УКЛАДОЧНАЯ ГОЛОВКА ПРОКАТНОГО СТАНА
ROLLING MILL LAYING HEAD

Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Варианты выполнения настоящего изобретения относятся к укладочным головкам, относящимся к типу, применяемому в прокатных станах для преобразования горячекатаных изделий в спиральные образования колец.
2. Описание известного уровня техники
В традиционной укладочной головке неподвижная опорная конструкция содержит полый шпиндель, поддерживаемый с возможностью вращения между аксиально разнесенными подшипниками. Шпиндель оборудован направляющей траекторией, которая может обычно содержать изогнутую направляющую трубу, имеющую входной конец, выровненный с осью вращения шпинделя, и изогнутую промежуточную секцию, выступающую в виде консоли из шпинделя до выходного конца, радиально разнесенного от оси шпинделя. Шпиндель приводится в движение с возможностью вращения известным средством, при этом направляющая труба выполнена с возможностью приема изделия в ее входном конце и с возможностью преобразования изделия в спиральное образование колец, выходящих из ее выходного конца.
Роликовые подшипники обычно применяются для поддержания с возможностью вращения шпинделя. При условиях эксплуатации с высокой скоростью, например, при обработке изделий, перемещающихся со скоростями, превышающими 100 м/с, опыт показал, что роликовые подшипники склонны к образованию вибраций, которые мешают эксплуатации укладочной головки.
Были разработаны различные схемы в попытке устранения или по меньшей мере подавления таких вибраций. Например, как описано в патенте США № 5590848, консольный участок направляющей трубы был укорочен для того, чтобы увеличивать общую жесткость укладочной головки. Также, как описано в патенте США № 7086783, двойные роликовые подшипники с предварительным натягом применялись для минимизации эксплуатационных зазоров. Несмотря на то, что такие преобразования конструкции были признаны благоприятными, они не решили должным образом проблемы вибрации, которые продолжают беспокоить укладочные головки, так как они эксплуатируются с постоянно увеличивающимися скоростями современных прокатных станов.
Как описано в патенте США № 8004136 B2, также было предложено применять гидродинамические подшипники вместо роликовых подшипников. В обычном гидродинамическом подшипнике, который схематически проиллюстрирован на Фиг. 4, вращающийся элемент 10 окружен вкладышем 12. Вращающийся элемент подвергается воздействию прикладываемой нагрузки, и масло 16 под низким давлением вводится между вращающимся элементом и вкладышем через углубление 17 во внутренней поверхности вкладыша.
Вращающийся элемент образует одно поле «P» давления в результате совокупности параметров, включающих в себя скорость вращения вращающегося элемента, прикладываемую нагрузку, диаметральный зазор между вращающимся элементом и вкладышем и вязкость масла. Сила, интегрируемая из поля давления, точно уравновешивает прикладываемую нагрузку, при этом осевая линия 18 вращающегося элемента 10 смещена от осевой линии 20 вкладыша 12, что приводит к эксцентриситету «E», который представляет собой функцию от вышеуказанных параметров.
Гидродинамические подшипники представляют собой испытанную технологию, и графические решения, представленные Raimondi & Boyd (A.A. Raimondi и John Boyd, «A Solution for the Finite Journal Bearing and Its Application to Analysis and Design, Parts I, II, III», Trans. ASLE, том 1, № 1, стр. 159-209, в «Lubrication Science and Technology», Pergamon Press, New York, 1958), по-прежнему широко используются для конструкции подшипников. Технологии конструкций применимы к конкретным диапазонам чисел Зоммерфельда и к подшипникам с диапазоном конкретных геометрических отношений. Например, числовые решения в литературе определяют конкретные отношения длины к диаметру (L/D) (которые показаны на Фиг. 5A и 5B) 0,25, 0,50, 0,75 и 1,0, где решения для подшипников с отношениями L/D между этими значениями интерполируются.
Несколько потенциальных проблем встречаются при эксплуатации гидродинамических подшипников с масляной пленкой с высокими скоростями в условиях слабой нагрузки. Например:
- Известно, что подшипники страдают от эффекта нестабильности, называемого «биение», где вращающийся элемент вращается внутри вкладыша в весьма нежелательном режиме.
- Применение укладочной головки необычно тем, что, в зависимости от условий эксплуатации, может существовать дополнительная временная нагрузка практически под любым углом, когда горячекатаное изделие приближается к укладочной трубе. Большинство гидродинамических подшипников выполнены с возможностью выдерживать нагрузку только в одном принципиальном направлении (обычно вертикальном, как показано на Фиг. 4). В лучшем случае хорошо приспособленный подшипник укладочной головки должен быть способен выдерживать силу противодействия вращающихся компонентов из-за силы тяжести плюс временную нагрузку, которая может прикладываться под любым возможным углом изделием, поступающим в укладочную головку.
- Гидродинамический подшипник с масляной пленкой требует более высокого начального крутящего момента для преодоления статического трения вращающегося элемента, неподвижно установленного на вкладыше. Как только начинается вращение, требование к крутящему моменту значительно падает. Приводной двигатель и механизм зубчатых колес укладочной головки должны иметь размер с возможностью более высокого начального крутящего момента.
Применение гидродинамического подшипника с масляной пленкой к укладочной головке имеет все вышеуказанные проблемы. Однако, учитывая скорости эксплуатации, биение представляет собой особенно критическую проблему, так как высокие скорости вращения и низкие нагрузки будут обеспечивать, что подшипник будет всегда функционировать в неустойчивом состоянии.
2
Например, обычное применение укладочной головки может требовать подшипник диаметром 600 мм. Традиционный гидродинамический подшипник будет иметь отношение L/D не менее 0,25 и обычный зазор 0,60 мм. При условии вращающейся массы 40 кН или менее и обычной вязкости масла 0,0001 м/с подшипник будет иметь спрогнозированную максимальную температуру масляной пленки как функцию от скорости, как указано далее:
Максимальная
Максимальная
Обороты в минуту
Температура по Фаренгейту
Температура по Цельсию
750
155,7
68,7
1000
164,7
73,7
1250
172,3
77,9
1500
179
81,7
1750
185
85,0
2000
190,5
88,1
2250
195,6
90,9
2500
200,3
93,5
В прокатных станах, производящих стержень для получения проволоки, спиральное образование колец, выходящих из укладочной головки, обычно размещается перекрывающимся образом на конвейере. Кольца подвергаются управляемому охлаждению при перемещении конвейером до станции преобразования, где они собираются в мотки.
Во время нормальной эксплуатации стана скорость укладочной головки может управляться с возможностью осуществления так называемых функций «качания» и «разгона заднего конца». Функция управления качанием обычно применяется с более большими размерами изделий, например, 10,0 мм и более, и служит для циклического изменения скорости укладочной головки выше и ниже номинальной скорости для производства колец разного размера, которые вставляются друг в друга в камере преобразования, приводя к более плотному мотку уменьшенной высоты. Функция разгона заднего конца достигается путем ускорения скорости вращения укладочной головки, как только задний конец изделия выходит из и больше не продвигается протяжным роликом укладочной головки.
При осуществлении функции качания с более низкими эксплуатационными скоростями, которые обычно используются при обработке более больших размеров изделий, общая устойчивость системы гидродинамического подшипника существенно ослабляется, так как зона нагрузки непрерывно смещается от одной стороны подшипника до другой в ответ на чередование ускорения и замедления. Быстрое ускорение во время разгона заднего конца аналогично является негативным для устойчивости подшипника.
Гидродинамические подшипники с масляной пленкой были внедрены для использования в укладочных головках прокатного стана, но не были широко распространены вероятно из-за вышеописанных проблем.
Целью настоящего изобретения является обеспечение укладочной головки прокатного стана, оборудованной новым и улучшенным гидростатическим подшипником с масляной пленкой, который преодолевает или по меньшей мере по существу уменьшает проблемы, связанные с механическими роликовыми подшипниками и гидродинамическими подшипниками с масляной пленкой.
Сущность изобретения
В примерном варианте выполнения настоящего изобретения шпиндель укладочной головки поддерживается с возможностью вращения множественными подшипниками, при этом по меньшей мере подшипник на конце выдачи укладочной головки представляет собой гидростатический подшипник с масляной пленкой. Вместо одного поля давления, образуемого пассивно в ответ на вращение шпинделя, как это бывает с гидродинамическим подшипником с масляной пленкой, гидростатический подшипник с масляной пленкой настоящего изобретения обеспечивает множество отдельных полей давления, образуемых маслом под высоким давлением, интенсивно вкачиваемым в разнесенные под углом углубления во вкладыше. Углубления размещены таким образом, что их связанные поля давления приводят шпиндель в концентрическое выравнивание с вкладышем, где он удерживается во время непрерывной эксплуатации укладочной головки, таким образом, минимизируя и в лучшем случае устраняя вибрацию из-за эксцентриситета. Множественные поля давления также служат для отделения шпинделя от поверхности вкладыша до начала вращения шпинделя, что делает необязательным обеспечение приводного механизма с более высоким начальным крутящим моментом.
Общая устойчивость гидростатического подшипника не является функцией от скорости вращения подшипника, т.е. гидростатический подшипник не зависит от скорости/геометрии в зависимости от клина для подъема и центрирования вращающейся массы. Так как собственная конструкция гидростатического подшипника обеспечивает центрирование вращающейся массы независимо от прикладываемой нагрузки или скорости, подшипник имеет значительное эксплуатационное преимущество перед гидродинамическими подшипниками особенно во время цикла качания.
Эти и другие признаки и их присущие преимущества будут далее описаны более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию частично в разрезе укладочной головки, оборудованной гидростатическим подшипником с масляной пленкой в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематический вид в поперечном сечении, взятый через гидростатический подшипник с масляной пленкой, показанный на Фиг. 1;
Фиг. 3 представляет собой график, сравнивающий измеренные эксплуатационные температуры гидростатического подшипника с масляной пленкой в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения со спрогнозированными эксплуатационными температурами соразмерного гидродинамического подшипника с масляной пленкой;
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в поперечном сечении традиционного гидродинамического подшипника с масляной пленкой; и
Фиг. 5А и 5B представляют собой виды сзади и сбоку соответственно вкладыша в гидродинамическом подшипнике с масляной пленкой, показанном на Фиг. 4;
Зазоры между вращающимися элементами и вкладышами на Фиг. 2 и 4 были преувеличены в иллюстративных целях.
Подробное описание
Первоначально на Фиг. 1 укладочная головка 22 содержит шпиндель 24, вращаемый вокруг центральной оси «X». Шпиндель оборудован направляющим каналом, в одном неограничивающем примере представляющим собой направляющую трубу 26. Направляющая труба имеет входной конец 26, выровненный с осью Х, и изогнутую промежуточную секцию 26b, ведущую к выходному концу 26с, радиально разнесенному от оси Х. Шпиндель содержится внутри неподвижной опорной конструкции 28 и поддерживается с возможностью вращения вокруг оси Х аксиально разнесенными подшипниками 30, 32. Подшипник 30 может содержать сдвоенную совокупность двух угловых роликовых подшипников, при этом подшипник 32 на конце выдачи укладочной головки представляет собой гидростатический подшипник с масляной пленкой в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения. Шпиндель приводится в движение с возможностью вращения традиционным приводным механизмом, включающим в себя зацепленные зубчатые колеса 34, 36, приводимые в движение коробкой зубчатых колес и двигателем (не показаны).
Как может быть видно дополнительно на Фиг. 2, гидростатический подшипник с масляной пленкой содержит вкладыш 38, окружающий поверхность шейки шпинделя 24. Множество отделенных под углом углублений 40 обеспечены во внутренней поверхности вкладыша. Снова на Фиг. 2 углубления 40 соединены с помощью трубопроводов 42 подачи с распределительным коллектором 44, который в свою очередь соединен с основным средством подачи, которое может содержать насос 46 высокого давления. Масло под высоким давлением, подаваемое к углублениям 40, создает отдельные поля 48 давления, воздействующие во время статических условий до запуска для подъема поверхности шейки шпинделя с поверхности вкладыша, и далее во время эксплуатации укладочной головки для приведения шпинделя в концентрическое выравнивание с вкладышем, где он удерживается независимо от скорости, с которой шпиндель приводится в движение. Эксцентриситет, таким образом, устраняется или по меньшей мере минимизируется до допустимых уровней. Путем подъема поверхности шейки шпинделя с поверхности вкладыша до запуска трение уменьшается, таким образом, устраняя необходимость увеличенного начального крутящего момента.
В применениях укладочной головки внутренний диаметр D вкладыша 38 является относительно большим, обычно в диапазоне от около 500 мм до 1000 мм. Нагрузки являются относительно слабыми с вращающейся массой 40 кН или менее. В соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения и для того, чтобы увеличивать конкретную нагрузку, длина L подшипника преднамеренно укорочена для обеспечения отношения L/D менее 0,25, при этом испытания показали, что отношения L/D до 0,15 являются особенно предпочтительными.
Несмотря на то, что в теории отсутствует основа для использования таких узких и с большим диаметром гидростатических подшипников с масляной пленкой, испытание показало, что такие подшипники благоприятно уменьшают перегрев подшипника. Например, температуры подшипника измерялись во время испытаний укладочной головки, оборудованной гидростатическим подшипником с масляной пленкой в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения. Гидростатический подшипник с масляной пленкой имел размеры, сравнимые с размерами ранее описанного гидродинамического подшипника с масляной пленкой. Его конструкция была подобна конструкции, изображенной на Фиг. 2, за исключением того, что вкладыш имел восемь, а не пять, равномерно разнесенных воспринимающих давление опор. Как может быть видно на Фиг. 3, по сравнению со спрогнозированными температурами гидродинамического подшипника с масляной пленкой измеренные температуры гидростатического подшипника с масляной пленкой были по существу ниже.
Также следует ожидать благоприятные уменьшения расхода масла и потери мощности при оборудовании укладочной головки гидростатическими подшипниками с масляной пленкой в соответствии с примерными вариантами выполнения настоящего изобретения.
Прокатный стан, производящий горячекатаные изделия маленького диаметра, например, стержни 5,5 мм, функционирует с очень высокими скоростями. В случае отключения электрической мощности и из-за инерции вращающихся компонентов стан может требовать до 45 секунд или более для «выбега» до нулевой скорости. В соответствии с дополнительным примерным вариантом выполнения настоящего изобретения и для того, чтобы обеспечивать, что гидростатический подшипник с масляной пленкой настоящего изобретения остается снабжаемым маслом под высоким давлением во время этого периода замедления, вспомогательное средство подачи служит для хранения масла под высоким давлением в дежурном режиме. Как показано на Фиг. 2, вспомогательное средство подачи может содержать аккумулятор 50, заряжаемый маслом под высоким давлением, подаваемым насосом 46 высокого давления. Запорный клапан 52 изолирует аккумулятор 50 от насоса 46, и обычно открытый клапан 54 обеспечен между аккумулятором 50 и коллектором 44. Электрически приводимый в действие соленоид закрывает клапан 54 во время нормальной эксплуатации. В случае отключения мощности соленоид будет открывать клапан 54 автоматически для соединения аккумулятора 50 с коллектором 44, таким образом, обеспечивая, что подшипник 32 поддерживает его гидростатическую функцию во время выбега.
В свете вышеупомянутого специалистом в области техники будет далее принято во внимание, что путем применения гидростатического подшипника с масляной пленкой в соответствии с примерными вариантами выполнения настоящего изобретения шпиндель может поддерживаться в по существу постоянном концентрическом выравнивании с вкладышем, и это может достигаться независимо от скорости, с которой эксплуатируется укладочная головка. Таким образом, проблемы вибрации из-за биения в гидродинамических подшипниках и зазоров в механических роликовых подшипниках устраняются или по крайней мере значительно минимизируются до такой степени, что они больше не препятствуют высокоскоростной эксплуатации укладочной головки. Это достигается с дополнительными преимуществами более низких эксплуатационных температур, уменьшений расхода масла и потери мощности и относительно низких начальных крутящих моментов.
Вышеупомянутое описание было изложено для иллюстрации изобретения и не предназначено быть ограничивающим. Так как дополнительные преобразования описанных вариантов выполнения, включающие в себя замысел и сущность изобретения, могут приходить в голову специалистам в области техники, объем охраны изобретения должен быть ограничен исключительно со ссылкой на приложенную формулу изобретения и ее эквиваленты.