CC BY
9
УДК 62-229.331
В.В.Суглобов, Р.В.Суглобов
ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ШАРНИРОВ СКОЛЬЖЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ НА ИХ НАГРУЖЕННОСТЬ И НАПРЯЖЕННОСТЬ
Результаты исследований [1-3] показывают, что износ несущих элементов шарнира универсального шпинделя вызывает перераспределение контактных давлений между ними. В отличие от общепринятых [4, 5] и широко используемых в практике проектирования шпинделей линейных эпюр распределения контактных давлений данные ряда экспериментов свидетельствуют об их криволинейном характере. Причем, как показано в [1], схемы нагружения элементов шарнира по мере износа вкладышей постоянно изменяются. Именно неравномерным износом вкладышей объясняют переформирование первоначальной эпюры давлений, близкой к треугольной, в белее сложную - выпуклую и авторы [6].
Износ вкладышей в традиционных конструкциях шарниров (рис. 1а) влечет за собой замыкание монтажных зазоров между камнем и лопастью и участие камня в передаче вращающего момента. При этом разгружаются периферийные участки вкладышей, растет величина равнодействующей силы, увеличиваются изгабающие нагрузки, действующие на элементы шарнира.
В данной работе представлены результаты оценки изменений напряженности лопасти при нарушениях расчетной схемы ее нагружения (рис. 16)1 Полагая, что контактные давления между лопастью и вкладышами, а также лопастью и камнем распределены по близкому к треугольному закону, можем записать
где Т - вращающий момент, передаваемый шпинделем; Rh,RK - равнодействующие давлении в контактах лопасти с вкладышами и камнем.
Приведем действующие силы и моменты к центру тяжести опасного сечения одной ветви лонасти (сечение 1-1, расположенное на расстоянии д от плоскости VOZ) точке О'. Тогда напряженное состояние опасного сечения лопасти будет определяться:
- сдвигающими усилиями
Т ~ В-в ' h + ' 'а- >
а.)
ZK - Rk
(3)
- изгибающими моментами
Mz=Rh-d
(4)
My-RK-d
(Я
- скручивающим моментом
(6)
у I д шарнир скольжения универсального шпинделя
А I - лопасгь, 2 - вилка, 3 - вкладыши, 4 - камень б) схема нагружения Лопасги
У I
в) схема нагружения опасного сечения лопасги
- 4 и1
г.
А *
ь 1Е
'Чгй
м
Рис.1
Усилия 7. к // } н и момент Тх вызывают в сечении касательные напряжения х.,1,, И Тг соответственно, изгибающие моменты М^иМу -нормальные напряжения МСТ .
Наибольшие эквивалентные напряжения при этом будут равны:
в середине длинной стороны сечения (т.А)
б середине короткой стороны сечения (т.Е)
(7)
С,
£ = J<^,+ 3(T£+T5)2 (8)
■ в vraax
CT_+CTV (9)
В качестве расчетных принимаются максимальные из этих напряжении Произведем расчет напряжений в лопасти шарнира универсального шпинделя наружным диаметром D — 500 мм, передающим вращающий момент Т - 200 кН'М. Размеры элементов шарнира:
- толщина лопасти с = 140 мм
- цитрина ветви лопасти а = 170 мм
- ширина прорези под камень в = 140 мм
- расстояние от оси вкладышей
до опасного сечения Д- 120 мм.
Значения напряжений в указанных точках опасного сечения определяются выражениями
а, = 6 • М. / ас2 а = 6 • М v / са2 zJv=l-Ys!2-ac х f= 3 ZK ¡2-ас
,2
т Т, / к ■ ас т 11.= Тх-к1/к-асг!
где коэффициенты к и к1 зависят от отношения п—а/с. В частности, при 1.21 к ~ 0,219, А', = 0,93 [7], Результаты расчетов сведены в таблицу. Из таблицы следует, что при передаче части вращающего момента через камень, зона наибольшей напряженности опасного сечения лопасти перемещается со средины длинной стороны сечения ее ветви в середину короткой стороны и в углы. Например, при доле вращающего момента, передаваемого через камень, равной 50 %. напряжение в середине длинной стороны уменьшается в 15 раза, а в середине короткой стороны и в углах увеличивается соответственно в 1,65 и в 1,64 раза по сравнению с максимальными напряжениями в обычных условиях. С увеличением доли момента, передаваемого через камень, данные показатели также увеличиваются.
Таблица. Параметры нагруженности и напряженности лопасти универсального шарнира О - 500 мм
Параметр Доля момента, передаваемого через камень
0% 10% 20% 30 % 40 % 50 "4. 60% 70% 80% 90% 100 %
~ У* кН 54,54 49,09 43,62 38,18 32,72 27,27 21,82 16.36 10,95 5,45 0
= кН 0 21,44 42,87 64,31 85,74 107,18 128,62 150,05 171,49 192,93 214,36
тх кНм 1,54 1,40 1,74 1,83 1,93 2,02 2,10 2,21 2,31 2,41 2,50
му кНм 0 2,57 5,14 7,72 10,29 12,86 15,43 18,01 20,58 23,15 25,72
м2 кНм 6,54 5,89 5,23 4,57 3,92 3,27 2,62 1,96 1.31 0,65 0
МПа 0 3,8 7,6 11,4 15,3 19,1 22,9 26.7 30,5 34,3 38,1
МПа 11,8 10,6 9,4 8,2 7,1 5,9 4,7 3.5 2,4 1.2 0
< МПа 3,4 3,1 2,7 2,4 2,1 1,7 ■ 1,4 1,0 0,7 0,3 0
< МПа 0 1,4 2,7 4,1 5,4 6,8 8,1 9,5 10.8 12,2 13,5
МПа 2,1 1,9 2,4 2,5 2,6 2,8 2,9 3,0 3,2 3,3 3,4
МПа 2,0 1,8 2,2 2,3 2,4 2,6 2 7 2,8 3,0 3,1 3,2
МПа 15,2 13,7 13,0 11,8 10,8 9,8 8,8 7,8 7,2 6,3 5,5
МПа 3,5 6.7 11,4 14,7 20,4 25,1 29,6 34,2 38,8 43,3 47,8
МПа 11,8 14,4 17,0 19,6 ?? 4 25___ 27,6 30,2 32.9 35,5 38, [
Учитывая, что размеры элементов шарнира универсального шпинделя как правило пропорциональны его наружному диаметру, указанные изменения напряженности будут характерны и для других типоразмеров шпинделей.
Таким образом, при нарушениях расчетных схем нагружения несущих элементов шарнира универсального шпинделя, связанных, прежде всего, с износом вкладышей, и передачей части вращающего момента через камень, максимальные результирующие напряжения в лопасти могут увеличиться в 153 раза. Для предотвращения этого явления необходимо в конструкции универсальных шарниров исключить возможность замыкания монтажных зазоров между лопастью и камнем, например, путем обеспечения их сопряжения по цилиндрической поверхности [8].
Библиографический список
1. Динамика и прочность прокатного оборудования / Ф.К.Иванченко, П.14. Полу хин, U.A. Тшкин и др. - М-: Металлургия, 1970. 486 е., ил.
2. Исследование прочности деталей и узлов прокатных станов / П.И. Полу хин, ВТ'. Анциферов, Ю.Д. Железное и др. - В кн.: Труды I. Всес. конф. по расчетам на прочность металлургических машин. - М.: ВНИИМетМаш, № 24, 1969: с. 17-30.
3. ¡амин Л.Я. Повое в конструировании и расчете универсальны* шарниров с вкладышами скольжения. - В кн.: Производство крупных машин / Сб.статей НИИ ТЯЖМ ЛШУралмашзавода. выл XXII: Прокатное оборудование.- М.: Машиностроение, 1473, с,172-184.
4 Королев A.A. Механическое оборудование прокатных цехов черной и цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1976. - 544 е., ил.
5. Це-лков А.И.. Смирш/н в В. Прокатные станы. - М,: Металлургиздаг, 1958. - 432 е., ил.
6. Смирнов ВВ.. Яковлев P.A. Механика приводов прокатных станов. - М.: Металлургия, 1977. - 216 е., ил.
?. Справочник машиностроителя в 6 томах. Том 3 / Под общ. ред. С.В.Серенсена. М.: Машгиз, 1955, - 564 е., ил.
8. A.c. 625789 (СССР). Шарнир универсального шпинделя ! В.В.Суглобов, С.С.Данилов, В.И.Хя.шик» и др. - Опубл. в Б.П.. 1978. № 36.
