню в крышке предусмотрены отверстия для труб. Масло самотеком удаляется через отверстие внизу корпуса клети.

В том случае, если выбранный для привода валков электродвигатель характеризуется значительно большим числом оборотов в минуту (n_дв), чем частота вращения валков (n_в) при прокатке, в главной линии стана устанавливают понижающий редуктор. Наоборот, если n_дв<n_в, применяют ускоряющий редуктор. Во многих случаях, когда передаточное число редуктора меньше четырех и мощность привода небольшая, редуктор объединяют с шестеренной клетью в одном корпусе. Такие комбинированные шестеренные клети-редукторы применяют в приводе многовалковых станов и небольших четырехвалковых станов.

Редуктор ЦД-4000 (цилиндрический двухступенчатый с межосевым расстоянием 4000 мм) конструкции НКМЗ, установленный в приводе четырехвалковой клети 800/1400×3200 непрерывного широкополосного стана 2500. Крутящий момент на ведущем валу 100 кН·м, частота вращения вала 428 об/мин.j

Характеристика шестерен: I ступень — z_l = 32, z₂= 108, i₁=3,38, m_s=16 мм, m_н= 14 мм, β=28°57'98"; II ступень — z₁= 35, z₂=164, i₂=4,58, m_s=24 мм, β==30°; общее передаточное число i=15,5. Ведущая шестерня изготовлена из легированной стали марки 34ХМ; ведущее колесо сделано составным бандажированным; корпус литой чугунный, бандаж (для зубчатого венца) цельнокованый из легированной стали, насаженный в горячем состоянии. Днище и крышка редуктора сварные. Смазка жидкая, циркуляционная. Масса редуктора 144 т

Редукторы с осевым расстоянием А<2500 мм делают с цельнолитыми стальными колесами

Муфты для соединения валов

Муфты предназначены для соединения валов главных электродвигателей с шестиренными валками или с ведущими валами редукторов

Благодаря простоте своей конструкции и возможности передачи больших крутящих моментов (до 3 МН·м) при некотором небольшом перекосе валов зубчатые муфты получили самое широкое применение в прокатных станах и вытеснили муфты всех остальных типов (кроме упругих).

В зависимости от назначения и конструкции зубчатые муфты разделяют на два типа:

-муфты для непосредственного соединения цилиндрических концов валов (типа МЗ);

-муфты для соединения валов посредством промежуточного вала (типа МЗП).

В зависимости от технологии изготовления зубчатые муфты разделяют на кованые и литые.

Муфта типа МЗ состоит из двух зубчатых втулок с зубьями эвольвентного профиля и двух зубчатых полумуфт (обойм), скрепленных между собой болтами и сцепляющихся с соответствующими зубчатыми втулками.

Муфта типа МЗП состоит из двух одинаковых муфт и промежуточного вала. Эти муфты применяют в тех случаях, когда расположение приводных валов не позволяет применить их непосредственное соединение нормальной муфтой типа МЗ (например, на блюмниге 1000, когда главный двигатель установлен в машинном зале, а шестеренная клеть в пролете стана).

Полумуфты (обоймы) по цилиндрической поверхности впадин в зубьях опираются на сферическую поверхность выступов зубьев втулок (радиальный зазор с весьма незначителен).

Сечение зубьев втулки — прямолинейной или эллиптической (бочкообразной) формы.

При конструкции муфты с внутренним зубчатым зацеплением допускается реверсивное вращение валов.

Согласно ГОСТ 5006—86 предусмотрено 19 типоразмеров зубчатых муфт; основными параметрами их являются величина передаваемого крутящего момента и диаметры соединяемых валов или отверстий втулок.

Кованые обоймы и втулки изготовляют из стали 40: литые — из стали 45Л. Твердость поверхности зубьев после термообработки 35— 40 HRC. Для соединения полумуфт (обойм) их фланцы скрепляют чистыми болтами с тугой или напряженной посадкой. Масло (автотракторное или цилиндровое) периодически вводится через отверстие во фланце, закрываемое винтом.

Достоинством зубчатых муфт является то, что они могут передавать большие крутящие моменты при наличии перекоса валов до 0°30' и при радиальном смещении осей валов от 1 мм (для муфты № 1) до 10 мм (для муфты № 19).

Недостатки: необходимость частой заправки смазкой; сложность технологии изготовления, ненадежность узлов уплотнения; серьезные динамические нагрузки при реверсивной работе.

36. Двухвалковые сварочные узлы.

Для производства труб малых диаметров на практике в настоящее время применяют неприводные сварочные клети трубоэлектросварочных установок. Эти клети можно разделить на три группы: двухвалковые, многовалковые, цепные.

Двухвалковые сварочные клети отличаются простотой настройки и регулировки. Двухвалковые сварочные клети бывают с вертикальными консольными валками (рис. 12.1), с вертикальными (рис. 12.2) и с горизонтальными двухопорными валками (рис. 12.3).

При производстве труб диаметром 10... 152 мм используют в основном двухвалковые сварочные клети с вертикальными консольными валками, что приводит к низкой жесткости конструкции и не обеспечивает стабильности процесса сварки, т.е. существует условие для повышенного биения сварочных валков. Это является недостатком таких клетей. Но простота монтажа и демонтажа рабочих валков в этих клетях объясняет широкое их применение на практике.

Сварочная клеть с вертикальными двухопорными валками не имеет такого недостатка. Однако в этой клети существует сложность монтажа и демонтажа сварочных валков. Такие клети применяют, главным образом, при сварке труб малых диаметров (10...76 мм).

В сварочной клети с горизонтальными двухопорными валками на зону кромок трубной заготовки воздействует один верхний валок, что способствует уменьшению смещения кромок по высоте. Но при этом необходимо соблюдать надежную взаимную изоляцию рабочих элементов верхнего валка.

Конструкция сварочного двухвалкового калибра за последние годы существенно не изменилась, хотя и был ряд предложений по увеличению количества валков или изменению конструкций их крепления и регулировки.

37. Многовалковые сварочные узлы и устройства. Многовалковые сварочные узлы содержат от трех до пяти пар вертикальных валков, а не две пары.

Овализирующий сварочный узел, представленный на рис. 12.4, состоит из шовонаправляющих валков 1 для направления сформованной трубной заготовки под сварку, шовосжимающих валков 2 для сварки кромок под давлением, которые выполнены с радиусом калибрующей поверхности и одной-трех пар дополнительных валков 3, выполненных также вертикальными с возможностью перемещения относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной сваренной трубе, а также вдоль трубы и имеющих радиус калибрующей поверхности R₁ и одно-трех пар дополнительных валков 3, выполненных также вертикальными с возможностью перемещения относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной сваренной трубе, а также вдоль трубы и имеющих радиус калибрующей поверхности R₂. Валки 3 называются стабилизирующими. Указанные радиусы валков связаны соотношением: R₂=(1,1—2,5)R₁. Калибрующая поверхность шовонаправляющих валков, как и всего инструмента, выполняется с учетом обеспечения плавного изменения кривизны поперечных сечений трубной заготовки.

С учетом физико-механических свойств материала трубы, скорости и метода сварки, скорости охлаждения сварного шва, сортамента получаемых труб, опытным путем определяется количество валков и расстояние L между сварочными и стабилизирующими валками.

При использовании нескольких пар стабилизирующих валков это расстояние выбирают для первой пары с последующим расположением валков на минимальном возможном расстоянии друг от друга. В случае значительного обжатия трубы возможно применение горизонтального ролика с пазом посередине для прохода неостывшего шва без закатки. Данный ролик сохраняет необходимый радиус трубы в районе шва.

Стабилизирующие валки позволяют за счет изменения степени овализации сваренной трубной заготовки регулировать натяжение кромок с целью компенсации их теплового удлинения в зоне сварки, а также значительно уменьшают распружинивание трубной заготовки за зоной сварки.

На рис. 12.7 показано сварочно-опорное устройство, которое состоит из двух пар горизонтально расположенных валков 7 и 2, станины 3, регулировочных винтов 4 для вертикального перемещения валков, поддерживающих валков 5, регулировочного винта 6, подпружинивающих роликов и регулировочного винта для горизонтального перемещения валков. Преимуществом этой конструкции является то обстоятельство, что не только снижается возможность образования горячих трещин вследствие сравнительно небольшого расстояния между парами горизонтальных валков (расстояние между ними составляет 250 мм), но и полностью ликвидируется смещение кромок трубной заготовки, так как горизонтальное расположение валков позволяет лучше сформовать заготовку и подготовить кромки ее к сварке. Как показала длительная эксплуатация сварочных узлов такой конструкции, ее использование при сварке трубной заготовки, идущей затем на холодную деформацию, позволило не только увеличить скорость сварки на 10-20% по сравнению с принятыми без образования горячих трещин, но и повысить стабильность формы сварного шва.

Наиболее удачной следует считать конструкцию многовалковой сварочной клети, представленной на рис. 12.8.

В многовалковой клети (рис. 12.9) существуют специальные регулируемые по высоте двухопорные валки, которые воздействуют раздельно на каждую из кромок трубной заготовки. Недоработками конструкции являются, также как и у трехвалковои сварочной клети, сложность настройки размеров сварочного калибра и сложность монтажа и демонтажа валков. Указанная клеть применяется для производства труб диаметром более 70 мм.

При меньших размерах поперечного сечения трубной заготовки невозможно вписать четыре валка, размеры которых обеспечивали бы необходимую прочность осей, подшипниковых опор и других несущих элементов конструкции.

Заслуживает также внимания и четырехвалковая сварочная клеть (рис, 12.10) стана 203-530 Выксунского металлургического завода. На станине 1 установлены две передвижные плиты 2, в которых укреплены сварочные валки, охватывающие трубную заготовку, проходящую через сварочный узел. Для регулировки валков предусмотрены механизмы вертикального перемещения 5. Отличительной особенностью ее конструкции является то, что каждая из пар валков, расположенных по одну сторону от продольной оси стана, закреплена на отдельной плитовине, которая с помощью регулировочных механизмов может перемещаться в поперечном направлении и по вертикали. Это позволяет сравнительно просто настраивать сварочный калибр и регулировать положения кромок трубной заготовки при сварке. Клеть обладает высокой жесткостью, что сводит к минимуму биение сварочных валков, однако применение ее по тем же причинам, что и для описанной выше многовалковой клети, возможно лишь при сварке труб диаметром более 100 мм.

Многовалковые или двухвалковые сварочные клети обеспечивают снижение биения реборд валков в вертикальной плоскости.

Значительно уменьшить диаметр сварочных валков за счет уменьшения диаметра их осей (цапф) или упразднения этих элементов позволяет использование конструкции сварочной клети с опорными катками. В таких клетях опорные катки, на которые сварочные валки опираются своими ребордами, а не оси (цапфы) валков и подшипников, воспринимают усилие от деформации трубной заготовки. Так как размеры опорных валков могут быть выбраны такими, чтобы обеспечить любую необходимую прочность, то появляется возможность значительно увеличить жесткость сварочной клети.

Контакт реборд сварочных валков с опорными катками осуществляется по цилиндрической и конической поверхностям.