CN1921961A - 具有减振装置的吐丝机 - Google Patents

Abstract

一种用于使用连续直型轧制产品，例如棒材或线材，以形成线圈的吐丝机，其有与两个转子支架(3)，优选为轧制产品出口侧的，中的一个成一体的减振装置。所述装置包括复数个线圈(6，6′，6″)在绕其轴(X)旋转的转子(3)周围设置，其由电脑控制产生磁场，磁场的磁力与轴(X)正交，磁力的强度是预设的以便于消除转子沿轴转动过程中产生的质量惯性力。可替换的，整合在支架中的减振装置包括油膜轴承。

Description

具有减振装置的吐丝机

技术领域：

本发明涉及一种具有减振装置的吐丝机，用于卷绕线材、棒材等轧制钢产品。

背景技术：

在实现吐丝机机时采用了一种相对通用的方案，其提供了内部安装有吐丝管的转子。转子如悬臂一样通过两个轧辊支撑轴或支架支撑在定子壳体上，然后定子壳体牢靠固定在与地基一体的基座上。转子绕其轴旋转，一般有很高的角速度，可以达到2200转/分钟，对应的轧制速度是120米/秒。旋转是依靠外部电机连接的锥齿轮驱动产生。有些吐丝机的转子与电机一体位于定子内部并被安装成与之同轴。

吐丝机运行中由于吐丝管的磨损，不可避免地会出现转动部分不再保持动态平衡，从而导致振动，且当转速提高时振动强度加大。

尤其是，当转速接近系统特征转速即极限转速时，振动因受到动力效应而放大了。这些动态增益产生了强烈的振动，对结构的完整性是不利的，事实上就限制了可能达到的最大转速。

对于目前在用的通常形式的吐丝机，转速达到2000～2200转/分钟时出现动态增益现象，所以这个转速就是目前吐丝机所能达到的最大转速。

因此通过定时装置被用来提高吐丝机的极限转速从而提高最大操作转速。

美国专利文献US6543712提出了实现轧制速度超过120米/秒的目标，为此在两个支撑轴中间安装了第三个支架，这样减小了转轴的变形因而极限转速得到了提高。

这种支架是由沿着转轴径向布置的轧辊组成，但是其在机械上非常复杂，并且效率较低，因为轧辊本身也有弹性。由于直径小，轧辊承受了很高的转速。这种方案的另一个缺点在于两端的轴承与增加的支架之间即使存在很小的同轴度误差，也会导致不可接受的系统振动。

欧洲专利文献684093提出了磁力轴承的使用，使吐丝机转子能够获得高转速，大约是3000转/分钟，对应的轧制速度超过160米/秒，且不引起振动。但是其缺点是成本过高。

第三个文献，美国专利2003/011349转而描述吐丝机托架内支撑主轴转动的装置。该装置包括了第一和第二轧辊支撑轴，轴向分开并插入在主轴和托架之间。沿其圆周第一区域第一轧辊支撑轴被施加了径向预载力。这个预载力通过作用在沿其圆周第二区域(与前述第一区域角度相差180°)第二轧辊支撑轴的反作用力抵消了。通过这种方式一些间隙和相对振动可以部分地被消除了，但是该方案不是很实用并且没有取得最优的结果。

第四个文献，欧洲专利0679453提出减小装载在转子上的吐丝管伸出长度，从而提高极限转速的方案。这样的话，在轧制钢材的出料口处直径通常为400mm左右的轧辊支撑轴，由于新的吐丝管尺寸而增大到500mm。已知这种大尺寸的轴承在高速运转时是相当危险的，因而这种方案不实用，会出现频繁的断裂现象。

发明内容：

本发明的主要目的是制造一种吐丝机，轧制速度超过120米/秒至少达到140米/秒，并且没有受到因动态增益现象导致的有害振动影响。

也必须允许以可接受的制造成本获得本发明的目标，并且没有结构复杂的装置，也没有带来机械零件恶劣的磨损工况。

按照权利要求1所述，通过提供带有减振装置的吐丝机，减振装置与上述轧辊支撑轴之一整合成一体或者将其取代以实现这些目标。

通常将吐丝机限定为一个进料口和一个出料口，进料口正对着所轧制产品的给料通道，出料口正对着所轧制产品的出料通道。

按照第一个实施例，本发明的吐丝机带有自动抑制振动的磁性减振装置。所述磁性减振装置最好临近出料口的轧辊支撑轴。磁性减振装置主要作用在水平面上，通常此处因存在几何间隙而轴承的刚性最小，但这并不绝对。

前述本发明的另一个目的是通过前面的磁性减振装置实现的。按照权利要求18所述，通过磁性减振装置实现上述目的的步骤如下：

a)通过传感器检测与转子在支撑结构上转动过程中产生的振动相关的动态数据；

b)将与动态数据相关的预定数据传输给电子控制装置；

c)确定磁性线圈的动作模式以便产生电磁力，电磁力将消除转子振动产生的惯性力；

由于使用了磁性减振装置，吐丝机具有很多优点：

-主动式减振使轧制速度至少达到140米/秒以上，而振动维持在可以接受水平上；

-磁场控制系统比磁力轴承(其唯一的功能是支撑转子)更简单，不必再提供其它的支撑功能。

-与磁力轴承比较，电磁磁性线圈的尺寸也具有更大的优势，由于不必产生撑起整个转子的支撑磁场，因此运行时的作用力比较小。

-在主动式控制系统中断时，吐丝机在高于产生机械振动的极限转速下仍然可以工作，直到系统恢复正常。

-由于参与运行的结构零件数量有限，系统可靠性得到了提高。

本发明的第二个实施例中，吐丝机具有被动式减震装置，更具体的是指液压减震装置，替代位于出料口的传统轧辊支撑轴或者与其整合在一起。所述液压减震装置的工作原理是基于一个粘性流体薄层(下文中称为通道)具有承受和吸收动态载荷的特性。液压减震装置具有两个功能，一个是对转子提供液力支撑功能，另一个是液压减振功能，也可以抑制接近极限转速时的动态增益。

所述液压减振装置使用了与轧辊支撑轴相同的润滑油，与轧制钢材的进料口协同操作，并通过电机驱动锥齿轮实现吐丝机的操作。

液压减振装置包括了叶型轴承或轴套，最好是径向可倾瓦块轴承，这样可以得到更好的油膜稳定性。液压减振装置所用可倾瓦块轴承的使用寿命比传统的轧辊支撑轴长100倍。由于具有抵抗高动态载荷和吸收振动的能力，即使吐丝机转子存在严重的不平衡也可以显著减小振动。

本发明的第三个实施例中，吐丝机同时具有主动式磁性减振装置和被动式液压减振装置。

根据另一个实施例，液压减振装置既能够替代与磁性减振装置组合的传统轧辊支撑轴，也能够替代单独的轧辊支撑轴。

还有一个实施例，至少有一个轴向液压轴承安装在轧制钢材的进料口附近。

附图说明：

参照下列附图，通过对下面非限制性典型实施例的详细描述，对于本领域技术人员，本发明更多的优点会显得更明显。

图1表示了本发明吐丝机沿轴向平面的纵剖面图；

图2表示了图1所示吐丝机中沿轴向平面A的剖面图；

图3表示了本发明的一个实施例的吐丝机局部详细示意图；

图4表示了本发明的另一个实施例的吐丝机局部详细示意图；

图5表示了本发明的另一个实施例的吐丝机沿轴向平面的剖面图；

图6表示了本发明的另一个实施例的吐丝机局部详细剖面图；

图7表示了本发明的另一个实施例的吐丝机轴向剖面图；

图8表示了图7中吐丝机沿轴向正交平面的剖面图；

图9a-9d表示了本发明吐丝机所用轧辊支撑轴的示意剖面图；

图10表示了本发明的另一个实施例的吐丝机沿轴向平面的剖面图。

具体实施方式：

参照上述附图，一种吐丝机，如序号1所示的整体结构包括支撑结构2，也称定子壳体，在定子上转子3适合于沿自身轴线旋转，并且通过两个轴承(例如轧辊支撑轴)4维持着旋转运动。转子3包括内装有吐丝管的主轴，通过吐丝管将轧制钢材制成线卷输出。在转子的轧制钢材进料口侧的轧辊支撑轴直径较小，而在出料口侧的轧辊支撑轴4直径较大。其中一个轴承，例如具有较小直径轴承(没有显示出来)，实现了限制轴向运动的功能。

转子3与电机驱动的锥形轮整合在一起，如已知的方法通过电机的传动齿轮链接受运动(图中没有表示)。其它已知装置也可以作为驱动机构。

基于本发明的第一个实施例使用了主动磁性减振装置，磁性装置5被置于直径较大的轴承附近，所述装置5包括一个或者多个沿着转子3圆周方向布置的磁性线圈6。这些线圈的运行由控制系统(最好为电子的)7负责，其调节施加在转子3上的作用力以减弱转子3转速提高而引起的振动强度，所产生的磁力(合力)在方向和强度上均可以调节。

吐丝机运行过程的任何时间，为了传递关于转子的动态情况信息，所提供的位置传感器8被用来传递数据给电子控制系统，根据预先的设计操控线圈。

磁性装置可与轴承串联或者并联安装在一起。在串联结构中，轴承安装在弹性法兰上，与磁性轴承同轴。法兰的弹性对于限制作用在定子上的约束力是必要的，以确保主轴对准。这种情况下，磁性装置5仅仅作为一个减振器而不是支撑轴，后一个功能仅由轴承4来完成。

对于串联结构，本发明可以有两个实施例。第一个实施例提供的减振作用仅在水平面上，图3表示的这个实施例中，在上面的两个象限和下面的两个象限中有一个或者多个线圈6′，磁性线圈6′产生的磁力F1是水平的。磁性减振装置串联结构的第二个实施例如图4所示，磁性线圈只是置于上面的象限内或者沿着转子3的半圆周设置，产生的磁力作用在水平面和垂直向下的竖直面。

在磁性装置5并联结构中，轴承4直接安装在机械2的壳体上，磁性装置5平行地直接作用在转子3上。这种情况下轴承具有支撑功能，磁性装置5仅仅是一个减振器。如图5所示。

本发明的一个实施例中，用于安装轴承的托架是弹性的，并有适当的刚性以减少分配在支撑结构上的力。这个弹性是通过在轴承4和支撑结构2之间的弹性插入物9实现的。这个实施例如图6所示。这种具有优势的实施例既可用与磁性减振装置并列设置，也可设置成串联结构。

依照本发明，磁性减振装置可以安置在直径较大的轧辊支撑轴的内部，或者外部。依照另一个实施例，提出了使用被动式液压减振装置，所述装置与吐丝机的支架整合在一起，或者替代吐丝机的支架，例如位于轧制钢材出料口的传统轧辊支撑轴。

第一个实施例中，所述液压减振装置实质上是由液压油膜轴承构成。

图9a至9d说明了几种可选的能够实现本发明目标的液压油膜轴承布局。图9b和9c分别较详细地说明了对称和非对称的双叶型轴承。双叶型轴承在强度和减振效果方面具有显著的各向异性特性，而且非对称双叶型轴承相比对称双叶型轴承具有更加稳定的特性。图9c所示的偏移结构在简单性、外形尺寸以及成本和刚性/减振特性等方面是相当有利的。

图9a和9d分别说明了椭圆型双叶型轴承和三叶型轴承。具有三叶或者四叶的轴承在动态刚性、减振效率等性能方面是各向同性的，可以保持转子沿着圆形轨道旋转。

为了防止油膜不稳定现象的发生，就是所谓的由环状流漩涡引起的旋转油膜和润滑油起泡现象。一种优选的实施例中，提供了带有可倾瓦块轴承的被动式液压减振装置。所述可倾瓦块轴承，并不需要同样，沿着安装有保持环的主轴自如地转动。运行过程中，每一个可倾瓦块轴承跟随主轴精确地转动，因而轴承运行状态非常稳定。实际运行中，由于可倾瓦块轴承非圆几何形状使得环状流受到扰动和减缓，在吐丝机全运行工况和转速下不稳定问题得到了彻底解决。

另外一种液压减振装置的实施例如图10所示，参照了所谓的“挤压式油膜”装置。该液压减振装置包括了在轴承25和转子3的支架结构2之间的轴套24，轴套24和支架结构2之间形成了环形孔22，经由输送管20润滑油流进其中，所述润滑油由末端密封垫密封。在所述环形孔中形成了油膜从而实现了减振的功能。

本发明的一个特定实施例的装置，通过装备液压或者油膜轴承而提供了吐丝机所有的支撑，也就是前端径向轴承、前端轴向轴承和后端径向轴承。

针对本发明的吐丝机进行的试验测试已经证实，由于使用了液压油膜轴承提高了系统水平方向的刚性，同时提供了显著的减振效果，以使在吐丝速度为0～140米/秒范围内，即便存在严重的不平衡也可将振动控制在可接受的范围内。

尤其是通过平衡的转子(平衡度为G6.3，依照国际标准ISO、1940)，振动可维持在有效值或者均方根值为1毫米/秒以下，尽管具有明显的不平衡度(G28)，在任何情况下振动也不会超过4毫米/秒的均方根值，低于可接受的极限为7毫米/秒的均方根值。

通常情况下，其它具体实施方式中被动液压减振装置的应用，从减振来看不但取得最佳效果，而且还克服了滚珠轴承的许多限制，也就是在冲击的高灵敏性，噪音，高成本，对维护的需求，动载荷的低效率，有限的使用寿命等方面。

从上面的叙述看，所介绍的本发明吐丝机取得的所有优点都是明显的；尤其是得到的一种吐丝机，在低成本下运行转速超过了目前的最大转速。

Claims (18)

1.一种用于使用连续直型轧制产品以形成线圈的吐丝机，包括支撑结构(2)，在电机驱动下绕自身轴(X)转动的转子(3)，在支撑结构(2)中依靠两个轴承(4)来维持旋转运动，其特征在于至少一个轴承(4)结合有减振装置。

2.如权利要求1所述的吐丝机，其中每一个轴承(4)结合有减振装置。

3.如权利要求1或者2所述的吐丝机，其中减振装置包括复数个线圈(6，6′，6″)在所述轴承(4)附近绕转子(3)设置，所述线圈(6，6′，6″)在控制系统的作用下产生磁场，所述磁场产生的磁力与轴(X)正交，磁力的强度是预设的以便于消除转子沿轴(X)转动过程中产生的质量惯性力。

4.如权利要求3所述的吐丝机，其中复数个线圈(6，6′，6″)沿着转子(3)的半圆周设置。

5.如权利要求4所述的吐丝机，其中复数个线圈沿着转子圆周设置。

6.如权利要求3所述的吐丝机，其中线圈(6，6′，6″)被设置在与轴(X)正交的平面上，所述轴(X)介于的两个轴承之间的区域，且尾羽这些轴承(4)的第一附近。

7.如权利要求6所述的吐丝机，其中线圈(6，6′，6″)以串联形式设置在第一轴承(4)和支撑结构(2)之间。

8.如权利要求6所述的吐丝机，其中线圈(6，6′，6″)以并联形式设置在转子和支撑结构(2)之间。

9.如权利要求1或2所述的吐丝机，其中所述减振装置包括油膜轴承(10)。

10.如权利要求9所述的吐丝机，其中所述油膜轴承是液压型的。

11.如权利要求10所述的吐丝机，其中临近轧制产品进料口，至少有一个轴向液压轴承。

12.如权利要求10所述的吐丝机，其中所述液压轴承(10)是可倾瓦块轴承。

13.如权利要求10所述的吐丝机，其中所述液压轴承(10)是叶型的。

14.如权利要求13所述的吐丝机，其中所述液压轴承(10)是三叶型。

15.如权利要求13所述的吐丝机，其中所述液压轴承(10)是双叶型。

16.如权利要求15所述的吐丝机，其中轴承叶型的排列是非对称的。

17.如权利要求9所述的吐丝机，其中油膜轴承(24)是挤压式的。

18.如权利要求3所述吐丝机的减振方法，包括以下步骤：

a)通过传感器检测与转子在支撑结构上转动期间所产生的振动相关的动态参数；

b)将与动态参数相关的预定数据传输至电子控制装置；

c)确定磁性线圈的动作模式以便产生磁力，磁力用以消除转子振动带来的惯性力。

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