CN117320821A - 作为油膜轴承的一部分的轴颈衬套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作为轧机机架中的油膜轴承的一部分的轴颈衬套(100)，其中轴颈衬套(100)用于容纳轧辊、特别是轧机机架的支撑辊的锥形的轧辊轴颈。具有轴颈衬套的油膜轴承用于支承轧机机架中的轧辊。为了在轧制操作期间在轴颈衬套(100)的内侧面与轧辊轴颈的外侧面之间的区域中在经过具有最大压力负载的角度范围时形成足够大的润滑膜间隙，并且同时使由此产生的作用在将轴颈衬套(100)沿轴向方向保持在轧辊轴颈上的紧固环上的轴向力不至于过大，本发明提供了按照以下公式构造的轴颈衬套：其中，D为轴颈衬套的外筒直径；a为锥形的纵向区段的投影的锥体长度；k为滑动系数；并且B为大锥体直径。

Description

作为油膜轴承的一部分的轴颈衬套

技术领域

本发明涉及一种作为轧机机架中的油膜轴承的一部分的轴颈衬套，其中，该轴颈衬套用于容纳轧辊、特别是轧机机架的支撑辊的锥形轧辊轴颈。具有轴颈衬套的油膜轴承用于支承轧机机架中的轧辊。轧机机架通常用于轧机中金属轧材的冷轧或热轧。

背景技术

油膜轴承的轴颈衬套在现有技术中基本上是已知的。

公开文献DE 2843658 A1描述了锥形轴颈衬套的构造，其优点在于，在维护工作期间可以更容易地将轴承安装到锥形轧辊轴颈上或从锥形轧辊轴颈上卸下。锥形轴颈衬套在锥形轧辊轴颈上的这种相对紧密的配合不会被安装得太紧而使轴颈衬套无法相对于轧辊轴颈发生有限的相对旋转。这些最小的相对旋转(在文献DE 2843658中也称为“微蠕变”)可能导致接触面上的微观磨损(“微动磨损”)。这可能会导致旋转部件、特别是轧辊轴颈表面的永久性损坏。

根据文献DE 2843658 A1的发明本身的目的是创建一种改进的装置来润滑轧辊轴颈与共同旋转的轴颈衬套之间的过渡部，而不会不利地从负载区吸取过多的油以实现油膜轴承的功能。这是通过附加地布置在旋转的轴颈衬套的内侧面上的辅助润滑油槽实现的，这些辅助润滑油槽从主润滑油槽供油。分布在圆周上的多个彼此分离的油槽网络促进轧辊轴颈与轴颈衬套之间的接触面的润滑。

专利文献(WO 2011/096672)中提出了另一种用于在轧机轧辊的油膜轴承中布置润滑油槽的方法/装置。

在文献EP 1213061 B1中提出了一种薄壁轴颈衬套，该轴颈衬套由于其在负载下相比当时的现有技术具有更大的弹性变形而旨在提供更大的承载力。锥体的最小锥角被指定为3度，低于该角度会发生“自锁”，并且轴颈衬套的最小(最薄)厚度被指定为10mm至0.024D+14.5(D＝轴承直径)，该锥体被放置在轧辊轴颈的外部锥形部分上。

该专利中提到的承载力提升(专家称之为EHD；即弹性流体动力承载力提升)是由于轴颈衬套在径向负载(负载区中的油压)下可以沿轴向远离辊筒(Walzenballen)移位而产生的。该位移受到轧辊轴颈的锥形端部上的紧固单元的限制，例如，如在专利(DE102016214011A1、DE102017217562A1)中所述。此外，模拟研究表明，轴颈衬套的这种轴向滑动(由锥体锥角上的下坡力引起)并不是均匀地发生在圆周上，而是在旋转经过负载区时达到最大。通过轴颈衬套的这种在圆周上变化的滑动，产生两个摩擦副的正弦来回滑动，这确保油也可以通过(前述)油润滑槽到达轧辊轴颈与轴颈衬套之间的没有设置润滑油槽的接触面上(也即在润滑油槽之间)。

通过轴颈衬套的滑动，在紧固单元中产生轴向力，该紧固单元必然支撑在轧辊轴颈的端部上或由其保持。这些轴向力(下坡力)的大小与锥体锥角直接相关。实践表明，由于设计原因，过大的角度可能会导致在轧辊端部处(轧辊吸收轴向力的地方)发生损坏。这导致了相互冲突的设计目标：

-轴颈衬套必须轴向滑动较远，以使通过润滑油槽添加的润滑剂(油)能够充分到达润滑油槽之间的表面；以及

-轴颈衬套不得对轴向紧固单元施加过大的力，以免紧固单元损坏。

发明内容

本发明的目的在于对已知的作为油膜轴承的一部分的轴颈衬套以及已知的具有该轴颈衬套的轧机机架进行相应改良，使得它们满足先前提到的两个相互冲突的设计目标。

该目的针对轴颈衬套通过权利要求1的主题来实现。该技术方案的特点在于，所述轴颈衬套满足：

其中，

a[m]为轴颈衬套的锥体长度；

D[m]为轴颈衬套的外筒直径；

B[m]为轴颈衬套的大锥体直径；并且

k＝0.15[1/m]为滑动系数。

优选地，下限的值为0.37和/或上限的值为0.49。

发明人的贡献在于以下发现：满足新要求保护的按照公式(1)的设计条件的轴颈衬套也实现了本发明的目的。也就是说，对于这种轴颈衬套，在轧制操作中，当由于角位置相关的轴向轴颈衬套移位或变形而施加大的轧制力时，一方面，足够的润滑油到达轧辊轴颈与轴颈衬套之间的区域中，使轧辊轴颈的表面不会在此发生损伤。此外，在按照公式(1)设计的轴颈衬套的情况下，在弹性轴向轴颈衬套移位或变形时由于常规大小的轧制力所产生的轴向力是有利地可承受的，即，该轴向力处于允许的力范围内。来自该力范围的轴向力可由具有相关联的弹簧圈的紧固装置吸收。换句话说：对于根据本发明设计的轴颈衬套，在轴颈衬套移位或变形的情况下所产生的轴向力是如此之小，以至于不会因为由紧固系统引入其中的(轴向)力太大，或者紧固系统本身会过载或损坏，而存在轧辊轴颈的端部从剩余的轧辊轴颈撕裂的风险。弹簧圈的弹簧刚度必须设计成，当轴承承受最大负荷时，利用已知的锥角计算出的、所产生的下坡力(Hangabtriebskraft)导致轴颈衬套的最小轴向位移为1/10mm，优选地为3/10mm。

根据一个实施例，锥形的轴颈衬套在其内侧面上以及锥形的轧辊轴颈在其外侧面上分别具有至少一个凹槽以部分地容纳滑键。所述滑键接合在两个凹槽中，从而在轧辊轴颈与安装在轧辊轴颈上并随之共同旋转的轴颈衬套之间形成沿圆周方向的旋转联接。根据本发明，确定每对凹槽中的这两个凹槽中的至少一个凹槽尺寸，从而使得滑键以轴向游隙和/或以径向游隙坐落在凹槽中。仅当轴颈衬套在轧制操作期间经过具有最高负载的区域时，这两种游隙才促进或实现轴颈衬套的所述轴向移位或变形。

本发明的上述目的进一步通过根据权利要求5所述的轧机机架来实现。该技术方案的优点对应于以上参考所要求保护的轴颈衬套所提到的优点。

轴颈衬套和轧机机架的进一步有利的构造是从属权利要求的主题。

附图说明

说明书包括5张附图，其中：

图1示出了根据本发明的轴颈衬套的纵向截面；

图2示出了根据本发明的轴颈衬套的尺寸的允许范围；

图3在纵向截面中示出了根据本发明的连接有滑键的轴颈衬套，该轴承衬套未承受由轧制力产生的负载；

图4示出了在承受由轧制力产生的负载时油膜轴承中的轴颈衬套表面上的典型压力分布；以及

图5示出了根据本发明的轴颈衬套和支承在其中的轧辊轴颈在由轧制力产生的负载下的纵向截面。

具体实施方式

下面参照附图以实施例的形式详细描述本发明。在所有附图中，相同的技术元件用相同的附图标记表示。

图1以纵向截面图示出了根据本发明的轴颈衬套100。该轴颈衬套具有圆柱形的外圆周并且与容纳在其圆柱形的空腔内的轴承衬套一起形成油膜轴承；图1中未显示。油膜轴承的充满润滑剂的润滑剂间隙位于轴承衬套与轴颈衬套之间。

根据本发明的轴颈衬套包括锥形的纵向区段110，该纵向区段的投影到轴颈衬套的圆柱形的外圆周上的长度利用附图标记a表示。锥形的纵向区段110所展开的锥形空腔具有大锥体直径B和小锥体直径A。锥形的纵向区段110具有锥角β。在小锥体直径A的区域中，轴颈衬套的圆柱形的端部区段120无缝地邻接所述锥形的纵向区段110。端部区段120所展开的圆柱形的空腔的直径对应于小锥体直径A的直径。

不仅由锥形的纵向区段110展开的锥形空腔而且与其邻接的、由端部区段120展开的圆柱形的空腔都用于容纳轧机机架中的轧辊的对应且互补地形成的轴颈。外部呈圆柱形的轴颈衬套的外径为D。轴颈衬套的圆柱形的外侧面经由连接通道113与轴颈衬套的内侧面上的润滑油槽112连接。

在操作如此得到支承的轧辊的期间，在轴承衬套与轴颈衬套100的外侧面之间由润滑剂形成所述润滑膜。润滑剂通过连接通道113到达润滑油槽112。然而，只要轴颈衬套100固定地安装在轧辊轴颈上，润滑剂就会保留在润滑油槽112中并且不能从那里扩散到轴颈衬套与轧辊轴颈之间的接触面中。

根据本发明，所述轴颈衬套100满足：

其中，

B[m]为大锥体直径；

D[m]为外筒直径；

a[m]为锥形的纵向区段的投影到轴颈衬套的圆柱形的外圆周上的长度；并且

k＝0.15[1/m]为滑动系数。

优选地，下限为0.37(而不是0.35)和/或上限为0.49(而不是0.5)。

图2清楚地示出了所要求的下限和上限。该下限和上限展开了在结构上允许的区域。也就是说，只要轴颈衬套满足带有所要求保护的上限和下限、优选地带有增加的下限和/或减小的上限的所要求保护的公式(1)，轴颈衬套就能实现本发明所基于的目的，也即有待解决的相互冲突的设计目标。下面参照图3至图5更详细地解释这种对立的设计目标及其根据本发明的技术方案。

图3所示是对图1的补充。在图3中，轴颈衬套100也固定地安装在轧辊轴颈210上。也就是说，轴颈衬套100的锥形的纵向区段110无间隙地坐落在基本上互补地形成的锥形的轧辊轴颈区段212上，并且轴颈衬套的圆筒形的端部区段120坐落在轧辊轴颈的圆柱形的轧辊轴颈端部区段214上。轴颈衬套100与轧辊轴颈210之间存在基本的摩擦配合，也就是说，轴颈衬套100由于既有的静摩擦而与轧辊轴颈210共同旋转。旋转摩擦配合联接由至少一个滑键20固定，该滑键20的一部分位于轴颈衬套的内侧面上的轴向对齐的凹槽122中，而另一部分位于轧辊轴颈的外侧面上的轴向延伸的凹槽216中。滑键20以轴向游隙Sa和/或以径向游隙Sr位于这两个凹槽122、216中。

在轴向方向上，轴颈衬套100通过弹簧圈220和紧固环230固定在轧辊轴颈上。

图3示出了轴颈衬套和轧辊轴颈在无负载状态下，也就是说在没有轧制力作用时或者所施加的轧制力小到不会导致轴颈衬套变形时的情况。在这种状态下，轴颈衬套与轧辊轴颈之间不形成润滑膜。

图4示出了轧制操作期间在旋转的轴颈衬套与固定的轴承衬套之间的轴承间隙中出现的真实压力分布。这里示出了针对以下情况的压力分布作为示例，其中安装有轴颈衬套100的上支撑轧辊轴颈210旋转支承在轧机机架中并且在轧制操作期间沿箭头方向旋转；参见图4中的左图和右图。重要的是能注意到，轴承并且特别是轴颈衬套的压力负载绝非均匀分布在圆周上，而是在轴颈衬套的与轧制力作用FR相反的表面区域中形成负载最大值M。

图4所示的压力分布在轧制操作期间在圆周角范围内基本上是位置固定的，至少只要轧制力FR作用的方向不改变即是如此。这与轧制力可以在原则上改变其大小的事实并不冲突。

所述位置固定的压力分布导致了，轧辊轴颈或共同旋转的轴颈衬套的表面上的一点只有在其旋转过程中经过图4所示的具有较大最高压力负载M的压力区域时才承受所示的较大压力负载。在这种情况下，也就是说当经过具有较大压力负载的角度范围时，由轧制力FR产生的在轴颈衬套上沿径向方向的压应力FP以及特别是由此产生的与锥形的纵向区段110相关的下坡力FH可以大到使轴颈衬套100局部地移位或变形，如图5所示。所述局部变形在于，特别是轴颈衬套在旋转期间的每个当前经过较大压力负载M区域的部分，在轧辊轴颈上沿下坡力FH的方向移位或变形并且由此与所述轧辊轴颈局部分离。

轴颈衬套与轧辊轴颈210的分离是在轴颈衬套100与轧辊轴颈210之间形成微观上狭窄且局部有限的润滑剂间隙130的情况下实现的。该微观上狭窄的润滑剂间隙130也不是在整个圆周上延伸，而是在圆周方向上主要限于图4所示的较大压力负载区域。当通过较大压力负载M的角度范围时，如图4所示，轴承衬套与轴颈衬套100之间的实际润滑膜中的润滑油经由连接通道113被压入到润滑油槽112中，并从那里被压入到所述润滑剂间隙130中，如图5所示。同样如图5所示，轴颈衬套100的经过较大压力负载的角度范围的部分由于压应力FP而以如下的方式变形，从而使得该部分在润滑膜130上滑动并压靠弹簧圈220并且也使弹簧圈220变形。在变形/移位期间，滑键20由于轧辊轴颈的移位而根据图5所示被压至其极限，使得轴颈衬套中的凹槽122和/或轧辊轴颈中的凹槽216中的轴向游隙Sa和径向游隙Sr被利用起来。

值得注意的是，轴颈衬套在图5下方的另一侧上仅发生轻微变形，并且因此几乎没有变化，在轧辊轴颈上采用压配合而没有形成润滑剂间隙。

根据本发明，轴颈衬套100的按照公式(1)的布局一方面确保形成所述润滑剂间隙130，这保证了轴颈衬套与轧辊轴颈之间的润滑油不会局部地限制于润滑油槽112的区域，而是也分布在润滑油槽112之间的区域中。尽管轴颈衬套在轧辊轴颈上仍然存在基本紧密的配合，但按照公式(1)的布置是所期望的，以避免现有技术中已知的微动磨损(Fretting)，也即否则在经过具有较大压力负载的角度范围时在轴颈衬套与轧辊轴颈之间的接触面的区域中会发生的微观小磨损。这种磨损由润滑剂间隙130防止，而润滑剂间隙130则通过使下坡力FH变得尽可能大来实现或促进。特别地，大锥体直径B与小锥体直径A之间的差异越大，下坡力就越大。另一方面，下坡力FH不会变得太大，否则弹簧圈220和紧固环230不能再吸收下坡力FH并将其导入轧辊轴颈210中。在最坏的情况下，即，如果下坡力FH变得太大，则可能发生圆柱形的轧辊轴颈端部区段214沿轴向方向从锥形的轧辊轴颈区段212发射出的情况。

如上所述，轴颈衬套100的按照公式(1)的结构布局确保可以实现或达到两个相互冲突的设计目标。

图5所示的从右侧指向紧固环230的两个箭头表示对下坡力FH的反作用力FG，该下坡力必须由轧辊轴颈、特别是由圆柱形的轧辊轴颈端部区段214吸收，此时下坡力通过紧固环230导入轧辊轴颈210中。

附图标记列表：

100轴颈衬套

110锥形的纵向区段

112润滑油槽

113连接通道

120端部区段

122用于滑键的凹槽

130润滑剂间隙

20滑键

200轧辊

210轧辊轴颈

212锥形的轧辊轴颈区段

214圆柱形的轧辊轴颈端部区段

216用于滑键的凹槽

220弹簧圈

230紧固环

A小锥体直径

B大锥体直径

D轴颈衬套的外筒直径

M负载最大值

Sa轴向游隙

Sr径向游隙

β锥角

FG对于下坡力FH的反作用力

FP由轧制力FR产生的压应力

FR轧制力

FH下坡力

a锥形的纵向区段的(投影的)锥体长度

Claims (7)

1.一种轴颈衬套(100)，所述轴颈衬套作为轧机机架中的油膜轴承的一部分用于容纳轧辊、特别是支撑辊的锥形的轧辊轴颈；其中，所述轴颈衬套：

-能够在由所述轧机机架所施加的轧制力的作用下发生弹性形变；

-在其外侧面上成形为具有外筒直径D的圆柱形；

-具有内部呈锥形的纵向区段(110)，所述锥形的纵向区段在其内侧面上在锥体长度a上成形为具有大锥体直径B和锥角β的锥形，以容纳所述轧辊的锥形的轧辊轴颈；并且

其中，所述锥形的纵向区段(110)在其内侧面上具有润滑油槽(112)，以将润滑剂引入到所述轴颈衬套的内侧面与所述锥形的轧辊轴颈的外侧面之间的空隙中；

其特征在于，

所述轴颈衬套(100)满足：

其中，

滑动系数k＝0.15/m。

2.根据权利要求1所述的轴颈衬套(100)，其特征在于，所述轴颈衬套(100)满足：

3.根据前述权利要求中任一项所述的轴颈衬套(100)，其特征在于，所述轴颈衬套包括空心圆柱形的端部区段(120)，所述端部区段以其内径对齐的方式在所述锥形的纵向区段的最小锥体直径A的位置处连接至所述锥形的纵向区段。

4.根据前述权利要求中一项所述的轴颈衬套(100)，其特征在于，所述轴颈衬套(100)在其内侧面上具有凹槽(122)，以部分地容纳滑键(20)。

5.一种轧机机架，该轧机机架包括：

至少一个轴承壳体，所述轴承壳体构造为油膜轴承，所述油膜轴承具有内部呈锥形的、根据前述权利要求中一项所述的轴颈衬套(100)；以及

至少一个轧辊(200)，所述轧辊的轧辊轴颈(210)构造有锥形的轧辊轴颈区段(212)并且优选构造有圆柱形的轧辊轴颈端部区段(214)，以容纳到所述轴颈衬套(100)中，

其中，所述轴颈衬套与所述轧辊轴颈一起能旋转地支承在所述轴承壳体中，优选地支承在所述轴承壳体中的轴承衬套中。

6.根据权利要求5所述的轧机机架，其特征在于，

所述轧辊轴颈(210)在其外侧面上具有凹槽；

设有滑键(20)，所述滑键的第一部分由所述轴颈衬套(100)的内侧面上的凹槽容纳，并且所述滑键的第二部分由所述轧辊轴颈(210)的外侧面上的凹槽(216)容纳；以及

所述两个凹槽中的至少一个凹槽根据所述滑键(20)的尺寸确定尺寸，从而所述滑键(20)在无负载状态下、特别是在轧制操作之外，在所述凹槽中具有轴向游隙Sa>0.0mm和径向游隙Sr>0.5mm。

7.根据权利要求6所述的轧机机架，其特征在于，所述轴颈衬套(100)借助紧固环(230)并且借助沿轴向方向布置在所述轴颈衬套(100)与所述紧固环(230)之间的弹簧圈(220)固定在所述轧辊轴颈上，以防止从所述轧辊轴颈(210)沿轴向方向滑脱；并且。

所述弹簧圈(220)的弹簧刚度设计为，当所述轴承承受最大负荷时，利用已知的锥角计算出的、所产生的下坡力导致所述轴颈衬套的最小轴向位移为1/10mm，优选地为3/10mm。