Результат интеллектуальной деятельности: СТЕРЖЕНЬ ПРОШИВНОЙ ОПРАВКИ ПРОКАТНОГО СТАНА

Изобретение относится к трубопрокатному производству и может быть использовано при прошивке заготовок на трубопрокатных станах.

Известен стержень прошивной оправки прокатного стана, включающий составную трубу из патрубков и хвостовика, соединенных между собой сваркой, при этом на свободном конце крайнего патрубка выполнена резьба (см. кн. Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г. и др. Технология и оборудование трубного производства. Учебник для вузов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001, с. 81 рис. 3.14).

Недостатками известного устройства являются низкая прочность и срок службы в связи с поломкой сварного соединения, в т.ч. из-за уменьшения площади сечения трубы на месте сварного шва.

Известен стержень прошивной оправки прокатного стана, включающий составную трубу из патрубков и хвостовик, на смежных концах которых выполнены внутренние и наружные открытые проточки с образованием наружных и внутренних торцевых буртов, при этом торцы наружных буртов приварены между собой (см. чертеж прошивной оправки стана KSW фирмы SMS MEER, прилагается).

Соединение патрубков между собой и хвостовиком посредством кольцевых проточек и сваркой существенно снижает кривизну стержня.

Недостатками известного устройства являются низкая прочность и срок службы в связи со снижением прочности стержня на месте стыка из-за уменьшения площади сечения трубы на месте сварного шва, низкими механическими свойствами сварного соединения.

Целью предлагаемого технического решения являются увеличение срока службы стержня оправки при одновременном снижении трудоемкости изготовления и сборки.

Указанная цель достигается тем, что в стержне прошивной оправки, содержащей трубу, состоящую из жестко соединенных патрубков, хвостовик, на смежных концах которых выполнены внутренние и наружные открытые проточки с образованием наружных и внутренних торцевых буртов с возможностью взаимодействия наружных буртов смежных узлов, согласно техническому решению на смежных концевых участках патрубков и хвостовика выполнены конические резьбы, а наружный диаметр «D», толщина стенки «S» трубы с одной стороны, и размеры резьбы - средний диаметр резьбы в основной плоскости «D₀», угол профиля «φ» и шаг «t» резьбы, с другой стороны, связаны следующими соотношениями:

D₀≤D-2t;

.

Между внутренними буртами смежных резьб установлены кольца с возможностью взаимодействия с торцами буртов.

Известно соединение труб, например, бурильных, насосно-компрессорных труб при помощи конического резьбового соединения. В отличие от известных конструкций в предлагаемом техническом решении, исходя из известных размеров труб, определяется диаметр в основной плоскости, далее угол профиля, шаг и требуемая высота резьбы. В отличие от известных конструкций длина (высота) резьбы может отличаться от величины, регламентируемой нормативной документацией, при сохранении всех остальных размеров и параметров резьбового соединения, в т.ч. калибров.

Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид стержня оправки.

На фиг. 2 - узел А (резьбовое соединение) на фиг. 1.

На фиг. 3 - профиль конической резьбы.

На фиг. 4 - узел А (вариант резьбового соединения) на фиг. 1.

Стержень прошивной оправки содержит трубу 1 (фиг. 1), включающую патрубки 2, 3 и 4, хвостовик 5, которые соединены между собой посредством конического резьбового соединения с образованием наружных 6, 7 и внутренних 8, 9 торцевых буртов. Требуемая прочность, жесткость и устойчивость стержня определяются наружным "D" и внутренним "d" диаметрами, а также механическими свойствами материала стержня. При этом прочность резьбового соединения должна быть не менее прочности тела трубы 1, т.е. патрубков 2-4 и хвостовика 5.

В соответствии с нормативной документацией (стандарты РФ (например, ГОСТ 20692-75, ГОСТ 5286-75, ГОСТ 7918-75), европейских стран и API) размеры и профиль конической резьбы определяются углом наклона профиля (φ) (Фиг. 2 и 4), шагом резьбы (t), средним диаметром в основной плоскости (D₀), расстоянием от основной плоскости до торца (Н), а также длиной конической части трубы (l=l₁+Н), равной сумме длины резьбы (l₁), и расстоянием от основной плоскости до торца (Н).

С целью минимизации нагрузок и напряжений в резьбовом соединении разность между наружным диаметром трубы (D) и средним диаметром резьбы в основной плоскости (D₀), а также между минимальным диаметром резьбы (d_m) и внутренним диаметром трубы (d) должны быть минимальными, т.е.

D-D₀→min и d_m-d→min.

Для конической резьбы разность между наибольшим и наименьшим диаметрами приблизительно равна шагу резьбы t, а разность между наружным диаметром трубы (D) и средним диаметром резьбы в основной плоскости (D₀) ориентировочно равна удвоенному шагу резьбы (2t).

Исходя из этого, получим условие выбора диаметра резьбы в основной плоскости в зависимости от диаметра трубы (D) стержня

Разность между минимальным диаметром резьбы (d_m) и внутренним диаметром трубы (d), из условия обеспечения требуемой прочности резьбовой части, должна быть не менее удвоенной разности наибольшего и наименьшего диаметров резьбы, т.е. удвоенному шагу резьбы

С учетом соотношений (1) и (2), из треугольника ОСЕ (фиг. 2) имеем

ОС=0,5(D-d)-2t=S-2t,

где S=0,5(D-d) - толщина стенки трубы.

Высота (длина резьбовой части) резьбы составляет

.

Учитывая, что для малых углов φ (угол наклона профиля конических резьб не превышает 7 градусов), tgφ≈φ, получим

.

Для обеспечения требуемой прочности резьбового соединения число витков резьбы должно быть не менее 10, т.е. должно соблюдаться следующее условие:

При соединении патрубков 2-4 и хвостовика 5 коническим резьбовым соединением нагрузка между деталями стержня передается практически всей площадью сечения патрубков, за исключением площади, заключенной между минимальным диаметром резьбы (dm) и внутренним диаметром трубы (d). При соединении патрубков 2-4 и хвостовика 5 между внутренними торцевыми буртами 8 и 9 (фиг. 2), заключенными между минимальным диаметром резьбы (d_m) и внутренним диаметром трубы (d), остается гарантированный зазор шириной "Δ" (фиг. 2). При этом наружные торцевые бурты 6 и 7 патрубков 2-4 и хвостовика 5 контактируют между собой.

При выполнении условий (1)-(3) напряжения в резьбовой части патрубков 2-4 и хвостовика 5 незначительно превышают напряжения, возникающие в теле трубы 1. С целью снижения напряжений в резьбовой части в образованный между внутренними торцевыми буртами 8 и 9 патрубков 2-4 и хвостовика 5 зазор шириной "Δ" может быть установлено кольцо 10 с возможностью его взаимодействия с торцами буртов 8 и 9.

Стержень оправки работает следующим образом.

Стержень оправки, включая патрубки 2-4 и хвостовик 5 (фиг. 1-3), в основном испытывают усилие сжатия и крутящий момент. После сборки стержня торцы наружных буртов 6 и 7 соединяемых деталей (патрубков 2-4 и хвостовика 5) контактируют между собой, передавая часть осевого усилия. Небольшое уменьшение площади сечения патрубков 2-4 и хвостовика 5 в резьбовой части приводит к незначительному повышению напряжений.

При установке кольца 10 в зазор шириной "Δ" между внутренними буртами 8 и 9 смежных деталей осевая нагрузка передается практически всей площадью патрубков 2-4 и хвостовика 5.

Учитывая, что длина стержня в собранном виде может достигать до 20 метров, разборная конструкция стержня существенно упрощает транспортирование, хранение и монтаж. Кроме того, исключение сварного соединения существенно повышает прочность и ресурс стержня.