Масса шпинделя широкополосных станов горячей прокатки достигает 20 тонн. Частота перевалок прокатных валков определяется объемом прокатанного металла и составляет для чистовой группы станов горячей прокатки 700-2500 тонн или 2-4 часа работы прокатного стана. Время перевалки составляет весьма значительную величину в общем балансе времени работы прокатного стана. Для облегчения сочленения хвостовика прокатного валка и муфтовой части шпинделя между ними конструктивно оставляется зазор, составляющий 0,5-1,0 мм. Во время работы зазоры в сочленениях из-за износа увеличиваются и достигают 8-12 мм. При этом возможно образование ложного шарнира в сочленении «хвостовик – муфта». Угол перекоса в сочленении может достигать величин сравнимых с конструктивными (1-2°).

Из-за разных углов перекоса в шарнирах со стороны привода и хвостовика, прокатный валок вращается неравномерно, а валковая муфта имеет осевое перемещение. Наличие зазоров определяет высокий уровень динамических нагрузок в линии главного привода это приводит не только к снижению надежности оборудования, но и к возникновению нестабильности (колебательности) технологического процесса, а также росту потерь электроэнергии [1, 2]. Наибольшие зазоры раскрываются на участке от рабочих валков до шестеренной клети, то есть зазоры раскрыты к моменту захвата полосы валками в посадке валковой муфты на хвостовик прокатного валка и зазоры в шарнирах универсального или зубчатого шпинделя. При холостом ходе в шпиндельных головках и посадке валковой муфты на хвостовик прокатного валка происходит периодическое замыкание и размыкание зазоров. В момент захвата металла валками величина раскрытия зазора в этих соединениях может принимать различные значения. В связи с этим в трансмиссии главного привода можно наблюдать различные уровни динамических нагрузок вплоть до значений, приводящих к поломке приводных хвостовиков прокатных валков.

С целью уменьшения негативного влияния на величину динамических нагрузок в рабочих клетях прокатных станов и на техническое состояние элементов приводов шпиндели должны быть уравновешены усилием, обеспечивающим отсутствие перекоса валковой муфты на хвостовике прокатного валка при наличии между ними перевалочных зазоров.

Авторами разработана расчетная модель уравновешивания шпинделей с учетом отсутствия перекоса валковой муфты на хвостовике прокатного валка на основе исследований, проведенных на широкополосных станах «1700» и «2000» Череповецкого металлургического комбината [3]. На рисунке 1 приведена расчетная схема уравновешивания шпинделя.

Рассмотрены условия равновесия валковой муфты на хвостовике прокатного валка при наличии между ними перевалочного зазора «Δ» относительно крайних точек контакта хвостовика прокатного валка с валковой муфтой шпинделя при условиях: точка «А» – переуравновешивание, точка «В» – недоуравновешивание (см. выражения 1 и 2)

Рисунок 1 – Расчетная схема системы уравновешивания шпинделя

1 – шестеренный валок;

2 – муфта со стороны шестеренного валка;

3 – пружинное уравновешивание;

4 – тело шпинделя;

5 –валковая муфта;

6 – прокатный валок;

Δ – зазор между валковой муфтой и хвостовиком;

А и В – крайние точки контакта хвостовика прокатного валка с валковой муфтой шпинделя;

О₁ и О₂ – центры шарниров шпинделя;

С_м – центр массы валковой муфты;

С_шп – центр массы тела шпинделя;

С_у – точка приложения уравновешивающей силы;

Р_м – усилие от веса валковой муфты;

Р_шп – усилие от веса тела шпинделя;

F_ур – уравновешивающее усилие.

                            (1)

<img src=”http://latex.codecogs.com/gif.latex?M_{A}=P_{M}L_{BC_{M}}+P_{шп}L_{BO_{1}}frac{L_{O_{2}C_{шп}}}{L_{O_{2}O_{1}}}-F_{ур}L_{BO_{1}}frac{L_{O_{2}C_{у}}}{L_{O_{2}O_{1}}}<&space;0″ alt=”M_{A}=P_{M}L_{BC_{M}}+P_{шп}L_{BO_{1}}frac{L_{O_{2}C_{шп}}}{L_{O_{2}O_{1}}}-F_{ур}L_{BO_{1}}frac{L_{O_{2}C_{у}}}{L_{O_{2}O_{1}}}                           (2)

При этом сила уравновешивания должна находиться в пределах:

  (3)

При условии совпадения точки приложения центра массы тела шпинделя «С_шп» и точки приложения силы уравновешивания «С_у» или  а, также, при условии совпадения центра массы шпинделя с геометрическим центром или  уравнение 3 приобретает вид:

                                                                     (4)

Из анализа формулы 4 видно, что при приближении центра тяжести муфта «С_м» к точке «В» правая часть уравнения стремится к нулю, а при нахождении центра тяжести муфты «С_м» между точками «А» и «В» наступает ситуация, при которой положение муфты на хвостовике прокатного валка становится устойчивым даже при отсутствии уравновешивающей силы «F_ур».

Расчетная модель показывает, что усилие уравновешивания шпинделя должно быть подобрано и настроено в указанном диапазоне с учетом изменения усилия пружин уравновешивания во всем диапазоне перемещения рабочих валков.

Цифровая обработка результатов применительно к главным линиям широкополосных станов «1700» и «2000» ЧерМК ОАО «Северсталь» показывает, что равновесие валковой муфты на хвостовике прокатного валка достигается при правильной настройке усилия и свободного хода пружин, для чего необходимо регулировать пружины в расчетном диапазоне соблюдая условия горизонтального расположения образующей в крайних верхних и нижних положениях прокатных валков.