TWI807806B - 作為油膜軸承一部分的軸頸襯套 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種作為軋機機架中油膜軸承一部分的軸頸襯套，其中軸頸襯套用於接收軋輥的錐形軋輥軸頸，特別是軋機機架的支撐輥的錐形軋輥軸頸。具有軸頸襯套的油膜軸承係用於將軋輥支承在軋機機架中。為了在軋製操作期間通過壓力負荷最大的角度範圍時，在軸頸襯套內側與軋輥軸頸外表面之間的區域中形成足夠大的潤滑膜間隙，同時不讓其間作用於固定環（該固定環將軸頸襯套軸向保持在軋輥軸頸上）的軸向力變得過大，本發明按照以下式子設計該軸頸襯套： 0.35＜3.6/a (D-B)+kD＜0.5    （1）， 其中 D為軸頸襯套的運行外徑， a為錐形縱向部分的投影錐體長度； k為滑動係數；以及 B為大錐體直徑。

Description

作為油膜軸承一部分的軸頸襯套
本發明係關於一種作為軋機機架中油膜軸承一部分的軸頸襯套，其中軸頸襯套用於接收軋輥的錐形軋輥軸頸，特別是軋機機架的支撐輥的錐形軋輥軸頸。具有軸頸襯套的油膜軸承係用於將軋輥支承在軋機機架中。軋機機架通常用於在軋機中對金屬軋材進行冷軋或熱軋。
在先前技術中，油膜軸承的軸頸襯套基本上已為吾人所知。
專利申請公開案DE 2843658 A1描述一種錐形軸頸襯套的設計，其優點是在維護工作中能夠更容易地將軸承套到同樣呈錐形的軋輥軸頸上，或者能更容易地從同樣呈錐形的軋輥軸頸上取下軸承。錐形軸頸襯套在錐形軋輥軸頸上的此種相對緊密的配合，並未緊到軸頸襯套與軋輥軸頸不能發生有限的相對旋轉之程度。此等最低程度的相對旋轉(在DE 2843658中又稱「Micreep」)會導致接觸面的微觀磨損(「Fretting」)。其結果可能是旋轉部件的永久損壞，特別是軋輥軸頸表面的永久損壞。
根據DE 2843658 A1的發明的目的係在於創造一種經改良的裝置，該裝置用於潤滑軋輥軸頸與一同旋轉的軸頸襯套之間的銜接處，但不會不利地從負載區抽取對為實現油膜軸承的功能而言過多的油。此係藉由額外設置在旋轉軸頸襯套內側的二次潤滑油槽而實現，該等二次潤滑油槽由一次潤滑油槽供油。數個以此方式分佈在圓周上且相互分離的油槽網路促進了軋輥軸頸與軸 頸襯套之間的接觸面的潤滑。
專利說明書(WO 2011/096672)提出另一種在用於軋機軋輥的油膜軸承中佈置潤滑油槽的方法/裝置。
EP 1213061 B1提出一種薄壁軸頸襯套，該軸頸襯套由於其在負載下的彈性變形程度高於當時的技術水準而旨在提供更大的承載力。規定錐體的最小錐角為3度，低於該角度會發生「自鎖」，並規定軸頸襯套的最小(最薄)厚度為10mm至0.024 D+14.5(D=軸承的運行直徑)，該錐體被放置在軋輥軸頸的外部錐形部分上。
此專利中提到的承載力提昇(相關領域通常知識者稱之為EHD；Elasto-Hydro-Dynamische Tragkraftsteigerung(彈性流體動力承載力提昇))，其實現方式為：軸頸襯套能夠在徑向負載(負載區的油壓)下沿軸向遠離輥身而位移。此位移由軋輥軸頸的錐形末端上的固定單元限制，此種固定單元例如記載於專利(DE102016214011A1、DE102017217562A1)中。此外，模擬研究結果顯示，軸頸襯套的此軸向滑移(由錐體錐角上的下坡力(Hangabtriebskraft)引起)並非均勻地發生在圓周上，而是在旋轉穿過負載區時達到最大。軸頸襯套的此種在圓周上變化的滑移導致兩個摩擦對發生正弦形來回滑動，從而確保油亦能經(前述)油潤滑槽到達軋輥軸頸與軸頸襯套之間的未設有潤滑油的接觸面(即，在潤滑油槽之間)。
軸頸襯套的滑移致使固定單元中出現軸向力，該等軸向力必須由軋輥軸頸末端支撐或保持。此等軸向力(下坡力)的大小與錐體錐角成正比。實踐結果表明，由於設計原因，角度過大時會導致軋輥末端(即軸向力被軋輥吸收之處)受損。由此得出對立的設計目標：軸頸襯套必須軸向滑移得較遠，以便透過潤滑油槽所添加的潤滑介質(油)能夠充分到達位於潤滑油槽之間的表面；以及 軸頸襯套不能對軸向固定單元施加過大的力，以免其損壞。
本發明之目的在於對作為油膜軸承一部分的習知軸頸襯套以及具有該軸頸襯套的習知軋機機架進行改良，使其滿足上述兩個對立的設計目標。
針對軸頸襯套，請求項1之標的為本發明用以達成該目的之解決方案。此解決方案之特徵在於，以下內容適用於該軸頸襯套：
Figure 111116502-A0305-02-0005-3
其中a[m] 軸頸襯套的錐體長度，D[m] 軸頸襯套的運行外徑，B[m] 軸頸襯套的大錐體直徑；以及k=0.15[1/m] 滑動係數。
較佳地，下限值為0.37且/或上限值為0.49。
發明人的貢獻在於以下發現：滿足再次請求保護的、根據式子(1)之設計條件的軸頸襯套亦能達成本發明之目的。也就是說，在採用此種軸頸襯套的情況下，當在軋製操作中受到較大軋製力作用時，與角位有關的軸向軸頸襯套位移或變形一方面會使足夠的潤滑油到達軋輥軸頸與軸頸襯套之間的區域中，使得該處的軋輥軸頸表面不會受損。此外，當常規大小的軋製力引發軸頸襯套的彈性軸向位移或變形時，按照式子1進行設計的軸頸襯套會有利地使得此時所產生的軸向力是可接受的，即處於允許的力值範圍內。此力值範圍內的軸向力能夠被具有相關彈簧圈的固定裝置吸收。換言之，根據本發明進行設計的軸頸襯套將使得軸頸襯套位移或變形時所產生的軸向力如此之小，而不存在由於被固定系統導入軋輥軸頸的(軸向)力過大而導致軋輥軸頸端部從軋輥軸頸的其餘部分被 拉脫之風險，亦不存在固定系統本身過載或損壞之風險。彈簧圈的彈簧率必須被設計成使得：軸承受到最大負荷時所產生的下坡力(以已知的錐角進行計算)導致軸頸襯套發生1/10mm，較佳為3/10mm的軸向最小位移。
根據一個實施例，錐形的軸頸襯套在其內側具有至少一個凹槽，錐形的軋輥軸頸在其外側亦具有至少一個凹槽，用於部分地接收配合鍵(Passfeder)。配合鍵接合在兩個凹槽中，從而在軋輥軸頸與套設在軋輥軸頸上且一同旋轉的軸頸襯套之間形成周向旋轉式耦合。根據本發明，每對凹槽的此等兩個凹槽中的至少一者被設計成使得配合鍵以軸向間隙且/或以徑向間隙安裝在該等凹槽中。只有當軸頸襯套在軋製操作過程中穿過負荷最大的區域時，該等兩個間隙才會幫助軸頸襯套實現所述的軸向位移或變形或者減輕其難度。
本發明的前述目的將進一步藉由一種如請求項5所述之軋機機架而得到解決。此解決方案的優點與上文中參照請求保護的軸頸襯套所提到的優點相對應。
該軸頸襯套及該軋機機架的進一步有利設計為附屬項之標的。
100:軸頸襯套
110:錐形縱向部分
112:潤滑油槽
113:連接通道
120:端部
122:用於配合鍵的凹槽
130:潤滑劑間隙
20:配合鍵
200:軋輥
210:軋輥軸頸
212:錐形軋輥軸頸部分
214:圓柱形軋輥軸頸端部
216:用於配合鍵的凹槽
220:彈簧圈
230:固定環
A:小錐體直徑
B:大錐體直徑
D:軸頸襯套的運行外徑
M:負荷最大值
Sa:軸向間隙
Sr:徑向間隙
ß:錐角
FG:下坡力FH的反作用力
FP:由軋製力FR產生的壓力
FR:軋製力
FH:下坡力
a:錐形縱向部分的(投影)錐體長度
說明書附有5個圖式，其中：[圖1]為本發明的軸頸襯套的縱向剖面；[圖2]為本發明的軸頸襯套尺寸的允許範圍；[圖3]為本發明的軸頸襯套未受到軋製力結合配合鍵所產生的負載時之縱向剖面；[圖4]為受到軋製力作用時油膜軸承中軸頸襯套表面的典型壓力分佈；以及[圖5]為本發明的軸頸襯套及支承在其中的軋輥軸頸受到軋製力作用時的縱向剖面。
下面將參照上述圖式以實施例之形式對本發明進行詳細說明。在所有圖式中，相同的技術元件皆以相同的符號標示。
圖1示出本發明的軸頸襯套100的縱向剖面。該軸頸襯套具有圓柱形外周，並且與以圓柱形空腔接收該軸頸襯套的軸承襯套一起形成油膜軸承；圖1中未圖示。油膜軸承裝有潤滑劑的潤滑劑間隙位於軸承襯套與軸頸襯套之間。
本發明的軸頸襯套由錐形縱向部分110構成，該縱向部分投影在軸頸襯套的圓柱形外周上的長度以符號a標示。錐形縱向部分110包含一個具有大錐體直徑B及小錐體直徑A的錐形空腔。錐形縱向部分110具有錐角ß。在小錐體直徑A的區域中，軸頸襯套的圓柱形端部120與錐形縱向部分110無縫相接。端部120包含圓柱形空腔，該圓柱形空腔的直徑與小錐體直徑A的直徑相一致。
錐形縱向部分110所包含的錐形空腔以及與該錐形空腔相接的、由端部120所包含的圓柱形空腔皆用於接收軋機機架中相應的、採用互補設計的軋輥軸頸。外部呈圓柱形的軸頸襯套的外徑為D。軸頸襯套的圓柱形外側透過連接通道113與軸頸襯套內側上的潤滑油槽112連接。
當以此方式得到支承的軋輥運行時，在軸承襯套與軸頸襯套100的側部之間形成由潤滑劑構成的所述的潤滑膜。潤滑劑經由連接通道113進入潤滑油槽112。然而，只要軸頸襯套100緊套在軋輥軸頸上，潤滑劑便會留在潤滑油槽112中，而無法從該處擴散到軸頸襯套與軋輥軸頸之間的接觸面中。
根據本發明，以下內容適用於軸頸襯套100：0.35<3.6/a(D-B)+k*D<0.5 (1)
其中B[m] 大錐體直徑
D[m] 運行外徑
a[m] 錐形縱向部分投影在軸頸襯套的圓柱形外周上的長度
k=0.15[1/m] 滑動係數。
較佳地，下限為0.37(而非0.35)且/或上限為0.49(而非0.5)。
請求保護的下限及上限清楚地圖示於圖2中。其包含了結構上允許的範圍。這意味著，只要軸頸襯套符合包含有請求保護的上限及下限、較佳包含有增大的下限及/或減小的下限之請求保護的式子(1)，軸頸襯套便能實現本發明所欲達成之目的，即有待解決的對立的設計目標。下面將參照圖3至圖5再次對這一對立的設計目標以及本發明所提出的解決方案進行詳細闡述。
圖3是對圖1的補充。在圖3中，軸頸襯套100亦緊套在軋輥軸頸210上。也就是說，軸頸襯套100的錐形縱向部分110無間隙地套設在基本互補的錐形軋輥軸頸部分212上，軸頸襯套的圓柱形端部120套設在軋輥軸頸的圓柱形軋輥軸頸端部214上。軸頸襯套100與軋輥軸頸210之間存在基本的摩擦配合，意即，軸頸襯套100基於既有的靜摩擦而與軋輥軸頸210一起旋轉。由至少一個配合鍵20確保該旋轉式摩擦配合耦合，該配合鍵一部分位於軸頸襯套內側的軸向定向的凹槽122中，另一部分位於軋輥軸頸外側的軸向延伸的凹槽216中。配合鍵20以軸向間隙Sa及/或徑向間隙Sr安裝在此等兩個凹槽122、216中。
在軸向上，軸頸襯套100由彈簧圈220及固定環230固定在軋輥軸頸上。
圖3示出軸頸襯套及軋輥軸頸在無負載狀態(即，不受軋製力作用，或者受到軋製力作用，但軋製力較低，不會導致軸頸襯套變形)下的狀況。在此狀態下，軸頸襯套與軋輥軸頸之間未形成潤滑膜。
圖4示出軋製操作期間旋轉著的軸頸襯套與靜止不動的軸承襯套之間的軸承間隙中所出現的真實壓力分佈。舉例來說，此處所示的壓力分佈係針 對以下情形：套設有軸頸襯套100的軋輥軸頸210可旋轉地支承在軋機機架中，並且在軋製操作期間沿箭頭方向旋轉；參見圖4中的左圖與右圖。必須認識到，軸承所受到的壓力負荷，特別是軸頸襯套所受到的壓力負荷絕非均勻地分佈在圓周上，而是在軸頸襯套的與軋製力作用FR相對的表面區域內形成負荷最大值M。
圖4所示的壓力分佈在軋製操作期間基本上在圓周角範圍內是靜態的(ortsfest)，至少在軋製力FR的作用方向不改變的情況下是如此。這與原則上可以改變軋製力絕對值的事實並不矛盾。
所述靜態壓力分佈會產生以下結果：軋輥軸頸或一同旋轉的軸頸襯套之表面上的一個點只有在旋轉過程中穿過圖4所示的具有較高之最大壓力負荷M的壓力區域時，才會受到圖中所示的高壓力負荷。在此情形中，即在通過具有高壓力負荷的角度範圍時，由軋製力FR所產生的、沿徑向作用於軸頸襯套的壓力FP，特別是結合錐形縱向部分110而產生的下坡力FH，可能會變得如此之大，以至於軸頸襯套100如圖5所示發生局部位移或變形。局部變形係指：特別是當前在旋轉過程中穿過高壓力負荷M之區域的軸頸襯套部分，在軋輥軸頸上沿下坡力FH的方向位移或變形，從而局部與軋輥軸頸分離。
當軸頸襯套與軋輥軸頸210分離時，在軸頸襯套100與軋輥軸頸210之間形成微觀上狹窄的、局部受限的潤滑劑間隙130。這個微觀上狹窄的潤滑劑間隙130亦絕非在整個圓周上延伸，而是基本上沿周向侷限於圖4所示的高壓力負荷區域。因此，在通過高壓力負荷M之角度範圍的過程中，如圖4所示，潤滑油從軸承襯套與軸頸襯套100之間的實際潤滑膜中經由連接通道113被壓入潤滑油槽112中，並且如圖5所示從該處被壓入所述潤滑劑間隙130中。同樣如圖5所示，軸頸襯套100的通過高壓力負荷之角度範圍的部分在壓力FP作用下以如下方式變形：該部分在潤滑劑膜130上滑動並壓抵彈簧圈220，使彈簧圈亦變形。在變形/位移過程中，如圖5所示，配合鍵由於軋輥軸頸的位移而被壓入其極限，藉此 對配合鍵20在軸頸襯套中的凹槽122中及/或在軋輥軸頸中的凹槽216中的軸向間隙及徑向間隙Sa、Sr加以利用。
值得注意的是，軸頸襯套在相對一側(圖5中的下部)僅發生輕微變形，因而幾乎無變化地與軋輥軸頸過盈配合，未形成潤滑劑間隙。
本發明按照式子(1)對軸頸襯套100所進行的設計，一方面保證了所述潤滑劑間隙130的形成，該潤滑劑間隙確保軸頸襯套與軋輥軸頸之間的潤滑油不被局部限制於潤滑油槽112的區域，而是亦分佈到潤滑油槽112之間的區域中。儘管軸頸襯套基本上仍緊套在軋輥軸頸上，但這是需要的，以免出現先前技術中習知的微觀磨損(Fretting)，即在通過高壓力負荷的角度範圍時會在軸頸襯套與軋輥軸頸之間的接觸面區域出現的微觀磨損。藉由潤滑劑間隙130防止此磨損，而實現或促進潤滑劑間隙的方式則是使下坡力FH變得儘可能大。具體來說，大、小錐體直徑B、A之間的差異越大，下坡力就越大。另一方面，下坡力FH又不能變得過大，否則彈簧圈220及固定環230將無法再吸收下坡力FH並將其導出到軋輥軸頸210中。在最壞的情況下，即若下坡力FH變得過大，則圓柱形軋輥軸頸端部214有可能沿軸向脫離錐形軋輥軸頸部分212。
如前所述，按照式子(1)對軸頸襯套100所進行的結構設計確保能實現或達到兩個對立的設計目標。
圖5所示的兩個從右指向固定環230的箭頭係代表下坡力FH的反作用力FG，當下坡力透過固定環230被導出到軋輥軸頸210中時，該反作用力必須被軋輥軸頸，特別是被圓柱形軋輥軸頸端部214吸收。
20:配合鍵
100:軸頸襯套
110:錐形縱向部分
122:用於配合鍵的凹槽
130:潤滑劑間隙
200:軋輥
210:軋輥軸頸
214:圓柱形軋輥軸頸端部
216:用於配合鍵的凹槽
220:彈簧圈
230:固定環
FG:下坡力FH的反作用力
FP:由軋製力FR產生的壓力
FH:下坡力

Claims (8)

  1. 一種作為軋機機架中油膜軸承一部分的軸頸襯套(100)，用於接收軋輥的錐形軋輥軸頸，特別是支撐輥的錐形軋輥軸頸；其中該軸頸襯套：可在該軋機機架所施加的軋製力作用下發生彈性變形；外側呈圓柱形，且具有運行外徑(D)；具有內部呈錐形的縱向部分(110)，該錐形縱向部分在其內側沿著錐體長度(a)呈錐形，具有大錐體直徑(B)及錐角(ß)，以接收該軋輥的該錐形軋輥軸頸；並且其中該錐形縱向部分(110)在其內側具有潤滑油槽(112)，以便將潤滑劑送入該軸頸襯套的內側與該錐形軋輥軸頸的外側之間的空隙中；其特徵在於，以下內容適用於該軸頸襯套(100)：
    Figure 111116502-A0305-02-0013-2
     其中k=0.15/m為滑動係數。
  2. 如請求項1所述之軸頸襯套(100)，其特徵在於，以下內容適用於該軸頸襯套(100)：0.37<3.6/a(D-B)+kD<0.49 (2)。
  3. 如請求項1或2所述之軸頸襯套(100)，其特徵在於，中空圓柱形端部(120)以內徑對齊的方式在該錐形縱向部分的最小錐體直徑(A)之處與該錐形縱向部分相接。
  4. 如請求項1或2所述之軸頸襯套(100)， 其特徵在於，該軸頸襯套(100)在其內側具有用於部分接收配合鍵(20)的凹槽(122)。
  5. 如請求項3所述之軸頸襯套(100)，其特徵在於，該軸頸襯套(100)在其內側具有用於部分接收配合鍵(20)的凹槽(122)。
  6. 一種軋機機架，具有：至少一個被設計成油膜軸承的軸承殼體，該油膜軸承具有如請求項1至5中任一項所述之內部呈錐形的軸頸襯套(100)；以及至少一個軋輥(200)，該軋輥的軋輥軸頸(210)形成有錐形軋輥軸頸部分(212)，並且較佳亦形成有圓柱形軋輥軸頸端部(214)，以便被接收在該軸頸襯套(100)中，其中該軸頸襯套與該軋輥軸頸一起可旋轉地支承在該軸承殼體中，較佳在該軸承殼體中的軸承襯套中。
  7. 如請求項6所述之軋機機架，其特徵在於，該軋輥軸頸(210)在其外側具有凹槽；其中設有配合鍵(20)，該配合鍵的第一部分被接收在該軸頸襯套(100)內側的凹槽中，且該配合鍵的第二部分被接收在該軋輥軸頸(210)外側的凹槽(216)中；並且該等兩個凹槽中的至少一者相關於該配合鍵(20)的尺寸被尺寸設計成使得該配合鍵(20)在無負載狀態下，特別是在軋製操作以外，以軸向間隙Sa>0.0mm且徑向間隙Sr>0.5mm而安裝在該等凹槽中。
  8. 如請求項7所述之軋機機架，其特徵在於， 該軸頸襯套(100)藉由固定環(230)以及沿軸向佈置在該軸頸襯套(100)與該固定環(230)之間的彈簧圈(220)固定在該軋輥軸頸上，以防止從該軋輥軸頸(210)上軸向滑落；並且該彈簧圈(220)的彈簧率被設計成使得：該軸承受到最大負荷時，所產生的以已知錐角計算的下坡力導致該軸頸襯套發生1/10mm，較佳為3/10mm的軸向最小位移。
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