CN104540607B - 轧制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用在冶金技术中的轧制装置(100)，其具有带有辊身(11)和两个辊颈(10)的轧辊和用于不可相对旋转地容纳至少一个所述辊颈(10)的至少一个辊颈衬套(20)。在所述辊颈(10)和所述辊颈衬套(20)之间设置传动元件(25)作为形状配合的不可相对旋转的连接。为了提高轧辊支承结构的承载力而不增大轧辊支承结构的结构尺寸或安装尺寸并且同时保证简单的安装性，使辊颈(10)具有径向间隙地支承在辊颈衬套(20)中，由此，在未承受负荷的状态下由于径向间隙在辊颈衬套(20)和辊颈(10)之间形成环绕的空腔(12)。为了增大空腔(12)，额外地辊颈(10)或辊颈衬套(20)的内周面(21)构造有凹形的轮廓(50)或异型部。
Description
技术领域
本发明涉及一种在冶金技术中的轧制装置，其具有带有辊身和两个辊颈的轧辊和用于以不可相对旋转的方式容纳至少一个所述辊颈的至少一个辊颈衬套，其中，所述辊颈的周面和所述辊颈衬套的内周面彼此互补地构造成圆柱形，并且在所述辊颈衬套和所述辊颈之间设置传动元件作为形状配合的不可相对旋转的连接。
背景技术
从现有技术中已知一种轧制装置，在该轧制装置中辊颈容纳在圆柱形的或锥形的辊颈衬套中。为了传递周向力，在辊颈衬套和辊颈之间设置传动元件。
例如，油膜轴承应用在轧钢机中以用于对支撑轧辊进行支承，该支撑轧辊承受来自调整气缸的轧制力并且将该轧制力传递到工作轧辊。在此，该油膜轴承是承受高负荷的滑动轴承，其大多在高的索默菲尔德数的范围内工作、也就是说在相对低的转速和高的负荷下工作。在非常高的直至部分超过1500bar(其在负荷区间中形成)的压力下，被压力加载的面发生弹性变形或变平。通过变平，与例如通过调整气缸施加的外力的作用方向相反地，产生更大的压力作用面。轴承由此能承受更大负荷。该效应被称为“弹性流体动力(EHD)的承载力增加”。为了继续强化该效应，使用所谓的轴承，其具有薄壁的构造为锥形的辊颈衬套作为滚动面，也见文献US 6,468,194或文献EP 1 213 061。
从文献“Newsletter 01/2009，SMS Group，第16年度，第1期，2009年4月，第50至51页”已知用于支承轧辊的轴承，在其中，将辊颈衬套装在锥形的辊颈上。为了传递扭矩，在辊颈衬套和辊颈之间设置有键。
文献DE 38 76 663 T2、US2,955,002和EP 0 285 333 A2描述了一种用于将运转的轴承承载在液力润滑膜上的圆柱形衬套。
文献EP 1 651 876 B1涉及一种用于辊颈的油膜轴承，该辊颈支承在轴承衬套中，其中，轴承衬套具有至少两个位于内部的流体静力学槽。
文献DE 38 76 663 T2涉及一种用于将运转的轴承承载在液力润滑膜上的衬套。
从文献DE 603 03 052 T2中已知一种用于将辊颈的颈面可旋转地承载在轧钢机中的衬套，其中，圆柱形的衬套通过传动元件与辊颈形状配合连接。
至此已知的解决方案的缺点在于，为了传递非常高的负荷，与所述负荷相匹配地支承结构的尺寸设计得很大。
发明内容
本发明基于的目的是，在不增大轧辊支承结构的结构尺寸或安装尺寸的情况下进一步提高轧制装置的承载力。同时，应使装配成本和与此相关的成本尽可能小。
根据本发明，所述目的通过权利要求1所述的特征实现。本发明描述了一种应用在冶金技术中的轧制装置，其具有带有辊身和两个辊颈的轧辊和用于以不可相对旋转的方式容纳至少一个所述辊颈的至少一个辊颈衬套。辊颈的周面和辊颈衬套的内周面构造成圆柱形。在辊颈衬套和辊颈之间的传动元件设置成形状配合的不可相对旋转的连接。辊颈具有径向间隙地支承在辊颈衬套中，使得在未承受负荷的状态下，由于该径向间隙在辊颈衬套和辊颈之间形成环绕的旋转对称的空腔。本发明的特征是，空腔通过在辊颈的周面上和/或在辊颈衬套的内周面上的旋转对称的凹形的成型部增大和限定。
空腔的尺寸根据最大轴承力精确进行预设计。环绕的空腔构造成在垂直于轧制装置的纵轴线的平面中的、就环绕的空心轮廓意义而言的旋转对称的环形间隙的形式。有利地，通过所述间隙实现了在无负荷的状态下在辊颈衬套和辊颈之间不出现预应力。
通过根据本发明的空腔，在辊颈衬套和辊颈之间产生更大的自由空间，辊颈衬套在负荷作用下在力作用的空间区域内可局部地变平到该自由空间中。通过辊颈衬套的变平，增大了用于承受力的压力作用面，并且显著提高了轧制装置的负荷能力，而不必增大其结构尺寸。更详细地见说明书结尾部分的章节“工作原理”。
凹形的成型部分别形成/限定一个旋转对称的环形间隙作为旋转对称的整个空腔的一部分。有利地，由此在负荷情况下得到在辊颈衬套和辊颈之间额外增大的有效压力面且以相同的程度得到在辊颈衬套和轴承衬套之间额外增大的有效压力面，这使得在不改变尺寸设计或安装尺寸的情况下支承结构的负荷能力进一步提高。
本发明的另一实施方式规定，辊颈的外周面和/或辊颈衬套的内周面在其凹形的成型部的区域中，在轧制装置的纵向剖面中看，至少局部地设计成直线、正弦曲线、n次多边形曲线R(x)或其组合的形式。
此外规定，辊颈的周面的轮廓或辊颈衬套的内周面的轮廓在其凹形的成型部的区域中，在轧制装置的纵向剖面中看，在两个相邻的异型区段之间的过渡区域中是连续的且可微分。由此轮廓的走向(下文也称为异型部)通过彼此邻接的异型区段设计成无棱边的，也就是说设计成具有流畅的过渡部，以抵抗可能产生的应力集中的缺点。此外，在负荷情况下避免了在辊颈衬套和辊颈的彼此作用的周面上形成压入部位、例如沟纹。
此外规定，辊颈的周面的轮廓或辊颈衬套的内周面的轮廓在其凹形的成型部的区域中，在轧制装置的纵向剖面中看、也就是说在轴向方向上看，与在轴向方向上的轴承力分布相关，从而在负荷下局部地实现辊颈衬套在其弹性区域中尽可能大的变平，其在结构尺寸不变的情况下引起轧制装置的最大承载力。
此外，本发明规定，轧辊为应用在轧机机架中的支撑轧辊或中间轧辊或工作轧辊。
此外规定，作为在辊颈衬套和辊颈之间的传动元件设置至少一个键。有利地，为了力传递，使用至少一个标准构件，其作为用于力传递的成本低廉的标准构件可在磨损或破坏时毫无问题地进行更换。
根据另一实施例规定，所述装置具有带有轴承衬套的至少一个安装块，辊颈衬套与辊颈一起或轧辊一起在使用位于辊颈衬套和轴承衬套之间的承载油膜的情况下滑动地支承在该轴承衬套中。
总地来说，通过根据本发明的装置实现了一种简单且成本低廉的可行方案，即，由根据本发明的轧制装置代替或更换现有的例如在轧制设备之内的轧制装置，以实现支承结构的承载力提高或功率提高，而不必改变现有的安装空间。根据本发明的装置可简单装配。在维修情况下也可以简单且快速地更换。由此，在效率提高的同时整体降低了维护和维修成本。
从从属权利要求和以下描述中得到本发明的其它优点和细节，在以下描述中详细解释在图中示出的本发明的实施方式。在此，除了以上阐述的特征组合，单个特征或特征的其他组合方式对于本发明也是重要的。
附图说明
以下参考图1至图3b详细描述本发明。其中：
图1示出了具有异型的圆柱形辊颈衬套的轧辊；
图1a示出了异型部的深度t的详细图；
图2a示出了在未承受负荷的状态下辊颈具有径向间隙地支承在辊颈衬套中；(在总空腔最大的区域中的剖视图)
图2b示出了在承受负荷的状态下具有径向间隙的辊颈变形；(在总空腔最大的区域中的剖视图)
图3a示出了辊颈衬套具有轴承间隙地支承在辊颈上的示意图；
图3b示出了针对辊颈的周面或辊颈衬套的内周面的不同轮廓走向。
具体实施方式
在图1中示出了例如应用在冶金技术中的轧制装置100，其具有带有辊身11和至少一个圆柱形辊颈10的轧辊。辊颈10不可相对旋转地且具有径向间隙地支承在辊颈衬套20的容纳孔中，该容纳孔与辊颈10互补且呈圆柱形。在辊颈衬套20和辊颈10之间的径向间隙通过旋转对称的或环绕辊颈10的空腔12形成。通过径向间隙，辊颈衬套20可轻易地被推到辊颈10上或者相反地将辊颈10推入辊颈衬套20中。作为在辊颈衬套20和辊颈10之间的直径差的径向间隙优选地最大在0.10mm至0.80mm之间的范围中。
在不考虑以下描述的可选的旋转对称的凹形成型部的情况下，圆柱形的辊颈衬套的壁厚d在10mm至75mm之间。
为了在推到辊颈10上时限制辊颈衬套20的推上位置，在辊身11的端侧和辊颈衬套20之间设置有具有止挡25的间隔环28。替代地，辊身11可在端侧上设有凸肩(未示出)作为止挡25，其与辊身构造成一体。辊颈衬套20在被推到辊颈10上之后利用压力轴肩挡圈17通过可选地设置用于支承辊颈10的轴向轴承内圈16和螺母18在轴向方向(x)上相对于间隔环28被夹紧并且由此被固定以防轴向移动。在此，辊颈10在其用于容纳压力轴肩挡圈17的端部上设有轮毂凸肩26并且与此紧接着设有用于容纳螺母18的螺纹销27。附加地可通过防旋转结构19、例如锁紧螺母防止螺母18松开。
为了建立形状配合连接并且为了传递在旋转运动时出现的周向力，在辊颈衬套20和辊颈10之间设置至少一个传动元件23，例如以键的形式。在另一可行的实施方式中，所述至少一个传动元件也可与辊颈10或辊颈衬套20构造成一体。
例如，辊颈衬套20的内周面21设有环绕的或旋转对称的凹形轮廓、以下也称为成型部或异型部40，其例如通过车削和/或磨削制成。在辊颈衬套20的纵向剖面中看，辊颈衬套20的内周面21的异型部40在其凹形的成型部区域中至少局部地设计成直线、正弦曲线、n次多边形曲线R(x)、优选为抛物线形式的二次曲线，或者其组合的形式。替代地或附加地，也可在辊颈的周面上构造环绕的或旋转对称的轮廓。
通过在辊颈10上和/或辊颈衬套20上的异型部(辊颈10上的异型部在图1中未示出)的凹形的曲线走向，必然形成旋转对称的环形间隙形式的、具有深度t的凹入部，其使通过在未承受负荷的状态下在辊颈衬套20和辊颈10之间已有的径向间隙所形成的旋转对称的空腔12增大。空腔12也整体地，也就是说由径向间隙加上凹入部组成地，构造成在环绕的空心轮廓意义上讲的环形间隙的形式，并且在垂直于辊颈10的中轴线15的平面中围绕辊颈10延伸。
在通过轧制力Fw(Actio)(其由在两个辊颈处的数值上一半大但是方向相反的轴承力FL(Reactio)平衡)加载轧制装置时，辊颈衬套20的内周面21的异型部40局部地且弹性地与辊颈10的圆柱形周面13相匹配或紧贴，由此，结果在辊颈衬套20和轴承衬套51之间也形成变大的支承面(如在图2b中详细示出的那样)并且引起轴承力F的压力分布的优化。在图1中，曲线44在轴向方向上示出了根据现有技术的压力分布，曲线46在轴向方向上示出了在承受负荷的情况下根据本发明的轧制装置100的优化的压力分布。
图1示出了在部分承受负荷的状态下的轧制装置。部分负荷的大小使得在未承受负荷的状态下由径向间隙所决定的空腔部分在图1中在力作用的部位上在轧制装置上方被挤压。在根据图1的部分负荷图中，辊颈衬套仅仅在部分区域中、具体地仅仅通过在两侧的支承面14位于辊颈上。然而相反地，通过辊颈衬套的凹形异型部形成的空腔部分仍然存在并且可以看到。在图1中的力作用还不是最大的。特别是，其大小还不能使通过辊颈衬套的凹形异型部形成的额外的空腔部分在轧制装置的上侧面处消失，也不能使辊颈衬套在其整个轴向长度上贴靠在辊颈上。该负荷情况还需要更大的轧制力和轴承力Fw、FL(在图1中未示出)。
异型部40的深度t或者说由此产生的在辊颈衬套20和辊颈10之间的额外空腔12的大小根据出现的最大轧制力Fw和辊颈衬套20的弹性模量进行调整，使得在承受负荷状态下的最大轧制力Fw越大，空腔12的体积就构造得越大，其中，辊颈衬套20的变形仅仅保持在弹性范围内。异型部的实际深度t在微米(μm)范围内变动，优选地直至1000μm。
所示出的轧辊优选地为应用在轧机机架中的支撑轧辊或中间轧辊或工作轧辊。在此，轧机机架可作为轧制线的一部分设置在轧机中。
此外可规定，设置至少一个安装块50，该安装块具有用于容纳带有辊颈10的辊颈衬套20的轴承衬套51，其中，在安装块50的轴承衬套51和辊颈衬套20的外周面22之间设置有承载油膜30。该组件也被称为油膜轴承。在一种优选的实施方式中，通过轴承金属衬层、例如巴氏合金涂覆轴承衬套51的内周面。
在辊颈衬套20和辊颈10之间优选地设置有润滑膜31，以避免通过微摩擦引起的微冷焊接。
在图1a中的细节图以放大的比例详细示出了在辊颈13的外周面和辊颈衬套的内周面21之间的总间隙。该总间隙由在辊颈10和辊颈衬套20之间预先选择的配合公差(间隙配合)(其在图1a中未详细绘出)和异型部的深度t产生。
在图2a中的图示在剖视图中示出了在未承受负荷的状态下辊颈10具有径向间隙24地支承在辊颈衬套20中。在辊颈衬套20和辊颈10之间的径向间隙形成环形的空腔12。
图2b示出了在承受负荷的状态下辊颈10具有径向间隙地支承在辊颈衬套20中。在辊颈衬套20和辊颈10之间的空腔在承受负荷的情况下局部地在负荷作用部位处中断。如图所示，辊颈衬套20在被加载的部位处支撑在辊颈10上并且紧贴在辊颈上。在压力负荷下，辊颈衬套20经受弹性变形，该弹性变形由准确地预先设计尺寸的空腔12在接触区域中容纳。在辊颈衬套20和辊颈10之间的压力分布使得在辊颈衬套20和辊颈10之间形成增大的变平的面用于力传递，其中，该变平以相同的程度被传递到辊颈衬套20的外周面22上并且由此在辊颈衬套20和辊颈10之间以及在辊颈衬套20和轴承衬套51之间形成最大的支承面或流体动力学的压力波峰；更详细的工作原理参见下文。
图3a在原理上示出了具有轧辊和至少一个辊颈衬套20的轧制装置100，辊颈衬套20具有径向间隙24地设置在辊颈10上。在此，辊颈10的周面13和辊颈衬套20的内周面21构造成圆柱形，其中，相应的周面13、21构造成彼此互补并且，在未承受负荷的状态下，具有径向间隙地彼此相对，由此形成旋转对称的空腔。
为了在图3a中示出的轧制装置中提高承载力，空腔由于径向间隙根据出现的轧制力和轴承力Fw、FL合适地进行设计。附加地，此外可选地根据本发明设置辊颈衬套20的内周面21的和/或辊颈10的周面13的旋转对称的异型部40，以进一步增大空腔。图3b示例性地描绘了沿轴向方向的n次数学函数R(x)形式的各种不同可能的异型部，其根据负荷情况也可与其它异型部相结合地使用。为了保证在异型区段相互组合时均匀的无棱边的过渡，异型部40在两个相邻异型区段之间的过渡区域中构造成连续的且可微分的。应指出的是，在图3b中示出的曲线不表示事实上可在实际中实现的异型部。所示出的多个曲线段或异型区段仅仅用于示意性地表示各种不同可能的异型方案。
工作原理
通过根据本发明的、由所述径向间隙以及可选地额外地还由所述异型部40产生的旋转对称的空腔12，在辊颈衬套20和辊颈之间产生更大的自由空间，辊颈衬套20可在力作用的部位上延展到该自由空间中。
具体地，在轧机机架中的轧制工作中，将至少基本上垂直向上的轧制力Fw作用到上(支撑)轧辊上，而同时将一个至少基本上垂直向下的轧制力Fw作用到下(支撑)轧辊上。轧制力的一半由辊身传递到辊颈上，由此在上安装块中的辊颈被向上压并且在下安装块中的辊颈被向下压。
根据作用链，轧制力从辊颈继续通过辊颈衬套、在辊颈衬套和轴承衬套之间的承载油膜和轴承衬套被传递到安装块上。由安装块将轧制力继续传递到安装块所支承于的轧机机架中。
安装块以及支承在安装块中的轴承衬套理想化地应视为相对于轧制力不可屈服和不可压缩。也就是说，安装块和轴承衬套完全承受住作用到其上的分别为一半的轧制力Fw/2(Aktio)，为此安装块和轴承衬套反向保持数值上总是相同但方向相反的轴承力FL(Reaktio)。
在轧制工作期间以很小的轧制力Fw加载辊颈已经引起，辊颈10与辊颈衬套20在轧制力Fw的方向上被压到承载油膜30上并且油膜30被压到轴承衬套51和安装块上；见图2b。然而在此，辊颈衬套20撞到不可压缩的承载油膜30上，不可屈服的轴承衬套51和不可屈服的安装块50防止承载油膜本身在轧制力的方向上偏移。结果，反向产生的轴承力FL因此防止辊颈衬套在轧制力的方向上偏移。
与根据本发明的朝向辊颈10的空腔12相结合，辊颈衬套20本身是以上所示的(轧制)力作用链中最弱的环节。
因为辊颈衬套20不能避开轧制力，在轧制工作期间承受负荷的情况下，导致辊颈衬套20的弹性变形。辊颈衬套通过轧制力Fw/2或者说相反方向的轴承力FL变形到(原来的)空腔12中并且在此变平。最大程度地变平，直至辊颈衬套压到辊颈10上并且被其支撑。辊颈衬套20局部地弹性地与辊颈的异型部40相匹配并且在卸载后再次变形回其原始状态。通过变平，增大了在辊颈衬套20和轴承衬套51之间的压力作用面。在辊颈衬套20和轴承衬套51之间设置有承载油膜30，其形成所谓的液力油膜轴承。由于压力作用面的增大，根据本发明的轧制装置使在辊颈衬套和轴承衬套之间的液力油膜轴承的负荷能力提高。
在实际中，轧制力或轴承力不是点状地或线状地作用，而是以波状力的形式作用。波状力在周向和轴向方向上具有面式的延伸。通过辊颈衬套的变平和与此相关的压力作用面增大，对于面式延伸的波状力实现了轧制装置的显著的承载力提高。
相对于在未承受负荷的状态下辊颈衬套已经以预紧力、例如通过热装与辊颈传力连接的轧制装置，根据本发明的轧制装置的负荷能力明显更强。由于根据本发明的空腔，为了使辊颈衬套弹性变平所需的力加载小于在轴承衬套和辊颈之间具有预紧的结构。在预紧的结构中，为了实现辊颈衬套的相同变形需要更大的力。
换句话说：
由于辊颈衬套20的相对薄的壁厚，在辊颈衬套20的内周面21处的在负荷下的变形没有变化地、即同样地在辊颈衬套20的外周面22处出现，由此导致在辊颈衬套20和轴承衬套51之间的与力作用相反的压力面的增大/扩大。这又使润滑膜压力均匀地分布，从而能承受更大的力，而在承载油膜30中的峰值压力不超过轴承衬套材料或在轴承衬套上的轴承金属衬层的材料的极限值。因此，根据本发明的装置使得在辊颈衬套20和轴承衬套51之间的液力润滑膜或油膜轴承的负荷能力提高。
附图标记列表
100 轧制装置
10 辊颈
11 辊身
12 空腔
13 辊颈的周面
14 支承面
15 中轴线
16 轴向轴承的内圈
17 压力轴肩挡圈
18 螺母
19 锁紧螺母
20 辊颈衬套
21 辊颈衬套的内周面
22 辊颈衬套的外周面
23 传动元件
24 径向间隙
25 止挡
26 轮毂凸肩部
27 螺纹销
28 间隔环
30 承载油膜
31 润滑膜
40 异型部
44 压力分布-现有技术
46 优化的压力分布
50 安装块
51 轴承衬套
R(x) 作为数学函数的异型部
x 轴向的坐标
Fw 轧制力
FL 轴承力
t 轮廓深度
d 辊颈衬套的壁厚
Claims (7)
1.一种在冶金技术中的轧制装置(100)，其具有：
带有辊身(11)和两个辊颈(10)的轧辊，以及
用于不可相对旋转地容纳至少一个所述辊颈(10)的至少一个辊颈衬套(20)，其中，所述辊颈(10)的周面(13)和所述辊颈衬套(20)的内周面(21)构造为圆柱形，以及
传动元件(25)作为在所述辊颈衬套(20)和所述辊颈(10)之间的形状配合的不可相对旋转的连接，以及
其中，所述辊颈(10)具有径向间隙地支承在所述辊颈衬套(20)中，以及
其中，在未承受负荷的状态下，在所述辊颈衬套(20)和所述辊颈(10)之间形成径向间隙形式的、在垂直于所述轧制装置(100)的纵轴的平面中看旋转对称的空腔(12)，
其特征在于，所述空腔(12)构造为环绕地旋转对称并且通过在所述辊颈(10)的周面(13)上和/或在所述辊颈衬套(20)的内周面(21)上的旋转对称且在所述轧制装置(100)的纵向剖面中看为凹形的成型部限定，并且所述辊颈衬套(20)在负荷作用下在力作用的空间区域内能够局部地弹性变形到所述空腔(12)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辊颈(10)的周面或所述辊颈衬套(20)的内周面(21)在其凹形的成型部的区域中，在所述轧制装置(100)的纵向剖面中看，至少局部地设计成直线、正弦曲线、n次多边形曲线R(x)或其组合的形式。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述辊颈(10)的周面的轮廓(50)或所述辊颈衬套(20)的内周面(21)在其凹形的成型部的区域中，在所述轧制装置(100)的纵向剖面中看，在两个相邻区段之间的过渡区域中是连续的且能微分的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，只要所述辊颈衬套(20)的变形保持在弹性范围内，在承受负荷的状态 下最大轴承力F越大，所述空腔(12)的体积就构造得越大。
5.根据上述权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述轧辊为应用在轧机机架中的支撑轧辊或中间轧辊或工作轧辊。
6.根据上述权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在所述辊颈衬套(20)和所述辊颈(10)之间的传动元件(25)至少构造为键的形式。
7.根据上述权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还具有：
带有轴承衬套(41)的至少一个安装块(40)，所述辊颈衬套(20)与所述辊颈(10)一起或与轧辊一起在所述辊颈衬套(20)和所述轴承衬套(41)之间使用承载油膜(30)的情况下滑动地支承在所述轴承衬套中。
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