PL247929B1 - Urządzenie do polepszenia nośności pierścieni rozporowych - Google Patents

Abstract

Urządzenie do polepszenia nośności pierścieni rozporowych charakteryzuje się tym, że posiada oprawę dolną (1) oraz oprawę górną (2) pierścienia (3) poddanego działaniu ziaren oraz stożkowe rolki nagniatające (4) rozmieszczone po obwodzie pierścienia (3) w separatorze połączony ze sobą stożek dolny (5) i stożek górny (6), przy czym stożek górny (6) zintegrowany jest poprzez sprężyny talerzowe (9), przesuwną tarczę (10) oraz łożysko (11) z oprawą górną (2). Urządzenie wyposażone jest korzystnie w naczynie cieczy chłodząco-smarującej (12) i posiada membranę (18). Urządzenie posiada pokrywę (15).

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do polepszenia nośności pierścieni rozporowych.

Pierścień rozporowy jako całość składa się z dwóch sprężystych stożkowych pierścieni: wewnętrznego i zewnętrznego, między które wciskane są przy pomocy zespołu śrub złącznych dwa pierścienie środkowe o stożkowych powierzchniach, które powodują, że wskutek odkształceń elementów składowych uzyskuje się sprzężenie cierne łączonych elementów. Zaletą połączenia tego rodzaju jest brak luzów w połączeniu, możliwość wielokrotnego montażu-demontażu połączeń oraz brak karbów geometrycznych obniżających wytrzymałość zmęczeniową elementów, zwłaszcza wałów. W niektórych zastosowaniach pierścienie rozporowe pełnią dodatkową funkcję mechanicznego zabezpieczenia układów napędowych w warunkach dużych, chwilowych przeciążeń. Ma to miejsce np. w układzie mocowania głowic urabiających kombajnów służących do urabiania węgla i skał. Chwilowe przeciążenie, wynikłe np. z zablokowania układu napędowego powoduje poślizg pierścieni rozporowych zabezpieczając elementy napędu przed zniszczeniem. Problem praktyczny polega na tym, że te poślizgi przeciążeniowe występują najczęściej na powierzchni wału połączenia z pierścieniami rozporowymi. Gdy na powierzchni wału pojawią się obszary zacierania w wyniku wielokrotnych poślizgów przeciążeniowych chwilowo wzrasta współczynnik tarcia, a wtedy kolejne poślizgi mogą wystąpić na cylindrycznej powierzchni zewnętrznej pierścienia rozporowego w kontakcie z piastą. Gdy i na tej powierzchni również zaistnieją objawy zacierania i tam też wzrośnie współczynnik tarcia, poślizgi przeciążeniowe przenoszą się ponownie na powierzchnię wału, gdyż siły obwodowe przy tym samym momencie obrotowym są tam największe. Wielokrotne poślizgi tego rodzaju prowadzą do bezpowrotnego zniszczenia łączonych elementów, głównie wałów wskutek adhezyjnego szczepiania materiałów w strefie tarcia i zużycia ściernego. Nośność połączenia wtedy gwałtownie spada, na co mają dodatkowo wpływ cykle dużych gradientów temperatury generowane tarciem. Proces niszczenia wału wtedy mocno przyspiesza. Przykładowo w przypadku mocowania głowic kombajnów górniczych notowane są zdarzenia awaryjne w postaci spadnięcia wielotonowej głowicy z końcówki wału kombajnu, co powoduje nagłe unieruchomienie całego systemu maszynowego i zagrożenie bezpieczeństwa. Uszkodzony zatarciem wał musi być wymieniany w warunkach fabrycznych, co wiąże się z dużymi nakładami pracy i kosztami. Poślizgi na wewnętrznych stożkowych powierzchniach pierścieni rozporowych występują bardzo rzadko, co wynika z większego ze swej istoty sprzężenia ciernego powierzchni stożkowych. Ze względów eksploatacyjnych jest pożądane, aby ew. poślizgi przeciążeniowe występowały wyłącznie właśnie na wewnętrznych powierzchniach pierścieni rozporowych. Zniszczone wtedy wielokrotnymi poślizgami pierścienie rozporowe mogą być łatwo i szybko wymienione na nowe w warunkach eksploatacyjnych, co przywraca pełne własności użytkowe połączeniom. Pożądany jest również wydatny wzrost nośności połączeń z pierścieniami rozporowymi przy zachowaniu roli mechanicznych zabezpieczeń innych elementów układów mechanicznych przy zwiększonym poziomie obciążeń.

Ze stanu techniki znane są sposoby zwiększenia nośności połączeń ciernych polegają na specjalnym czyszczeniu i odtłuszczaniu powierzchni tarcia przed montażem. W wielu przypadkach jest to nieskuteczne, zwłaszcza gdy połączenia pracują w warunkach dużego zawilgocenia i zapylenia, jak to ma miejsce np. w górnictwie podziemnym. Niewielką skuteczność mają też specjalne obróbki w celu nadania korzystniejszego ukierunkowania chropowatości powierzchni tarcia przez np. obróbkę luźnym ścierniwem czy śrutowanie. Stosowanie większego napięcia śrub złącznych ma swoje fizykalne ograniczenie wytrzymałością śrub, w tym i na pełzanie. Ponadto nie likwiduje niebezpieczeństwa uszkodzenia wałów, gdy wystąpią poślizgi przeciążeniowe. Stosowanie większej liczby pierścieni rozporowych w układzie szeregowym powoduje znaczny wzrost pracochłonności montażu i kosztów. Kolejne montowane pierścienie powodują, że spada nośność pierścieni zamontowanych wcześniej z powodu sprężystych odkształceń łączonych elementów. Niemożliwe staje się ponadto ew. korygowanie momentu dokręcenia śrub wtoku eksploatacji dla pierścieni zamontowanych wcześniej.

Rozwiązanie powyższych problemów zapewnia urządzenie według wynalazku dzięki specjalnej konstrukcji urządzenia według wynalazku oraz zainkludowanie w warstwę cylindrycznych powierzchni pierścieni rozporowych twardych ziaren.

Istotą wynalazku jest urządzenie do polepszenia nośności pierścieni rozporowych charakteryzujące się tym, że posiada oprawę dolną oraz oprawę górną pierścienia poddanego działaniu ziaren oraz stożkowe rolki nagniatające rozmieszczone po obwodzie pierścienia w separatorze, połączony ze sobą stożek dolny i stożek górny, przy czym stożek górny zintegrowany jest poprzez sprężyny talerzowe, przesuwną tarczę oraz łożysko z oprawą górną.

Urządzenie wyposażone jest korzystnie w naczynie cieczy chłodząco-smarującej.

Urządzenie posiada membranę i pokrywę.

Stożek dolny i stożek górny połączone są ze sobą przesuwnie połączeniem wielowypustowym.

Separator połączony jest z pierścieniem.

Jako ziarna naniesione na powierzchnię wewnętrzną pierścienia stosuje się korzystnie ostrokrawędziowe ziarna z węglików spiekanych.

Ziarna silnie zwiększają efekt sprzężenia ciernego, również przez dodatkowy udział połączeń kształtowych realizowanych poprzez twarde ziarna wciśnięte w obie współpracujące powierzchnie urządzenia. Ponieważ twardość materiału pierścieni wykonywanych zwykle ze stali sprężynowej jest na ogół zdecydowanie wyższa niż twardość materiału wału i piasty, konieczne jest silne mechaniczne inkludowanie twardych ziaren w powierzchnię pierścieni. Wciśnięcie twardych ziaren w materiał wału i piasty następuje natomiast samoczynnie w czasie montażu połączeń z pierścieniami rozporowymi.

W rozwiązaniu według wynalazku zastosowano inkludowanie twardych ziaren w powierzchnie tarcia mechanicznym urządzeniem po uprzednim naniesieniu ich na obrabiane powierzchnie przy użyciu kleju rozpuszczalnikowego.

Urządzenie do umacniania pierścieni rozporowych według wynalazku w przykładzie wykonania ilustruje rysunek, na którym fig. 1 to przekrój wzdłużny w płaszczyźnie pionowej urządzenia a fig. 2 to przekrój w płaszczyźnie A-A. Fig. 3 przedstawia zmodyfikowany wariant urządzenia dla pierścieni zewnętrznych. Urządzenie opisane jest poniżej w przykładzie realizacji.

Urządzenie składa się z dolnej oprawy stałej 1 oraz ruchomej w pionie oprawy górnej 2, między którymi utrzymywany jest obrabiany pierścień 3. Obróbka nagniataniem powierzchni wewnętrznej pierścienia 3 odbywa się za pośrednictwem rolek roboczych 4 równomiernie rozmieszczonych po obwodzie i utrzymywanych w separatorze 19. Rolki robocze 4 ze stożkowymi końcówkami dociskane są do obrabianej powierzchni pierścienia 3 w wyniku działania obracających się dwóch stożków: dolnego 5 i górnego 6 połączonych ze sobą przesuwnie połączeniem wielowypustowym lub wieloząbkowym 7. Stożek górny 6 zintegrowany jest z typowym stożkiem obrabiarkowym mocowanym w obrabiarce o pionowym układzie wrzeciona za pośrednictwem śruby 8.

Obracający się stożek górny 6 jest jednocześnie przemieszczany ku dołowi pod działaniem siły wzdłużnej P. Stożek górny 6 poprzez sprężyny talerzowe 9, przesuwną tarczę 10 i łożysko wzdłużne 11 naciska na oprawę górną 2, zapewniając mocne uchwycenie obrabianego pierścienia 3 na jego obu stożkowych powierzchniach między oprawami 1 i 2. Jednocześnie rolki robocze 4 nagniatają obrotowo powierzchnię wewnętrzną pierścienia 3. Uprzednio na powierzchnię wewnętrzną pierścienia 3 naniesione są wstępnie twarde ziarna podlegające w wyniku nagniatania rolkami 4 trwałemu inkludowaniu w warstwę wierzchnią obrabianego pierścienia 3.

Obróbka nagniataniem odbywa się w całości w zanurzeniu w cieczy chłodząco-smarującej utrzymywanej w naczyniu 12 uszczelnianym uszczelką 13 w sposób umożliwiający wzdłużną regulację położenia naczynia 12. Od dołu siłę wzdłużną w urządzeniu przenosi łożysko oporowe 14 osadzone w odkręcanej pokrywie 15. Po wykonaniu określonej liczby, najczęściej kilkunastu lub kilkudziesięciu, obrotów stożka górnego pod obciążeniem P, korzystnie monotonicznie wzrastającym, następuje zwalnianie nacisku na urządzenie i wyłączenie obrotów. Stożek górny wraz z rolkami roboczymi, sprężyną talerzową, tarczą przesuwną 10 i górną oprawą 2 może być wtedy swobodnie przemieszczony do góry łącznie dzięki dzielonej wzdłużnie osłonie 16. Wyniesienie rolek roboczych 4 umożliwia pierścień 17 połączony wraz z separatorem 19 ze stożkiem górnym 6 pierścieniem Segera 22. Po uniesieniu zespołu wyżej wymienionych elementów obrobiony pierścień 3 może być łatwo wyjęty z oprawy dolnej 1 i można wtedy umieścić kolejny pierścień 3 przeznaczony do obróbki. Opisane czynności są wykonywane dla kolejnego pierścienia. Część twardych ziaren, które w toku obróbki nagniataniem nie zostaną zainkludowane i zostaną wykruszone opadną na dno na elastyczną gumową membranę 18. Okresowo po odkręceniu pokrywy 15 ziarna te wraz z cieczą chłodząco-smarującą wlewają się do pokrywy 15, przy czym ciecz służy ew. spłukiwaniu części twardych ziaren z elementów urządzenia. Ziarna te po oddzieleniu od cieczy i oczyszczeniu mogą być ponownie użyte do wgniatania. Po opróżnieniu pokrywy 15 jest ona ponownie przykręcana do oprawy dolnej 1, zaś membrana 18 uszczelnia jej wnętrze. Naczynie 12 należy napełnić nową porcją cieczy chłodząco-smarującej. Ciecz ta smaruje współpracujące powierzchnie, minimalizując zużycie ścierne oraz odbiera ciepło generowane w toku zabiegu. Jako cieczy chłodząco-smarującej można użyć typowej emulsji wodno-olejowej stosowanej powszechnie w procesach obróbki skrawaniem metali. W zmodyfikowanym wariancie urządzenia dla pierścieni zewnętrznych według fig. 3 brak jest pierścienia 17.

Jako twarde ziarna inkludowane w obrabiane powierzchnie pierścieni rozporowych użyto ostrokrawędziowych ziaren z węglików spiekanych uzyskanych w procesie recyklingu zużytych ostrzy skrawających do metali lub skał. Najkorzystniejsze efekty uzyskać można stosując specjalnie produkowane twarde ziarna w formie czworościanów foremnych o boku w zakresie 0,2^0,6 mm lub inne twarde ziarna np. z borazonu lub sztucznych diamentów. Rolki nagniatające 4 należy wykonać ze stali o możliwie dużej twardości lub korzystniej z węglików wolframu w osnowie kobaltowej, z których wykonuje się np. ostrza skrawające kombajnów górniczych i ostrza do skrawania metali.

W wyniku obróbki umacniającej urządzeniem według wynalazku uzyskuje się dwa główne cele. Następuje zwiększenie sprzężenia ciernego po zamontowaniu umocnionych pierścieni wskutek wzrostu współczynnika tarcia i wykorzystania połączeń kształtowych poprzez zainkludowanie w powierzchnie współpracujące twarde ziarna. Skutkuje to wydatnym wzrostem nośności bez potrzeby zwiększania napięcia śrub złącznych w pierścieniach rozporowych. Ewentualne poślizgi w pierścieniu wykorzystywane dla zabezpieczenia przed gwałtownym przeciążeniem zostają w wyniku zabiegu przeniesione na inne powierzchnie tarcia, głównie na powierzchnie wewnętrzne stożków pierścieni rozporowych, zabezpieczając w ten sposób wały przed zniszczeniem. Pierścienie rozporowe zniszczone przez ew. wielokrotne poślizgi przeciążeniowe mogą być łatwo wymieniane na nowe bezpośrednio w miejscu eksploatacji maszyn, co minimalizuje straty postojowe maszyn i koszty ich napraw.

Pierścienie rozporowe umocnione w sposób wg. wynalazku mogą być poddawane wielokrotnemu montażowi-demontażowi bez istotnej straty własności użytkowych. Najkorzystniejsze efekty umacniania uzyskuje się wtedy, gdy twarde ziarna po zamontowaniu pierścieni zostaną wciśnięte w jednakowym stopniu w obie współpracujące powierzchnie. Ponieważ pierścienie sprężyste mają niewielką grubość a jednocześnie dużą twardość, to do prawidłowego zainkludowania twardych ziaren koniecznym jest zastosowanie dostatecznie dużych nacisków stykowych rolek roboczych, a więc znacznych obciążeń wzdłużnych. Dla uniknięcia deformacji pierścieni w czasie nagniatania są one mocno na całych powierzchniach stożkowych ujęte w oprawach 1 i 2 z siłą pozostającą w proporcjonalności do sił nacisku rolek 4. Użycie 3 równomiernie rozmieszczonych co 120° rolek 4 zapewnia stałe zrównoważenie sił występujących w urządzeniu podczas zabiegu nagniatania. Doboru najkorzystniejszej wielkości siły wzdłużnej P należy dobrać w toku prób w zależności od rozmiarów pierścieni umacnianych, twardości materiału pierścieni, rodzaju i granulacji twardych ziaren w taki sposób, aby uzyskać trwałe zainkludowanie twardych ziaren na głębokość ok. połowy średniej wielkości ziaren. Druga połowa zostanie wciśnięta w materiał wału o mniejszej twardości podczas montażu połączeń. Regulację siły zaciśnięcia pierścienia podczas zabiegu w stosunku do sił oddziaływania rolek uzyskuje się przez dobór grubości podkładek 20. Korzystnym jest stosowanie siły P monotonicznie wzrastającej do maksimum w toku kilkunastu - kilkudziesięciu obrotów urządzenia. Celowym jest stosowanie obrotów w obu kierunkach. W wielu zastosowaniach wystarczające jest inkludowanie twardych ziaren na wewnętrznej cylindrycznej powierzchni pierścienia 3. Jeżeli zachodzi potrzeba obróbki również powierzchni cylindrycznej zewnętrznego pierścienia 3a należy użyć zmodyfikowanego wariantu urządzenia przedstawionego na fig. 3. Oba warianty (fig. 1 i fig. 3) zbudowane są w podobny sposób i ich działanie jest analogiczne. Główne elementy obu urządzeń mają swoje odpowiedniki w obu wariantach. Dla wariantu fig. 3 oznaczone są one z indeksem a. Najbardziej istotną różnicę w pracy obu wariantów jest to, że w głównym wariancie (fig. 1) obrabiany pierścień 3 pozostaje nieruchomy osadzony na powierzchniach stożkowych a rolki 4 wykonują ruch obiegowy wokół pierścienia 3, zaś w wariancie z fig. 3 obrabiany pierścień zewnętrzny 3a jest obracany wokół osi poprzez sprzężenie cierne przez układ dwóch szczęk połączonych przesuwnie wielowypustem 7a, a rolki 4a wykonują ruch obiegowy wsteczny w stosunku do pierścienia 3a. Przebieg procesu inkludowania w obu wariantach dla obu rodzajów pierścieni 3 i 3a jest jednakowy. Uniesieniu separatora 19a wraz z rolkami 3a służy dodatkowy pierścień 21 (fig. 3).

W przypadku obu rodzajów pierścieni 3 i 3a korzystnie jest wykonać zabieg inkludowania twardych ziaren przed wykonaniem wzdłużnych przecięć pierścieni. Dla wstępnego nanoszenia twardych ziaren na obrabiane powierzchnie korzystnie jest użyć kleju rozpuszczalnikowego, którego resztki po zabiegu mogą być zmyte rozpuszczalnikiem.

Urządzenie według wynalazku cechuje się prostotą budowy i łatwością jego wykorzystania tak na etapie produkcji pierścieni, na etapie przygotowania ich do montażu, jak i w procesach regeneracji połączeń z pierścieniami rozporowymi. Jako obrabiarka realizująca nacisk wzdłużny P oraz obroty układu nagniatającego może być użyta typowa wiertarka słupowa, wiertarka stołowa, frezarka pionowa oraz każda inna obrabiarka o pionowym układzie wrzeciona.

Claims (7)

1. Urządzenie do polepszenia nośności pierścieni rozporowych znamienne tym, że posiada oprawę dolną (1) oraz oprawę górną (2) pierścienia (3, 3a) poddanego działaniu ziaren oraz stożkowe rolki nagniatające (4, 4a) rozmieszczone po obwodzie pierścienia (3) w separatorze (19), połączony ze sobą stożek dolny (5) i stożek górny (6), przy czym stożek górny (6) zintegrowany jest poprzez sprężyny talerzowe (9), przesuwną tarczę (10) oraz łożysko (11) z oprawą górną (2).

2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że wyposażone jest korzystnie w naczynie cieczy chłodząco-smarującej (12).

3. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że posiada membranę (18).

4. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że posiada pokrywę (15).

5. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że stożek dolny (5) i stożek górny (6) połączone są ze sobą przesuwnie połączeniem wielowypustowym.

6. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że separator (19, 19a) połączony jest z pierścieniem (17).

7. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że jako ziarna naniesione na powierzchnię wewnętrzną pierścienia (3) stosuje się korzystnie ostrokrawędziowe ziarna z węglików spiekanych.