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 8
10°. 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 1,5о.
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 Рур принимается равным 1,1-1,3 веса уравновешиваемых деталей Gур:
Рур = (1,1 – 1,3)Gур
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