高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置及方法与流程

1.本发明属于冷轧管机技术领域，具体涉及高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置及方法。


背景技术：

2.冷轧管机是生产精密无缝管的主要加工设备，所采用的工艺为经典的周期轧制方法，因此轧制过程中运动质量不可避免的产生惯性力和惯性力矩，而惯性力与惯性力矩既与运动质量有关系，同时运动质量往复运动的频次对惯性力的影响更大。欲提高冷轧管设备的生产速度，必须优化机架总成的质量，在满足强度和刚度要求的前提下，尽量做到最小。同时必须采取有效的惯性力平衡手段，以便高速轧制时将曲轴传动系统传递到设备基础上的力减小。现有技术中的两辊高速冷轧管机通常采用双轴平衡方式，即曲轴轴系和平衡轴轴系，曲轴轴系和平衡轴轴系上各设置有数块扇形平衡块，两个轴系之间通过一对大齿轮啮合，保证两个轴系上的扇形块反向旋转。无论是国内高速冷轧管机还是代表世界先进水平的西马克meer公司的kpw系列轧机均采用了此种惯性力平衡方法，在中小机型上，meer公司近年来采用了kpwlc+的平衡技术，该技术取消了一对传动大齿轮，两根驱动轴分别由两个大功率力矩电机直接驱动，两根轴系间无任何的机械连接措施，完全依靠电气措施实现两轴扇形块相位的控制。该传统双轴平衡方式存在的主要问题有：由于需要一对大齿轮的啮合传动，曲轴传动装置沿轧制方向的长度势必很大，因此曲轴传动装置的重量非常庞大，设备投资居高不下，即使kpwlc+的平衡措施中不需要啮合的大齿轮，但由于两根轴上的扇形块的旋转半径与大齿轮相当，曲轴传动系装置的外形尺寸并没有得到明显的减小。双轴平衡系统的另一个不足是平衡力作用在两根轴上，虽然对曲轴传动装置整体而言，残余惯性力得到了有效的减小，但是每个轴系上的应力幅值却无法减小，因此工作中曲轴轴系及各联结件均承受交变的应力载荷，造成曲轴及轴承等重要部件的过早破坏。


技术实现要素：

3.本发明提供了高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置及方法，目的之一在于提供一种减少平衡轴轴系的占位，并减小曲轴传动装置结构重量的平衡装置及方法；目的之二在于提供一种能够减小曲轴上作用的力的峰值，延长关键部件的寿命的平衡装置及方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，至少包括机架总成；还包括驱动电机、联轴器、高速轴、第一齿轮、第二齿轮、连杆机构、惰轮、惰轮轴、第一平衡机构、大齿轮、曲轴、第二平衡机构和底座；所述底座固定连接在机架总成的一侧，底座上固定连接有曲轴箱体；所述驱动电机通过联轴器与高速轴连接，高速轴通过轴承连接在曲轴箱体上；所述第一齿轮和第二齿轮均固定连接在高速轴上；所述的曲轴通过轴承连接在曲轴箱体上，且曲轴与高速轴平行设置；所述大齿轮固定连接在曲轴上，且与第二齿轮啮合；所述惰
轮通过惰轮轴连接在底座上，惰轮分别与第一平衡机构和第一齿轮啮合；所述第一平衡机构通过轴承连接在曲轴；所述第二平衡机构固定连接在曲轴上；所述连杆机构可转动的连接在机架总成和曲轴之间。
6.所述的第一齿轮的模数小于第二齿轮的模数。
7.所述的第一平衡机构包括第一扇形块和平衡齿轮；所述的平衡齿轮通过轴承与曲轴连接，且与惰轮啮合，并与大齿轮置于曲轴的同侧；所述第一扇形块固定连接在平衡齿轮上；平衡齿轮的旋转方向与曲轴的旋转方向相反，但旋转角速度相同。
8.所述的平衡齿轮和惰轮的模数均小于第二齿轮的模数，且平衡齿轮的齿数与第一齿轮的传动比等于大齿轮与第二齿轮的传动比。
9.所述的第一扇形块设置一组或两组。
10.所述的连杆机构包括两组连杆；两组连杆平行设置；每组的连杆的一端通过轴承与机架总成连接，另一端通过轴承连接在曲轴的曲拐处。
11.所述第二平衡机构包括四组第二扇形块；四组第二扇形块均匀的固定连接在曲轴的一侧。
12.高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡方法，采用高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，包括如下步骤
13.步骤一：驱动电机启动，带动第一齿轮和第二齿轮与高速轴同步旋转；
14.步骤二：第二齿轮通过大齿轮驱动曲轴旋转，同时第一齿轮经惰轮带动第一平衡机构中的平衡齿轮绕曲轴轴线旋转，从而带动第一平衡机构中的第一扇形块也绕曲轴轴线旋转；
15.步骤三：曲轴的旋转经连杆带动机架总成作周期性的往复直线运动，机架总成在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力，分别由曲轴上的第一扇形块和第二扇形块予以平衡，实现机架总成的高速周期轧制。
16.有益效果：
17.(1)本发明通过在高速轴和曲轴之间增加的一组平衡轮系，将双轴平衡轴系中的平衡轴及扇形块集成到曲轴轴系上，该平衡方法既继承了双轴平衡的平衡效果，还大大减小了沿轧制方向曲轴传动系统的尺寸及设备重量，可大幅度减轻设备的投资。
18.(2)本发明较大幅度减小了作用到曲轴上的交变力和弯矩，延长了曲轴及轴承等重要部件的服役寿命，提高了设备的可靠性，降低了维护成本。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明中平衡装置的传动示意图。
22.图2本发明中平衡装置的侧面剖视图。
23.图中：1、驱动电机；2、联轴器；3、高速轴；4、第一齿轮；5、第二齿轮；6、连杆；7、机架总成；8、惰轮；9、惰轮轴；10、第一扇形块；11、平衡齿轮；12、大齿轮；13、第二扇形块；14、曲轴；15、底座。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例一：
26.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，至少包括机架总成7；还包括驱动电机1、联轴器2、高速轴3、第一齿轮4、第二齿轮5、连杆机构、惰轮8、惰轮轴9、第一平衡机构、大齿轮12、曲轴14、第二平衡机构和底座15；所述底座15固定连接在机架总成7的一侧，底座15上固定连接有曲轴箱体；所述驱动电机1通过联轴器2与高速轴3连接，高速轴3通过轴承连接在曲轴箱体上；所述第一齿轮4和第二齿轮5均固定连接在高速轴3上；所述的曲轴14通过轴承连接在曲轴箱体上，且曲轴14与高速轴3平行设置；所述大齿轮12固定连接在曲轴14上，且与第二齿轮5啮合；所述惰轮8通过惰轮轴9连接在底座15上，惰轮8分别与第一平衡机构和第一齿轮4啮合；所述第一平衡机构通过轴承连接在曲轴14；所述第二平衡机构固定连接在曲轴14上；所述连杆机构可转动的连接在机架总成7和曲轴14之间。
27.在实际使用时，驱动电机1启动，带动第一齿轮4和第二齿轮5与高速轴3同步旋转；第二齿轮5通过大齿轮12驱动曲轴14旋转，同时第一齿轮4经惰轮8带动第一平衡机构绕曲轴14轴线旋转但与曲轴14的旋转不同步；第二平衡机构与曲轴14同步旋转。曲轴14的旋转经连杆机构带动机架总成7作周期性的往复直线运动，机架总成7在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力，分别由曲轴14上的第一平衡机构和第二平衡机构予以平衡，实现机架总成7的高速、周期、稳定的轧制。
28.本发明的技术方案与传统技术方案相比，大大减小了曲轴、曲轴轴承以及轴承座上的力和应力幅值，延长了曲轴的使用寿命，减小了高速轧制时曲轴的振动，单曲轴的设计大大缩短了高速冷轧管机曲轴传动系统沿轧制方向的长度，有效减小了设备重量和投资。
29.实施例二：
30.根据图1所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例一不同之处在于：所述的第一齿轮4的模数小于第二齿轮5的模数。
31.在实际使用时，第一齿轮4的模数小于第二齿轮5的模数的设计，首先可以保证该机构的成功实施，其次由于第一齿轮4只用于传递第一平衡机构的运动，对轧制过程的金属变形不参与做功，该设计更加合理。
32.实施例三：
33.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例一不同之处在于：所述的第一平衡机构包括第一扇形块10和平衡齿轮11；所述的平衡齿
轮11通过轴承与曲轴14连接，且与惰轮8啮合，并与大齿轮12置于曲轴14的同侧；所述第一扇形块10固定连接在平衡齿轮11上；平衡齿轮11的旋转方向与曲轴14的旋转方向相反，但旋转角速度相同。
34.进一步的，所述的平衡齿轮11和惰轮8的模数均小于第二齿轮5的模数，且平衡齿轮11的齿数与第一齿轮4的传动比等于大齿轮12与第二齿轮5的传动比。
35.在实际使用时，第一平衡机构采用上述技术方案，保证了平衡齿轮11的旋转方向与曲轴14的旋转方向相反，但旋转角速度相同，从而与第二平衡机构配合，实现机架总成7在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力的平衡，实现机架总成7的高速、周期、稳定的轧制。
36.实施例四：
37.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例三不同之处在于：所述的第一扇形块10设置一组或两组。
38.在实际使用时，在第一扇形块10设置个数可以更具实际情况来确定，保证第一扇形块10与第二平衡机构的配合，平衡机架总成7在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力，使得机架总成7能够高速、周期、稳定的进行轧制生产。
39.实施例五：
40.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例一不同之处在于：所述的连杆机构包括两组连杆6；两组连杆6平行设置；每组的连杆6的一端通过轴承与机架总成7连接，另一端通过轴承连接在曲轴14的曲拐处。
41.在实际使用时，连杆机构的设置，使得在曲轴14的旋转通过连杆机构传递给机架总成7，实现机架总成7周期性的往复直线运动。
42.连杆机构中设置有两组连杆6，保证了曲轴14的旋转力能够稳定且平衡的传递给机架总成7。
43.实施例六：
44.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例一不同之处在于：所述第二平衡机构包括四组第二扇形块13；四组第二扇形块13均匀的固定连接在曲轴14的一侧。
45.在实际使用时，第二平衡机构采用上述技术方案，可以充分利用大齿轮12的旋转半径，平衡曲轴14的受力状况，优化曲轴14作用到曲轴箱体上的力的分布。
46.实施例七：
47.根据图1和图2所示的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，与实施例一不同之处在于：所述的第一平衡机构包括第一扇形块10和平衡齿轮11；所述的平衡齿轮11通过轴承与曲轴14连接，且与惰轮8啮合，并与大齿轮12置于曲轴14的同侧；所述第一扇形块10固定连接在平衡齿轮11上；平衡齿轮11的旋转方向与曲轴14的旋转方向相反，但旋转角速度相同；所述的平衡齿轮11和惰轮8的模数均小于第二齿轮5的模数，且平衡齿轮11的齿数与第一齿轮4的传动比等于大齿轮12与第二齿轮5的传动比；所述的第一齿轮4的模数小于第二齿轮5的模数；所述的第一扇形块10设置一组或两组；所述的连杆机构包括两组连杆6；两组连杆6平行设置；每组的连杆6的一端通过轴承与机架总成7连接，另一端通过轴承连接在曲轴14的曲拐处；所述第二平衡机构包括四组第二扇形块13；四组第二扇形块
13均匀的固定连接在曲轴14的一侧。
48.在实际使用时，第一齿轮4和第二齿轮5均固定安装在高速轴3上，并随高速轴3同步旋转；大齿轮12与曲轴14固定连接并与第二齿轮5啮合，将驱动电机1输入的动力传递给曲轴14；第二扇形块13有四组，均固定安装到曲轴14上，并跟随曲轴14同步旋转；平衡齿轮11与大齿轮12同侧安装在曲轴上，与大齿轮12的联接方式不同的是，平衡齿轮11通过轴承与曲轴14联接，因此，平衡齿轮11不跟随曲轴14旋转；第一扇形块10与平衡齿轮11固定相连，并跟随平衡齿轮11绕曲轴轴线旋转。
49.驱动电机1启动，带动第一齿轮4和第二齿轮5与高速轴3同步旋转，驱动电机1输入的动力通过第二齿轮5经大齿轮12传递给曲轴14，曲轴14旋转通过连杆6带动机架总成7做周期往复直线运动；第一齿轮4通过惰轮8带动平衡齿轮11绕曲轴14是轴线旋转，从而带动第一扇形块10也绕曲轴14的轴线旋转。机架总成7通过连杆6在驱动电机1带动下作周期往复直线运动中产生的水平惯性力，将分别由曲轴14上的第一扇形块10和第二扇形块13予以平衡，从而实现机架总成的高速、稳定的周期轧制。
50.本发明通过在高速轴3和曲轴14之间设置的第一平衡机构，将现有技术中双轴平衡轴系中的平衡轴及扇形块集成到曲轴上。本发明既继承了双轴平衡的平衡效果，还大大减小了沿轧制方向曲轴传动系统的尺寸及设备重量，可大幅度减轻设备的投资，同时较大幅度减小了作用到曲轴14上的交变力和弯矩，延长了曲轴14及轴承等重要部件的服役寿命，提高了设备的可靠性，降低了维护成本。
51.实施例八：
52.参照图1和图2，高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡方法，采用高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，包括如下步骤
53.步骤一：驱动电机1启动，带动第一齿轮4和第二齿轮5与高速轴3同步旋转；
54.步骤二：第二齿轮5通过大齿轮12驱动曲轴14旋转，同时第一齿轮4经惰轮8带动第一平衡机构中的平衡齿轮11绕曲轴14轴线旋转，从而带动第一平衡机构中的第一扇形块10也绕曲轴14的轴线旋转；
55.步骤三：曲轴14的旋转经连杆6带动机架总成7作周期性的往复直线运动，机架总成7在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力，分别由曲轴14上的第一扇形块10和第二扇形块13予以平衡，实现机架总成7的高速周期轧制。
56.本发明有较好的平衡效果，大大减小了沿轧制方向曲轴传动系统的尺寸及设备重量，可大幅度减轻设备的投资，同时较大幅度减小了作用到曲轴14上的交变力和弯矩，延长了曲轴14及轴承等重要部件的服役寿命，提高了设备的可靠性，降低了维护成本。
57.在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
58.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
59.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
60.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，至少包括机架总成(7)；其特征在于：还包括驱动电机(1)、联轴器(2)、高速轴(3)、第一齿轮(4)、第二齿轮(5)、连杆机构、惰轮(8)、惰轮轴(9)、第一平衡机构、大齿轮(12)、曲轴(14)、第二平衡机构和底座(15)；所述底座(15)固定连接在机架总成(7)的一侧，底座(15)上固定连接有曲轴箱体；所述驱动电机(1)通过联轴器(2)与高速轴(3)连接，高速轴(3)通过轴承连接在曲轴箱体上；所述第一齿轮(4)和第二齿轮(5)均固定连接在高速轴(3)上；所述的曲轴(14)通过轴承连接在曲轴箱体上，且曲轴(14)与高速轴(3)平行设置；所述大齿轮(12)固定连接在曲轴(14)上，且与第二齿轮(5)啮合；所述惰轮(8)通过惰轮轴(9)连接在底座(15)上，惰轮(8)分别与第一平衡机构和第一齿轮(4)啮合；所述第一平衡机构通过轴承连接在曲轴(14)；所述第二平衡机构固定连接在曲轴(14)上；所述连杆机构可转动的连接在机架总成(7)和曲轴(14)之间。2.如权利要求1所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述的第一齿轮(4)的模数小于第二齿轮(5)的模数。3.如权利要求1所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述的第一平衡机构包括第一扇形块(10)和平衡齿轮(11)；所述的平衡齿轮(11)通过轴承与曲轴(14)连接，且与惰轮(8)啮合，并与大齿轮(12)置于曲轴(14)的同侧；所述第一扇形块(10)固定连接在平衡齿轮(11)上；平衡齿轮(11)的旋转方向与曲轴(14)的旋转方向相反，但旋转角速度相同。4.如权利要求3所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述的平衡齿轮(11)和惰轮(8)的模数均小于第二齿轮(5)的模数，且平衡齿轮(11)的齿数与第一齿轮(4)的传动比等于大齿轮(12)与第二齿轮(5)的传动比。5.如权利要求3所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述的第一扇形块(10)设置一组或两组。6.如权利要求1所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述的连杆机构包括两组连杆(6)；两组连杆(6)平行设置；每组的连杆(6)的一端通过轴承与机架总成(7)连接，另一端通过轴承连接在曲轴(14)的曲拐处。7.如权利要求1所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，其特征在于：所述第二平衡机构包括四组第二扇形块(13)；四组第二扇形块(13)均匀的固定连接在曲轴(14)的一侧。8.高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任意一项所述的高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置，包括如下步骤：步骤一：驱动电机(1)启动，带动第一齿轮(4)和第二齿轮(5)与高速轴(3)同步旋转；步骤二：第二齿轮(5)通过大齿轮(12)驱动曲轴(14)旋转，同时第一齿轮(4)经惰轮(8)带动第一平衡机构中的平衡齿轮(11)绕曲轴(14)轴线旋转，从而带动第一平衡机构中的第一扇形块(10)也绕曲轴(14)轴线旋转；步骤三：曲轴(14)的旋转经连杆(6)带动机架总成(7)作周期性的往复直线运动，机架总成(7)在周期性的往复直线运动中产生的水平惯性力，分别由曲轴(14)上的第一扇形块(10)和第二扇形块(13)予以平衡，实现机架总成(7)的高速周期轧制。

技术总结
本发明属于冷轧管机技术领域，具体涉及高速冷轧管机曲轴扇形块同轴双向旋转的平衡装置及方法。本发明通过机架总成、驱动电机、联轴器、高速轴、第一齿轮、第二齿轮、连杆机构、惰轮、惰轮轴、第一平衡机构、大齿轮、曲轴、第二平衡机构和底座有机构成。本发明通过在高速轴和曲轴之间设置的第一平衡机构，将现有技术中双轴平衡轴系中的平衡轴及扇形块集成到曲轴轴系上。本发明既继承了双轴平衡的平衡效果，还大大减小了沿轧制方向曲轴传动系统的尺寸及设备重量，可大幅度减轻设备的投资，同时较大幅度减小了作用到曲轴上的交变力和弯矩，延长了曲轴及轴承等重要部件的服役寿命，提高了设备的可靠性，降低了维护成本。降低了维护成本。降低了维护成本。


技术研发人员：赵铁勇 纪松山 曾祥杰 凡明
受保护的技术使用者：中国重型机械研究院股份公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/10/15