TWI619562B - 輥軋機施放頭 - Google Patents

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Abstract

本發明之一個實施形態係關於一種輥軋機施放頭。輥軋機施放頭包括：一通心管，可繞一中央軸心旋轉，此通心管具有引導通路，其被構成且配置將一縱向移動之產品製成連續串之環圈；一靜止之支撐結構；及軸向隔開之徑向軸承，用以支撐該通心管繞該軸心旋轉，軸承的其中一個包含靜液壓油膜軸承，此靜液壓油膜軸承具有至少約500mm之內徑，且具有小於0.25之L/D比值。

Description

輥軋機施放頭
本發明之實施例係關於一種使用在輥軋機中之類型的施放頭，用以將熱輥軋產品形成螺旋狀之環圈。
在一習知的施放頭中，一靜態支撐結構包含可轉動地支撐在沿軸向分隔的軸承之間的中空通心管。通心管裝設有一引導通路，此引導通路一般包括：彎曲導管，具有與通心管之旋轉軸心對齊之進入端；及彎曲中間部，以懸臂方式從通心管突出到一與通心管軸心沿徑向隔開的出口端。通心管係藉已知機構做可旋轉地驅動，導管被構成用來在其進入端容納產品且將產品形成從其出口端輸出的螺旋狀之環圈。
滾柱軸承通常被用來可旋轉地支撐通心管。在高速運轉情況下，例如當受處理的產品以超過100m/sec的速度移動時，經驗上顯示滾柱軸承易產生振動而干擾到施放頭的運轉。
許多方案曾經被設計用來嘗試消除或至少壓抑此種振動。例如，如美國專利No.5,590,848所述，導管之懸臂部已被縮短以提高施放頭的整體剛性。而且，如美國專利No.7,086,783所述，雙預負荷滾柱軸承曾經 被用來減小運轉間隙。雖然此設計改良被證明為有利，但是不足以解決振動問題，由於施放頭係在現代輥軋機以未曾有的高速下運轉，故使得振動問題持續危害到施放頭。
如美國專利No.8,004,136 B2中所述，亦曾提案採用動液壓軸承(hydrodynamic bearing)來取代滾柱軸承。在典型的動液壓軸承中，如第4圖所圖示，一旋轉構件10被一軸襯12圍繞。旋轉構件受制於一施加負荷，且低壓油16經由內部軸襯表面中的凹處17被導入旋轉構件與軸襯之間。
由於包含旋轉構件之轉速、施加負荷、旋轉構件與軸襯之間的徑向間隙、及油之黏度等的參數之結合，旋轉構件形成單一壓力場“P”。由壓力場結合的力正好與施加負荷平衡，且旋轉構件10之中心線18偏離軸襯12之中心線20，造成隨上述參數而變化的偏心“E”。
動液壓軸承是一成熟的技術且由萊蒙迪及波義德(Raimindi & Boyd)(A.A.Raimindi and John Boyd，在1958年紐約伯加蒙(Pergamon)出版社之“潤滑科技(Lubrication Science and Technology)”vol.1,no.1,pp.159~209)中ASLE(文學及環境學會)會刊中“A Solution for the Finite Journal Bearing and Its Application to Analysis and Design,Parts I,II,III”所提出的圖解(graphic solution)仍廣泛地使用於軸承設計。此設計技術對索默菲數(Sommerfeld number)之特定範圍及具特定幾何關係的軸承有效。例如，在對0.25、0.50、0.75 及1.0之特定長度-直徑(L/D)比率(如第5A及5B圖所示)的文獻解中之數值解，具有在此等值之間的軸承之解係為內插。
而在高速輕度負載之情況下操作動液壓油膜軸承時遇到許多潛在問題。例如：
●已知，軸承受到被稱為「迴旋(whirl)」之不穩定效應，其中旋轉構件以不被高度期望的模式下繞軸襯內側旋轉。
●不尋常的應用施放頭，視運轉情況而定，當熱輥軋產品朝向施放管時幾乎在任何角度均有一額外的暫時負荷。大部分動液壓軸承被設計為僅承受在一個主要方向上之負荷(通常為垂直方向，如第4圖所示)。理想上，一適應良好的施放頭必須能承受由於重力所引起之旋轉元件的反作用力，加上藉由進入施放頭之產品以任何可能的角度使暫時負荷被施加。
●動液壓油膜軸承需要較高的起動轉矩，以克服位在停止於軸襯上之旋轉構件的靜磨擦。一旦開始旋轉時，所需要的轉矩大幅下降。施放頭驅動馬達及齒輪組必須定適當的尺寸以應付較高的起動轉矩。
動液壓油膜軸承在施放頭之應用中均有上述問題。但是，給定運轉速度時，迴旋係特別關鍵的問題，因為高轉速及低負荷確實會使軸承永遠在一不穩定情況下運轉。
例如，典型的施放頭應用可能需要600mm直徑之軸承。而習知的動液壓軸承具有不小於0.25之L/D 比率及典型的為0.60mm之間隙。假定旋轉質量為40kN或更小且典型的油之黏度為100cSt時，軸承將具有如下隨速度而變化的預測最高油膜溫度：
在生產線材(wire rod)的輥軋機中，從施放頭輸出的螺旋狀環圈典型地係以重疊方式存放在輸送帶上。環圈在被輸送帶輸送到轉變站而聚集成盤圈狀時受到控制式的冷卻。
在通常輥軋操作的期間，施放頭的速度可被控制而實施所謂的「擺動」及「尾端加速」功能。擺動控制功能一般係採用在較大的產品尺寸如10.0mm及較大之情況，且用於周期性地改變施放頭的速度到正常速度之上下，以在轉變室產生互相套疊在內側之不同尺寸的環圈，形成高度減小之較密集盤圈。尾端加速功能係一旦產品之尾端輸出時藉著將施放頭之轉速加快而達成，且不再被施放頭夾輥所驅動。
當在處理較大產品尺寸在一般使用較低運轉速度下實施擺動功能時，動液壓軸承之整體系統穩定度嚴重地受到危害，這是因為負荷區響應於交互地加速及減速而連續從軸承的一側移到另一側。在尾端加速期間的飛快加速同樣地有害於軸承之穩定度。
雖然動液壓油膜軸承已經被導入用於輥軋機施放頭中，但是可能由於上述問題而並未廣泛被接受。
本發明之一目的在提供一種輥軋機施放頭，裝設有新穎且改進的靜液壓油膜軸承，其能克服或至少減少與機械滾柱軸承及動液壓油膜軸承有關的問題。
在本發明之實施例中，施放頭之通心管可旋轉地由多個軸承支撐，其中至少在施放頭之輸出端的軸承係靜液壓油膜軸承。取代如動液壓油膜軸承之情況中被動地響應於通心管之旋轉而形成的單一壓力場，本發明之靜液壓油膜軸承提供由主動地被泵唧到軸襯中以角度隔開之凹處中的高壓油所形成的複數個獨立壓力場。此等凹處係配置成使其等有關的壓力場會壓迫通心管與在施放頭之連續運轉期間被保持的軸襯作同心對齊，因而減小且理想上消除由偏心引起的振動。複數個壓力場亦在通心管之旋轉起動之前用來使通心管從軸襯表面分離，使其不需要以較高的起動轉矩提供驅動齒輪組。
靜液壓軸承之整體穩定性並不隨軸承之轉速而變化，即靜液壓軸承並不依賴由速度/幾何形狀決定的楔升起(wedge to lift)及旋轉質量之定中心。因為靜液壓軸承之固有設計不論施加負荷或速度均能容許旋轉質量之定中心，此軸承比動液壓軸承具有明顯的運轉優點，尤其在擺動周程期間。
10‧‧‧旋轉構件
12‧‧‧軸襯
16‧‧‧低壓油
17‧‧‧凹處
18‧‧‧中心線
20‧‧‧中心線
22‧‧‧施放頭
24‧‧‧通心管
26‧‧‧導管
26a‧‧‧進入端
26b‧‧‧彎曲中間部
26c‧‧‧出口端
28‧‧‧靜止支撐結構
30、32‧‧‧軸承
34、36‧‧‧齒輪
38‧‧‧軸襯
40‧‧‧凹處
42‧‧‧供給導管
44‧‧‧分佈集管箱
46‧‧‧高壓泵
50‧‧‧儲油槽
52‧‧‧逆止閥
54‧‧‧閥
48‧‧‧獨立壓力場
D‧‧‧軸襯之內徑
E‧‧‧偏心
P‧‧‧單一壓力場
X‧‧‧中央軸心
此等及其他特徵及其等附加優點將參照附圖而詳細說明，其中： 第1圖係局部剖開之依本發明一實施例之具有靜液壓油膜軸承的施放頭之視圖。
第2圖係通過第1圖之靜液壓油膜軸承截取之橫剖視圖。
第3圖係依本發明一實施例之靜液壓油膜軸承之已測定運轉溫度與相當尺寸的動液壓油膜軸承之預測運轉溫度的比較曲線圖。
第4圖係一先前技術的動液壓油膜軸承之橫剖視圖。
第5A及5B圖係分別為第4圖中顯示之動液壓油膜軸承中的軸襯之端視圖及側視圖。
在第2及4圖中旋轉構件與軸襯之間的間隙為了說明起見而被誇大。
首先參照第1圖，施放頭22包括可繞一中央軸心“X”旋轉的通心管24。通心管裝設有引導通路，一個非限制性例為導管26。導管具有一與軸心X對齊之進入端26a、一彎曲中間部26b，被引導到沿徑向與軸心X隔離之出口端26c。通心管被包含在一靜止支撐結構28中且藉著軸向隔開軸承30、32支撐而繞軸心X旋轉。軸承30可包括兩個背對背結合之錐形滾柱軸承，而在施放頭之輸出端的軸承32係依本發明一實施例的靜液壓油膜軸承。通心管可旋轉地被一含有噛合的齒輪34、36且被齒輪箱及馬達(圖中未示出)所驅動的習知驅動齒輪組所驅動。
另參照第2圖可知，靜液壓油膜軸承包括一圍住通心管24之軸頸表面的軸襯38。複數個呈角度分隔的凹處40被設置在軸襯之內表面。再參照第2圖，凹處40經由供給導管42被連接到分佈集管箱44，供給導管42被連接到分佈集管箱44，接著被連接到一可包括一高壓泵46之主要供給機構。被供應到凹處40的高壓油形成獨立壓力場48，其等係在起動之前於靜態情況期間作用，以使通心管之軸頸表面從軸襯表面升起，且隨後在施放頭之運轉期間，無論通心管被驅動時的速度為何均能迫使通心管與軸襯作同心對齊，並在此被保持。因而偏心被消除或者至少被減少到可容忍程度。藉著在起動之前將通心管的軸頸表面從軸襯表面升起，磨擦被減少因而消除提高起動轉矩的需要。
在施放頭應用中，軸襯38之內徑D很大，典型地從約500mm到1000mm之範圍。負荷很輕，而具40kw或更小的旋轉質量。依照本發明實施例，且為了增加特定負載，軸承的長度L被有意地縮短，以使L/D比率小於0.25，而試驗顯示當L/D比率低到0.15時特別有利。
雖然使用此種大直徑且狹窄的靜液壓油膜軸承在理論上沒有根據，但是試驗顯示此種軸承有利地減少軸承之加熱。例如，軸承溫度在依照本發明之實施例中裝設有靜液壓油膜軸承之施放頭的試驗期間被測定。靜液壓油膜軸承具有與前述動液壓油膜軸承之尺寸相當的尺寸。其設計類似於第2圖中所示者除了軸襯具有8 個而非5個等距隔開之壓力墊。如第3圖中可知，與動液壓油膜軸承之預測溫度比較，靜液壓油膜軸承之被測定溫度大幅地降低。
當具備有依照本發明之實施例中裝有靜液壓油膜軸承之施放頭之時，亦可預期油耗及動力損失之有利減少。
生產例如5.5mm圓棒之熱輥軋小直徑產品的輥軋機以很高的速度運轉。在停電的情況下，且由於旋轉元件之慣性，輥軋機會需要至45秒或以上來向下“減少(coast down)”至零的速度。依照本發明之另一實施例且為了確保本發明之靜液壓油膜軸承在此減速期間仍保持高壓油的供應，一輔助供給機構以備用模式用以儲存高壓油。如第2圖所示，輔助供給機構包括一藉高壓泵46供應高壓油進行充填之儲油槽50。逆止閥52裝設於儲油槽50與高壓泵46之間，且一常開的閥54被裝設在儲油槽50與集管箱44之間。在正常運轉期間電驅動電磁閥關閉閥54。在停電時，電磁閥會自動地打開閥54，以連接儲油槽50至集管箱44，因而確保軸承32在向下減少之期間維持其靜液壓。
由於前述可了解，熟於本技術者藉著使用依照本發明之實施例中的靜液壓油膜軸承，通心管可被維持與軸襯大致恆定的同心對齊，且此與施放頭被運轉時的速度無關而可達成。因而，由於動液壓軸承中的迴旋及機械滾柱軸承引起的振動問題可被消除或至少顯著地被減少至不再阻礙施放頭之高速運轉的程度。在此之同 時又可產生低運轉溫度、油耗及動力損失之減少、很低的起動轉矩等附加優點。
前面之敘述已用來說明本發明，但並不用作限制。因為熟於本技術者可對含有本發明之精神及實質的上述實施例做進一步的改進，故本發明之範圍僅參照隨附之請求項及其均等性做限制。

Claims (8)

  1. 一種輥軋機施放頭，包括：一通心管，可繞一中央軸心旋轉，該通心管具有引導通路，其被構成且配置成將一縱向移動之產品製成連續串之環圈；一靜止的支撐結構；及軸向隔開之徑向軸承，用以支撐該通心管繞該軸心旋轉，該等軸承的其中一者包含靜液壓油膜軸承，該靜液壓油膜軸承具有至少約500mm之內徑，且具有小於0.25之L/D比值。
  2. 如請求項1之施放頭，其中該L/D比值在0.25與0.15之間。
  3. 如請求項1之施放頭，其中該靜液壓油膜軸承包括一圍住該通心管之軸頸表面的軸襯；複數個呈角度分隔的凹處，被設置在軸襯中；及主要供給機構，用於在高壓下經由供給集管箱將油供應到該凹處，藉此而形成作用在該軸頸表面的獨立壓力場，用以迫使該通心管與該軸襯作同心對齊。
  4. 如請求項3之施放頭，其中該凹處之至少3個及相關之壓力場被提供在該軸襯中。
  5. 如請求項3或4之施放頭，其中該凹處係等間隔地沿著該軸襯之圓周隔開。
  6. 如請求項3之施放頭，另包括一輔助供給機構，用於在由該供給機構的油供給被中斷的情況下供給高壓油到該靜液壓軸承。
  7. 如請求項6之施放頭，其中該輔助供給機構包括一儲油槽，充填有由該主要供給機構所供給的高壓油。
  8. 一種輥軋機施放頭，包括：一通心管，可繞一中央軸心旋轉，該通心管具有引導通路，其被構成且配置成將一縱向移動之產品製成連續串之環圈；一靜止之支撐結構；及沿軸向隔開之徑向軸承，用以支撐該通心管繞該軸心旋轉，該軸承的其中一個包含靜液壓油膜軸承，此靜液壓油膜軸承具有至少約500mm之內徑，且具有小於0.25之L/D比值，該靜液壓油膜軸承包括一圍住該通心管之軸頸表面的軸襯，在該軸襯中具有至少3個呈角度分隔的凹處；及主要供給機構，用於在高壓下經由供給集管箱將油供應到該凹處，藉此而形成作用在該軸頸表面的獨立壓力場，用以迫使該通心管與該軸襯作同心對齊；及一輔助供給機構，用於在由該供給機構的油供給被中斷的情況下供給高壓油到該靜液壓軸承。
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