JP2016526485A - 圧延機レイングヘッド - Google Patents

Abstract

本発明の態様は圧延機レイングヘッドに関する。圧延機レイングヘッド(22)は、中心軸(X)の周りに回転可能なクイル(24)であり、前記クイル(24)には、長手方向に移動する製品を連続的な一連のリングに形成するように構成されているかまたはそのようになされている案内経路(26)が装備されている、クイル(24)と;固定支持構造体(28)と;前記軸(X)の周りの回転のために前記クイル(24)を支持する、軸方向に離間された径方向軸受(30、32)であり、前記軸受の一方(32)は、少なくとも約500mmの内径を有しかつ0.25未満のL/D比を有する静圧油膜軸受を含む、軸方向に離間された径方向軸受(30、32)と、を含む。

Description

本発明の実施形態は、高温圧延製品をリングの螺旋構造に形成する圧延機において使用されるタイプのレイングヘッドに関する。

従来のレイングヘッドでは、固定支持構造体は、軸方向に離間された軸受間に回転可能に支持されている中空クイルを含む。クイルには、案内経路が装備されており、該案内経路は、通常、クイルの回転軸と位置合わせされた入口端部とクイル軸から径方向に離間されている出口端部までクイルから片持ち梁式に突出している湾曲した中間部分とを有する、湾曲した案内パイプを含み得る。クイルは既知の手段により回転可能に駆動され、案内パイプは、その入口端部において製品を受容し、製品を、その出口端部から出現するリングの螺旋構成に形成するように構成されている。

ころ軸受は、通常、クイルを回転可能に支持するために使用される。高速動作状態では、例えば100m/秒を超える速度で移動する製品を取り扱う場合、ころ軸受は、レイングヘッドの動作を妨げる振動を発生する傾向があることが経験から分かっている。

そのような振動を取り除くまたは少なくとも抑制する試みにおいて、種々のスキームが考案されてきた。例えば、特許文献１に記載されている通り、案内パイプの片持ち梁部分は、レイングヘッドの全体的な剛性を増大するために短縮されている。また、特許文献２に記載されている通り、動作間隙を最小限にするために、二重与圧型ころ軸受(dual preloaded roller bearing)が使用されている。そのような設計の修正が有益であることが証明されているが、レイングヘッドは現代の圧延機の増加し続ける速度で動作するので、それらはレイングヘッドに損害を与え続けている振動問題に適切に対処していない。

特許文献３に記載されている通り、また、ころ軸受の代わりに動圧軸受を使用することが提案されている。図4に概略的に示されている典型的な動圧軸受では、回転部材10がブッシング12により取り巻かれている。回転部材はかけられる荷重に晒され、低圧油16がブッシング内面の陥凹部17経由で回転部材とブッシングとの間に導入される。

回転部材は、回転部材の回転速度と、かけられる荷重と、回転部材とブッシングとの間の径方向間隙と、油の粘度とを含む、パラメータの組合せの結果として、単一の圧力場「P」を形成する。圧力場から統合される力はかけられる荷重を厳密に相殺し、回転部材10の中心線18はブッシング12の中心線20からずらされ、前述のパラメータの関数である離心率「E」をもたらす。

動圧軸受は成熟技術であり、非特許文献１により提示された図式解は、軸受設計に依然として広く使用されている。その設計技法は、ゾンマーフェルト数の特定の範囲にかつ一連の特定の幾何学的関係を有する軸受に有効である。例えば、該文献では数値解は、0.25、0.50、0.75および1.0の(図5Aおよび図5Bに示されている)特定の長さ-直径(L/D)比について解き、そこではこれらの値間のL/D比を有する軸受の解が内挿される。

軽く荷重をかけられた状態で動圧油膜軸受を高速で動作させる場合、複数の潜在的な問題に遭遇する。例えば、
・軸受は、回転部材がブッシングの内側で非常に望ましくないモードで軌道を回る「ホワール(whirl)」と呼ばれる不安定効果を受けることが知られている。
・動作状態に応じて、高温圧延製品がレイングパイプ内に向かう際にほとんどいかなる角度の付加的な過渡荷重もあり得るので、レイングヘッド用途がまれである。ほとんどの動圧軸受は、もっぱら(図4に示されている通り、通常は垂直の)1つの主要な方向への荷重に対応するように設計されている。理想的には、よく適合されているレイングヘッド軸受は、レイングヘッドに進入する製品により任意のあり得る角度でかけられる可能性がある過渡荷重に加えて、重力に因る回転構成要素の反力に対応することができるべきである。
・動圧油膜軸受が、ブッシング上に静止して存在する回転部材の静止摩擦を克服するより高い始動トルクを必要とする。回転が開始すると、トルクの必要性は大きく低下する。レイングヘッド駆動モータおよび歯車列は、より高い始動トルクのための大きさに作製されなければならない。

レイングヘッドへの動圧油膜軸受の適用は上記の問題全てを有する。しかし、動作速度を考えると、高回転速度および低荷重が、軸受が常に不安定状態で動作することを確実にするので、ホワールは特に重大な問題である。

例えば、典型的なレイングヘッドの用途が600mm直径の軸受を必要とする可能性があるであろう。従来の動圧軸受が、少なくとも0.25のL/D比と0.60mmの典型的な間隙とを有すると考えられる。40kN以下の回転質量および100cStの典型的な油粘度を想定して、軸受は、以下の通り、速度の関数としての予測ピーク油膜温度を有すると考えられる。

ワイヤロッドを製造する圧延機では、レイングヘッドから出ているリングの螺旋構造は、通常、コンベヤ上に重なったパターンで正確に置かれる。リングは、コンベヤにより、それらが寄せ集められてコイルになる再形成ステーションへ搬送されながら、制御された冷却に晒される。

圧延機の通常動作中、レイングヘッドの速度は制御されて、いわゆる「ウォブル(wobble)」機能および「末端加速(tail end speed up)」機能を実施してもよい。ウォブル制御機能は、通常、より大きな製品サイズ、例えば10.0mm以上、に関して使用され、レイングヘッドの速度を公称速度の上下に周期的に修正して、再形成室内で互いに内側に入れ子にする、異なった大きさに作製されるリングを製造するのに役立ち、高さの減少した、より高密度のコイルをもたらす。末端加速機能は、製品の末端がレイングヘッドピンチロールから出て、レイングヘッドピンチロールによりもはや推進されていない時点で、レイングヘッドの回転速度を加速させることにより達成される。

より大きな製品サイズを処理する場合に一般的に用いられるより低い動作速度でウォブル機能を実施している場合、加速および減速を修正することに応答して、荷重区域が軸受の一方の側から他方へ継続的に移行しているので、動圧軸受の全体的なシステム安定性は大幅に犠牲にされる。末端加速中の迅速な加速は、同様に、軸受安定性に弊害をもたらす。

動圧油膜軸受は、圧延機レイングヘッドにおける使用のために導入されているが、恐らく前述の問題のために、広く受け入れられていない。

米国特許第5,590,848号明細書 米国特許第7,086,783号明細書 米国特許第8,004,136号明細書

A.A. Raimondi and John Boyd、「Lubrication Science and Technology」、Pergamon Press、New York、1958年の「A Solution for the Finite Journal Bearing and Its Application to Analysis and Design, Parts I, II, III」Trans. ASLE、vol. 1、no. 1、159〜209頁

本発明の目的は、機械ころ軸受および動圧油膜軸受に関連する問題を克服するか、または少なくとも実質的に緩和する新規の改良型の静圧油膜軸受が装備されている、圧延機レイングヘッドを提供することである。

本発明の例示的実施形態では、レイングヘッドのクイルは、複数の軸受により回転可能に支持されており、少なくともレイングヘッドの送達端部にある軸受は静圧油膜軸受である。クイルの回転に応答して受動的に形成される単一の圧力場の代わりに、動圧油膜軸受を用いた場合と同様に、本発明の静圧油膜軸受は、ブッシングの角度離間されている陥凹部内に能動的にポンプで送られている高圧油により形成される複数の個別の圧力場をもたらす。該陥凹部は、それらの関連する圧力場がクイルを、レイングヘッドの動作継続中にクイルが保持されているブッシングと同心位置合わせさせて、偏心に因る振動を最小限にしかつ理想的に取り除くような方法で配置されている。また、複数の圧力場は、クイル回転の開始前にクイルをブッシング表面から分離するのに役立ち、それにより、より高い始動トルクを有する駆動系を設ける必要がなくなる。

静圧軸受の全体的な安定性は軸受の回転速度の関数ではない。すなわち、静圧軸受は、速度/幾何学的形状依存性のウェッジ(wedge)に依存せず、回転質量を持ち上げかつセンタリングする。静圧軸受の固有の設計はかけられる荷重または速度に関わらず回転質量のセンタリングを可能にするため、軸受は、特にウォブル周期中、動圧軸受を凌ぐかなりの動作上の利点を有する。

これらおよび他の特徴ならびにそれらの付随する利点は、ここで、添付図面を参照して、より詳細に記載される。

本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受を備えたレイングヘッドの部分的に切り取られた概略図である。 図1に示されている静圧油膜軸受を貫通して取った概略横断面図である。 同程度の大きさに作製された動圧油膜軸受の予測動作温度と、本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受の測定動作温度を比較するグラフである。 従来の動圧油膜軸受の概略横断面図である。 図4に示されている動圧油膜軸受内のブッシングの端面図である。 図4に示されている動圧油膜軸受内のブッシングの側面図である。

図2および図4における回転部材とブッシングとの間の間隙は例証目的のために誇張されている。

図1を最初に参照すると、レイングヘッド22が中心軸「X」の周りに回転可能なクイル24を含む。クイルには案内経路が装備されており、1つの非限定的な例が案内パイプ26である。案内パイプは、軸Xと位置合わせされている入口端部26aと、軸Xから径方向に離間されている出口端部26cに繋がっている湾曲した中間部分26bと、を有する。クイルは、固定支持構造体28の内部に含まれ、軸方向に離間されている軸受30、32により軸Xの周りの回転のために支持されている。軸受30は、2つのアンギュラころ軸受の背中合わせの組合せを含んでいてもよく、レイングヘッドの送達端部にある軸受32は、本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受である。クイルは、歯車箱およびモータ(図示せず)により動力を供給される噛合歯車34、36を含む従来の駆動系により回転可能に駆動される。

図2のさらなる参照により認められる通り、静圧油膜軸受は、クイル24のジャーナル表面を取り巻くブッシング38を含む。複数の角度離間された陥凹部40がブッシングの内面に設けられている。図2を再度参照すると、陥凹部40は供給導管42を介して分配ヘッダ44に接続されており、該分配ヘッダは、高圧ポンプ46を含み得る一次供給手段に接続されている。陥凹部40に供給された高圧油は、クイルのジャーナル表面をブッシング表面から持ち上げ始める前に静止状態中に動作する個別の圧力場48を作り出し、その後、レイングヘッドの動作中に、クイルが駆動される速度に関係なく、クイルをそれが保持されているブッシングと同心位置合わせさせる。したがって、偏心が取り除かれるかまたは少なくとも許容レベルまで最小限にされる。始動前にクイルのジャーナル表面をブッシング表面から持ち上げることにより、摩擦が減少し、したがって始動トルクの増大の必要を排除する。

レイングヘッド用途では、ブッシング38の内径Dは相対的に大きく、通常、約500mmから1000mmまでに及ぶ。40kw以下の回転質量と共に、荷重は相対的に軽い。本発明の実施形態によれば、特定の荷重を増大させるために、軸受の長さLは意図的に短縮されて0.25未満のL/D比を実現し、0.15まで低いL/D比が特に有利であることが試験により示されている。

そのような大直径の狭い静圧油膜軸受の使用に関する理論に根拠がないが、試験は、そのような軸受が軸受の加熱を有益に低減することを示している。例えば、本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受が装備されているレイングヘッドの試験中に、軸受温度が測定された。静圧油膜軸受は、前述の動圧油膜軸受のものに相当する寸法を有した。その設計は、ブッシングが5つではなく8つの等間隔の圧力パッドを有したことを除き、図2に示されているものに類似していた。図3に認められる通り、動圧油膜軸受の予測温度と比較して、静圧油膜軸受の測定温度は実質的により低かった。

また、レイングヘッドに本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受を装備する場合、油消費および動力損失の有益な低減が予想される。

高温圧延小直径製品、例えば5.5mmロッド、を製造する圧延機が非常に高速で動作する。停電の場合、回転構成要素の慣性に因り、機械は、ゼロ速度まで「惰性減速する(coast down)」のに最長45秒以上かける可能性がある。本発明のさらなる例示的実施形態によれば、本発明の静圧油膜軸受がこの減速期間に高圧油を供給されたままであることを確実にするために、補助供給手段が高圧油をスタンバイモードで貯蔵するのに役立つ。図2に示されている通り、補助供給手段は、高圧ポンプ46により供給される高圧油を充填されている蓄圧器50を含み得る。逆止弁52が蓄圧器50をポンプ46から隔絶し、ノーマルオープン弁54が蓄圧器50とヘッダ44との間に設けられている。通常動作中、電動式ソレノイドが弁54を閉じる。停電の場合には、該ソレノイドは弁54を自動的に開いて蓄圧器50をヘッダ44に接続し、したがって、惰性減速中に軸受32がその静圧機能を維持することを確実にする。

上記を踏まえて、ここで、本発明の例示的実施形態による静圧油膜軸受を使用することにより、クイルが、ブッシングとの実質的に不変の同心位置合わせの状態に維持されることが可能であること、およびこれはレイングヘッドが動作している速度とは無関係に達成され得ることが、当業者に理解される。したがって、動圧軸受におけるホワールおよび機械ころ軸受の間隙に因る振動問題はなくなるかまたは最低になり、それらがもはやレイングヘッドの高速動作を妨げない範囲まで最小限にされる。これは、より低い動作温度、油消費および動力損失の低減、および相対的に低い始動トルクの付加利益により達成される。

上記説明は本発明を例証するために記載されたのであり、限定することを目的としていない。本発明の精神および実体を組み込んでいる記載された実施形態のさらなる修正が当業者に思い付く可能性があるので、本発明の範囲は、もっぱら添付の特許請求の範囲およびその同等物に準拠して限定されるべきである。

10 回転部材
12、38 ブッシング
16 低圧油
17、40 陥凹部
18 (回転部材10の)中心線
20 (ブッシング12の)中心線
22 レイングヘッド
24 クイル
26 案内パイプ
26a 入口端部
26b 中間部分
26c 出口端部
28 固定支持構造体
30、32 軸受
34、36 噛合歯車
42 供給導管
44 分配ヘッダ
46 高圧ポンプ
48、P 圧力場
50 蓄圧器
52 逆止弁
54 ノーマルオープン弁
D 内径
E 離心率
L 軸受の長さ
X 中心軸

Claims (8)

1. 中心軸の周りに回転可能なクイルであり、前記クイルには、長手方向に移動する製品を連続した一連のリングに形成するように構成されておりかつそのようになされている案内経路が装備されている、クイルと、
   固定支持構造体と、
   前記軸の周りの回転のために前記クイルを支持する、軸方向に離間されている径方向軸受と、
   を含み、
   前記軸受の一方が、少なくとも約500mmの内径を有しかつ0.25未満のL/D比を有する静圧油膜軸受を含む、
   圧延機レイングヘッド。
2. 前記L/D比は0.25と0.15との間である、請求項1に記載のレイングヘッド。
3. 前記静圧油膜軸受は、前記クイルのジャーナル表面を取り巻くブッシングと、前記ブッシング内の複数の角度離間されている陥凹部と、供給ヘッダ経由で前記陥凹部に上昇した圧力の油を供給し、それにより、前記ジャーナル表面上に作用して前記クイルを前記ブッシングと同心位置合わせさせる個別の圧力場を作り出す一次供給手段と、を含む、請求項1に記載のレイングヘッド。
4. 前記陥凹部の少なくとも3つおよび関連する圧力場が、前記ブッシング内に設けられている、請求項3に記載のレイングヘッド。
5. 前記陥凹部は前記ブッシングの円周を巡って等間隔に離間されている、請求項3または4に記載のレイングヘッド。
6. 前記一次供給手段による前記油の供給の中断の場合に、前記静圧軸受に高圧油を供給するための補助供給手段をさらに含む、請求項3に記載のレイングヘッド。
7. 前記補助供給手段は、前記一次供給手段により前記高圧油を充填されている蓄圧器を含む、請求項6に記載のレイングヘッド。
8. 中心軸の周りに回転可能なクイルであり、前記クイルには、長手方向に移動する製品を連続した一連のリングに形成するように構成されておりかつそのようになされている案内経路が装備されている、クイルと、
   固定支持構造体と、
   前記軸の周りの回転のために前記クイルを支持する、軸方向に離間されている径方向軸受と、
   を含み、
   前記軸受の一方が、少なくとも約500mmの内径を有しかつ0.25未満のL/D比を有する静圧油膜軸受を含み、前記静圧油膜軸受は、前記クイルのジャーナル表面を取り巻くブッシングと、前記ブッシング内の少なくとも3つの角度離間された陥凹部と、供給ヘッダ経由で前記陥凹部に上昇した圧力の油を供給し、それにより前記ジャーナル表面上に作用して前記クイルを前記ブッシングと同心位置合わせさせる個別の圧力場を作り出す一次供給手段と、前記一次供給手段による前記オイルの供給の中断の場合に前記静圧軸受に高圧油を供給する補助供給手段と、を含む、
   圧延機レイングヘッド。

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