«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УРАВНОВЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ШПИНДЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ»

В.И. Руденко /к.т.н./, Е.В. Ошовская /к.т.н./, Д.В. Филимошина, Р.В. Руденко /к.т.н./

(Донецкий национальный технический университет (ДонНТУ), г. Донецк, Украина)

        Приведені результати досліджень напруженого стану зрівноважуваючого пристрою шпинделів з використанням прикладного пакета ANSYS. Встановлено причини руйнування тяг пристрою. Запропоновано удосконалену конструкцію кріплення тяг зрівноважуючого пристрою за рахунок застосування карданних шарнірів.

        Приведены результаты исследований напряженного состояния уравновешивающего устройства шпинделей с использованием прикладного пакета ANSYS. Установлены причины разрушения тяг устройства. Предложена усовершенствованная конструкция крепления тяг уравновешивающего устройства за счет применения карданных шарниров.

        The results of stress state investigations of spindle balanced unit using program ANSYS are given. The causes of unit’s draft failure are determined. The improved construction of draft’s fixing of balanced unit due to using of cardan joints is proposed.

        Качество выпускаемого проката во многом зависит от надежности главной линии прокатного стана и, в частности, от уравновешивающего устройства шпиндельных соединений. Это связано с тем, что в процессе эксплуатации происходит интенсивный износ опорных элементов шпиндельного вала, что сказывается на возникновении динамических нагрузок в главной линии прокатного стана, кроме того на надежность уравновешивающего устройства влияет рациональность его конструктивного решения, точность изготовления и монтажа. В настоящее время существует большое разнообразие конструкций уравновешивающих устройств шпинделей, однако их можно разделить на три группы: 1) грузовые; 2) пружинные; 3) гидравлические. В главных линиях обжимных, сортовых станов, листовых станов горячей прокатки широкое распространение получили уравновешивающие устройства гидравлического типа. В частности на рисунке 1 показана конструкция гидравлического уравновешивающего устройства, применяемая на стане 950/900 [1].

        Данная конструкция содержит кинематически связанные верхние и нижние балки 1, снабженные опорными элементами 2, которые размещены в корпусах, закрепленных на балках, и гидравлический уравновешивающий механизм, состоящий из гидроцилиндра 6, соединенного посредством валика 3 с коромыслом 4, которое через проушины 5 прикреплено тягами 7 к траверсе 8, связанной с верхними балками. В процессе эксплуатации представленной конструкции наблюдались частые отказы резьбовых соединений, используемых для крепления тяг 7 уравновешивающего механизма к траверсе 8, соединенной с верхними балками устройства. Возниквение данных отказов объясняется действием дополнительных срезающих и изгибающих сил, возникающих вследствие непараллельности продольных осей гидроцилиндра и тяг уравновешивающего механизма, что вызывается неточностями изготовления отверстия для расположения гидроцилиндра. Так как крепление тяг выполнено жестким в виде резьбовых соединений, то у них нет возможности занять в пространстве положение, в котором срезающие и изгибающие силы отсутствуют, что приводит к разрушению резьбовых соединений и, следовательно, к аварии уравновешивающего устройства.

Рисунок 1 – Конструкция гидравлического уравновешивающего устройства шпинделей рабочей клети 950

        В данной статье приведены результаты исследований напряженного состояния тяг уравновешивающего устройства с целью изучения условий возникновения разрушения креплений, а также даны рекомендации по усовершенствованию конструкции уравновешивающего устройства шпинделей, устраняющие данный вид отказов. Исследование напряженного состояния уравновешивающего механизма было проведено в прикладном пакете ANSYS [2], реализующем метод конечных элементов, позволяющий установить распределение напряжений в исследуемой конструкции. Процесс исследования включал несколько этапов: 1) создание трехмерной модели уравновешивающего механизма; 2) задание свойств материалов элементов конструкции; 3) создание конечно-элементной модели исследуемого объекта; 4) приложение внешних нагрузок и условий закрепления; 5) решение системы уравнений; 6) анализ результатов.

        На рисунке 2 приведена геометрическая трехмерная модель уравновешивающего механизма, состоящая из траверсы, двух тяг, двух проушин и коромысла. При выполнении модели для ее упрощения было принято не создавать модель собственно гидроцилиндра, т.к. его наличие в дальнейшем заменялось приложением внешних нагрузок. Все компоненты модели взаимосвязаны и по геометрическим размерам соответствуют реальной конструкции механизма. Механические свойства материала элементов уравновешивающего механизма характеризовались модулем упругости и коэффициент Пуассона, значения которых для стали составляет E=2x10¹¹ Па и u=0,3. В качестве конечного элемента при построении конечно-элементной модели был выбран элемент типа SOLID 95, представляющий собой твердотельный параллелепипед с 8-ю узлами. Конечно-элементная модель уравновешивающего механизма приведена на рисунке 3.

        Как было отмечено выше, разрушение крепления тяг связано с перекосом вертикальной оси гидроцилиндра, который возникает при некачественном изготовлении посадочного отверстия для размещения гидроцилиндра (рисунок 4). При исследованиях было принято, что угол перекоса осей гидроцилиндра и тяг находится в диапазоне a=1...3^o. В случае перекоса осей усилие на штоке гидроцилиндра раскладывается на две составляющие – вертикальную и горизонтальную. Под действием вертикальной составляющей тяги испытывают растяжение, а горизонтальная составляющая вызывает их изгиб. При расчете в пакете ANSYS нагрузка прикладывалась на внутренней поверхности отверстия коромысла в виде распределенной силы и давления, а граничными условиями выступали закрепления внутренних поверхностей отверстий траверсы. Вычисления проводились для двух случаев: a=1^o и a=3^o.

Рисунок 4 – Расчетная схема

        В результате расчета получены деформации и распределение напряжений в конструкции уравновешивающего механизма. На рисунке 5 показана конструкция в деформированном состоянии после приложения нагрузок для случая a=3^o. На рисунке 6 приведено распределение эквивалентных напряжений в теле конструкции, определенных по теории Мизеса.

        Как видно из полученных картин, максимальные напряжения возникают в местах соединения тяг с траверсой и тяг с проушинами, причем напряжения, возникающие в местах присоединения траверсы, выше почти в 2,5 раза (рисунке 7). Это соответствует фактическим местам разрушения тяг уравновешивающего устройства. Для случая a=1^o максимальные напряжения составляют 85 МПа, при a=3^o напряжения увеличиваются до 430 МПа. Тяги изготавливаются из стали 3, для которой предел прочности 400 МПа. Тогда, коэффициенты запаса в поперечном сечении тяг на уровне присоединения к траверсе равны 4,8 и 0,93 соответственно при a=1^o и a=3^o. Таким образом, при отклонении оси гидроцилиндра от вертикали на угол 3^o в местах присоединения тяг к траверсе будет происходить разрушение. Перекос оси гидроцилиндра до 1^o является допустимым по условиям прочности, однако, в процессе работы будут возникать микротрещины и со временем это также может привести к разрушению материала и, следовательно, к обрыву тяг.

Рисунок 7 – График изменения эквивалентного напряжения по длине тяги при отклонении оси гидроцилиндра на угол 1^o

        Так как не возможно полностью исключить случаи отклонения от вертикали оси посадочного отверстия под гидроцилиндр, а значит и перекоса оси гидроцилиндра, то для предотвращения обрывов тяг в местах присоединения к траверсе следует совершенствовать конструкцию креплений. Авторами предложено выполнить крепление тяг к траверсе при помощи карданных шарниров (рисунок 8). В данной конструкции уравновешивающего устройства каждая тяга 1 присоединяется к траверсе 2 с помощью карданного шарнира. Каждый карданный шарнир состоит из верхнего 4 и нижнего 3 кронштейнов, взаимосвязанных крестовиной 5. Верхний кронштейн 4 прикреплен к тяге 1, нижний кронштейн 3 – к траверсе 2. В случае непараллельности осей гидроцилиндра и тяг уравновешивающего механизма под действием горизонтальной силы кронштейн карданного шарнира может провернуться вокруг крестовины, в результате чего тяга займет новое положение, в котором срезающие и изгибающие силы будут отсутствовать.

Рисунок 8 – Усовершенствованное крепление тяг уравновешивающего устройства

ВЫВОДЫ

        Таким образом, в результате выполненных исследований с использованием прикладного пакета ANSYS изучено напряженное состояние тяг уравновешивающего устройства шпинделей при разных углах отклонения гидроцилиндра. Установлено, что отклонение оси гидроцилиндра более, чем на 1^o приводит к возникновению отказов тяг, связанных с их разрушением. Для устранения данного вида отказа предложено усовершенствовать существующую конструкцию уравновешивающего устройства путем соединения тяг и траверсы посредством карданных шарниров, что будет способствовать повышению долговечности уравновешивающего устройства.

Список использованной литературы

1. Королев А.А. Прокатные станы и оборудование прокатных цехов. – М.: Металлургиздат, 1963. – 150 с.

2. Коплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. – М.: УРСС, 2003. – 207 с.