CN100497972C - 具有由非牛顿流体润滑的支撑在倾斜式流体动力轴承润滑靴状件上的壳体的柔性压紧辊轮 - Google Patents

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Abstract

一种在辊隙处产生均匀压力的柔性压紧辊轮(10)，它包括固定内芯(12)，多个可枢转地安装在该固定内芯(12)上的靴状件(14)，形成多个环形室(18)的分隔件(16)，其中每个靴状件占据其中一个环形室，充满每个环形室的非牛顿流体(70)，多个均移动至少一个靴状件的致动器(66)，以及围绕多个室、靴状件和固定内芯的薄的可转动的壳体(24)。

Description

具有由非牛顿流体润滑的支撑在倾斜式流体动力轴承润滑靴状件上的壳体的柔性压紧辊轮
技术领域
本发明总体上涉及压紧辊轮，尤其是一种可以调节以在薄壳体内变形的柔性压紧辊轮。
背景技术
在制备的特定基片过程中，至少一个表面经过光面精整是很重要的。通常这种光面精整要求有很高的公差。现有技术中对创造光面精整的问题的解决方案一直不能使人完全满意。其中一个现有技术的解决方案一直是使用弹性辊轮。但是弹性辊轮并不能得到与金属辊轮同样高的公差。
另一种现有技术的解决方案是当其经过辊隙时用具有光面精整表面的携带腹板作为基片的衬底材料。这种解决方案的问题是由于携带腹板通常是要被抛弃或再生的，这就增加了生产过程的成本。另一个问题是携带腹板经常被弄皱。
也可以使用具有在弹性衬底之上的带光面精整表面的金属套筒的辊轮。但是这种解决方案也有缺陷。在反复使用后该薄金属套筒会断裂，特别是沿着边缘。
在美国专利NO.5146664(授予Biondetti)中讨论了一种现有技术解决方案。这种所建议的解决方案是使用一组液压活塞。但是，这些液压活塞作用在厚的外壳体体上以修正辊轮的梁弯曲度。所公开的设备是昂贵的并且不能适于所有的应用。
对于压花辊，在辊隙处迅速增加的压力对于将材料压入花纹中是很重要的。显然，当给定辊隙载荷时，小直径的金属壳体将能够产生小的辊隙印迹，从而产生较大的压力。在模压铸造腹板材的变形中，辊隙动作改善了抛光或者有花纹的辊轮表面的复制性。
在理想状态下，辊轮最好是圆柱形的并且将熔化的树脂均匀地分布在其上。实际上，这两个条件都实现不了。对于改善横跨宽度的辊隙载荷来说，需要具备局部调节辊轮形状的能力。因此，腹板材要兼顾厚度和表面的均匀性。自调节辊轮用于需要较大辊隙载荷的造纸业或日历印刷中，但是它们具有最小的传热能力。
需要的是一种辊轮，其能够进行光面精整，具有较小的辊隙印迹，改进后的传热能力以及可以调节。
发明内容
简单地，根据本发明的一个方面，用于在辊隙处产生均匀压力的柔性压紧辊轮包括固定的内芯。多个可枢转地安装在固定内芯上的靴状件。分隔件形成多个环形室，其中每个靴状件占据其中一个室。非牛顿流体充满每个室。多个致动器连接到至少一个靴状件上。一个薄的可转动的壳体围绕多个室、靴状件和固定内芯。
用于在辊隙处产生均匀压力的柔性压紧辊轮包括一个固定的内芯。多个靴状件可枢转地安装到固定的内芯上。分隔件形成多个环形室，其中每个靴状件占据其中一个室，非牛顿流体充满每个室。多个间隙调节装置改变各靴状件与壳体的内表面之间的关系，以改变各室中会聚区(间隙)的形状。一个薄的可转动的壳体围绕多个室、靴状件和固定内芯。
通过调节外壳体和靴状件的弯曲表面之间的间隙，可以实现局部压力变化。在这个间隙中的平均剪切速率与壳体的表面速度除以间隙高度成正比。与所希望的剪切敏感性的流体结合的间隙的外部操作提供了一种方法，其能够在各室中产生局部压力差，从而使薄外壳体局部变形。非牛顿流体表现出一种对于给定的转速壳体的粘度和剪切速度之间的对数关系。在该区域中给定的间隙和表面粘度会在这个会聚区产生一个压力廓线。减小间隙将使剪切速率下降，从而使流体粘性降低和流体动力减小。有限次数的使非牛顿流体变浓的剪切是有效的并且可以使用的，但是这种以间隙减少而增加剪切速率的流体将导致粘性增加及局部压力增加。
从以下对优选实施例的描述中本发明及其目的和优点会变得更加清晰。
附图说明
图1是根据本发明的轴向柔性压紧辊轮的等角示意图，其中通过外壳体取的一部分剖面，以表示出内部组件；
图2A是图1所示的轴向的柔性压紧辊轮在其中一个内部流体流动室的中心处剖开的横截面图；
图2B是图2A所示的靴状件的内表面和外壳体的放大图；
图3是对于不同内压情况下垂直于辊隙点的外壳体的径向变形(UX)的图表；
图4是两个辊轮间形成的辊隙的横截面图；
图5是具有双金属间隙调节机构的轴向柔性压紧辊轮的横截面图；
图6A是具有马达驱动的间隙调节机构的轴向压紧辊轮的横截面图；以及
图6B是具有非牛顿流体区的靴状件的内表面和壳体的放大视图。
具体实施方式
尤其是本发明主要描述根据本发明的设备的部分零部件的形成或者更直接地与其配合的零部件。可以理解，没有特殊表示或描述的零部件可以采用本领域技术人员公知的不同形式。
现在参考图1，柔性压紧辊轮总体上用附图标记10表示。柔性压紧辊轮10通常包括固定内芯12和可枢转地安装在固定内芯12上的多个靴状件14。一系列的非磁性分隔件16形成出多个环形室18，且每个靴状件14占据一个环形室18。
现在参考图1、2A和2B，其中表示出了偏心地安装的靴状件14。靴状件14的一个表面是弯曲的。一个枢转点(或枢轴)15和一个弹簧载荷组件17装接到靴状件14上。在靴状件14的构造过程中采用一种非磁性的、金属材料，但是本发明并不限于这种实施例。靴状件14的表面的曲率(或弯曲)略小于薄壁的外壳体体24的内表面的曲率。这就在这些部件之间的界面(或相互作用表面)处形成一个会聚(或朝彼此收敛)的截面。
柔性压紧辊轮10包括一个非转动的内芯12，其是柔性压紧辊轮10的主要支撑结构。在内芯的构造上采用一种非磁性的、金属材料制成，但是本发明并不限于这类实施例。该内芯12是圆柱形的，其中已经设置有轴向孔19。至少这些孔中的一个用来装放磁场发生器13。在优选实施例中，磁场发生器13与多个靴状件14的每一个相关联。这就允许对薄壁壳体24进行局部调节。在一个替代的实施例中，如图2B所示，一个磁场发生器13可以位于多个靴状件14的每一个中。
轴向孔19用于芯中的传热介质的循环。在径向上形成有一系列的凹穴26，以用来支撑靴状件14。内芯12上的支座可以用来安装轴承20和流体密封件22。
在操作中，在由于薄壁壳体与靴状件的相对速度而产生的剪切力的作用下的粘性流体的流体动力效应显现出会聚部分11内的压力廓线(或分布)。这样的压力作用在薄壁壳体的曲面25和靴状件的曲面27上。作用在靴状件上的压力产生垂直于在压力中心的曲率的作用力。该力受到作用在靴状件14上的弹簧预加载作用力的抵抗。作用在转动的薄壁壳体24上的压力在壳体上产生一个内力。因内部流体动力作用而作用在壳体上的力和外部夹紧力之间的净力差导致在该区域内薄壁壳体的局部变形。
该实施例可能使用小壳体直径的薄壁壳体，因为梁弯曲标准或者壳体变形标准并未指示出壳体的结构设计。由于受到外部夹紧力作用的壳体的表面在内部直接通过由磁流变流体28和靴状件14的相互作用所产生的压力支撑，所以壳体的壁厚可以更薄些。
通过轴承20限制薄壁壳体24绕内芯12的转动。可以通过如图4所示的辊隙点42处的摩擦力或者外部驱动机构使壳体转动。对于给定的会聚界面、相对速度和流体粘度，沿着薄壁壳体的曲面25产生一个均匀压力。与靴状件14相结合的环形室18、磁流变流体28和轴向可变磁场发生器13可受到因流体的粘度变化而产生的可变的流体压力的作用。沿着薄壁壳体施加轴向可变压力的能力导致少量的局部变形变化，并且频率比其它现有技术可能高一些。
图3表示出了有限元计算的结果，其用来在辊隙点的辊轮表面的径向剖面(或轮廓)上形成该装置的可变内压力性能的效果的模型。壳体的尺寸可以用下面的量化特征表示：抗挠刚度大约为1800lb-in，且壳体的厚径比为0.025。抗挠刚度限定为材料弹性模数的乘积和壳体厚度的立方的量除以常量12与1和泊松比平方的差的乘积的量。在该计算中一直使用平均辊隙压力为250psi，该压力沿着与转动轴线平行的局部区域作用在薄壁壳体24上。该变量(UX)是X方向上的径向位移，同时垂直于所作用的辊隙压力区。
带有圆圈形标记的曲线30表示在夹紧(咬合)载荷作用下但是没有内部支撑的情况下所期望的壳体变形。带有三角形标记的曲线32表示在与靴状件14的曲面相同的区域上作用局部压力的效果，其中该靴状件在壳体的中心处施加的平均压力为50psi。具有方形标记的曲线34表示沿着壳体的内表面施加从15psi到20psi范围的有一定剃度(或倾斜)压力所获得的径向变形的实际效果。利用基本流体动力原理可以计算出，当在外壳体体和靴状件的曲面之间的流体粘度大约为10Pa-s，平均剪切率为250l/s时，在该区域能够得到大约为30psi的压力。
图4表示典型的使用挤压铸造腹板成形(extrusion cast webformation)的两个辊轮辊隙点的横截面。一个柔性压紧辊轮10径向被加载到熔化树脂52和第二辊轮40的界面中。利用非接触变形检测器50，如激光三角计或涡流计，可以测量出正在形成的壳体表面变形。通过将一个变形信号54传送到微处理器56，检测数据可以用来控制沿着辊轮的轴线的内部载荷条件，这改变了磁场发生器13中的一个或多个的强度。
除了前面所述的磁流变流体，该设备也可以容纳不具有磁流变性质的其它流体，但是其表现出非牛顿特性(流体的粘度取决于所施加的剪切率)。通过调节外壳体和靴状件的曲面之间的间隙可以得到局部压力变化。该间隙中的平均剪切率与壳体的表面速度除以间隙高度成正比。非牛顿流体在粘度和剪切率之间表示为一个对数关系。与所希望的剪切敏感性质的流体结合的间隙的外部操作提供了在各室中实现局部压力差的另一种方法。
在图5中示出了连同加热件60和粗调节螺杆62的一个双金属致动器58。这种结构提供了一种用来调节靴状件14和薄壁外壳体24之间的间隙的装置。加热件60改变双金属致动器58的温度。温度变化导致可预测的长度变化。粗调节螺杆62用于初始设定间隙和对部件进行预加载。该进出室64提供有线缆通道和进行人工调节的空间。通过利用微处理器控制器56的加热器功率等级或温度控制可以实现间隙的外部操作。
图6A表示出调节靴状件14和薄壁外壳体24之间的间隙的另一种可能构形。当通过与靴状件14的连接件由电机68调节时，线性致动器66的动作将改变靴状件的位置，从而改变间隙。线性致动器66可以是螺杆型机构、凸轮机构或防锁的螺线杆。可选择地，其他间隙调节机构是可能的，且并不限于上述方法。
图6B表示靴状件14、薄壁壳体24和充满非牛顿流体70的界面(或接触面)的放大图。靴状件14的位置相对于薄壁外壳体24的内表面形成一个会聚区。受到剪切的该区域内的非牛顿流体70引起薄壁壳体24的转动。间隙的操作改变了施于流体的剪切率。剪切率的增加(通过减小间隙)将减少用于剪切较薄非牛顿流体的流体沾度。受该操作影响的外体的区域在流体动力压力方面将减小。根据在辊隙区的净压力差，壳体将局部变形。相反地，间隙的增大将导致流体动力压力的增加。如果用剪切较厚的非牛顿流体，则对间隙变化的响应是相反的。特别是，间隙的减小将增加流体粘度和增加流体动力压力。
附图标记列表
10  柔性压紧辊轮
11  会聚区
12  内芯
13  磁场发生器
14  靴状件
15  枢转点
16  非金属分隔件
17  弹簧载荷组件
18  环形室
19  轴向孔
20  轴承
22  密封
24  薄壁外壳体
25  曲面，壳体
26  凹穴
27  曲面，靴状件
28  磁流变流体
30  曲线
32  曲线
34  曲线
40  第二辊轮
42  辊隙
50  变形检测器
52  熔化的树脂
54  信号
56  微处理器
58  双金属致动器
60  加热件
62  粗间隙调节螺杆
64  出入室
66  线性致动器
68  马达
70  非牛顿流体

Claims (28)

1.一种在辊隙处产生均匀压力的柔性压紧辊轮，它包括：
固定内芯；
多个可枢转地安装在所述固定内芯上的靴状件；
形成多个环形室的分隔件，其中每个所述靴状件占据其中一个所述室；
充满每个所述室的非牛顿流体；
多个均与至少一个所述靴状件连接的致动器；和
围绕所述多个室、靴状件和固定内芯的薄的可转动的壳体。
2.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器包括双金属装置。
3.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器包括凸轮。
4.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器包括电机。
5.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器包括螺线管。
6.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器包括步进马达和导螺杆。
7.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器均可以单独调节，以补偿所述薄的可转动的壳体的变形。
8.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器均可以独立调节，以补偿板的厚度的变化。
9.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，因所述薄的可转动的壳体的转动所产生的作用在所述非牛顿流体上的力补偿所述壳体中的变形。
10.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述靴状件中设置有变形检测器。
11.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，涡流检测器检测在所述薄的可转动的壳体中的变形，并且将变形信号提供到微处理器，所述微处理器调节至少一个所述致动器。
12.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，激光检测器检测在所述薄的可转动的壳体中的变形，并且将变形信号提供到微处理器，所述的微处理器调节至少一个所述的致动器。
13.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，所述多个靴状件中的每一个的表面均与所述薄的可转动的壳体的内表面形成会聚区。
14.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，所述多个靴状件中的每一个的表面的曲率均小于所述薄的可转动的壳体的内表面的曲率，以产生会聚区。
15.如权利要求1所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，所述多个靴状件偏心安装。
16.如权利要求1的柔性压紧辊轮，其特征在于，所述靴状件安装在所述固定内芯上。
17.如权利要求1的柔性压紧辊轮，其特征在于，变形检测器检测所述壳体中的变形并且调节至少一个所述致动器，以补偿所述变形。
18.如权利要求17所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，涡流检测器检测在所述壳休中的变形，并且将变形信号提供到微处理器，以调节至少一个所述致动器。
19.如权利要求17所述的柔性压紧辊轮，其特征在于，激光检测器检测在所述壳休中的变形，并且将变形信号提供到微处理器，以调节至少一个所述致动器。
20.一种用于在辊隙处产生均匀压力的柔性压紧辊轮，它包括：
固定内芯；
多个可枢转地安装在所述固定内芯上的靴状件；
形成多个环形室的分隔件，其中每个所述靴状件占据其中一个所述室；
充满每个所述室的非牛顿流体；
多个用于移动所述靴状件的致动器；和
围绕所述多个室、靴状件和固定内芯的薄的金属的、可转动的壳体；
其中每个所述致动器可单独调节，以补偿所述可转动壳体中的变形；和
因所述壳体的转动产生的作用在所述流体上的流体动力补偿所述壳体中的变形。
21.如权利要求20的柔性压紧辊轮，其特征在于，每个所述致动器移动至少一个所述靴状件。
22.如权利要求20的柔性压紧辊轮，其特征在于，所述流体是传热介质。
23.一种用于在辊隙处产生均匀压力的方法，它包括：
提供固定内芯；
将多个靴状件可枢转地安装在所述固定内芯上；
连接多个致动器，其中每个所述靴状件连接一个致动器；
形成多个环形室，其中每个所述靴状件占据其中一个所述室；
用非牛顿流体充满每个所述室；
用薄的可转动的壳体围绕所述多个室、靴状件、致动器和固定内芯；
检测所述壳体中的变形；和
改变至少一个所述致动器的位移，以改变至少一个所述靴状件的位置，校正所述变形。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，使因所述壳体的转动产生的作用在所述流体上的流体动力补偿在所述壳体中的变形。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，使所述流体具有非牛顿粘度特性。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，用涡流检测器检测所述壳体中的变形。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，用激光检测器检测所述壳体中的变形。
28.一种用于产生均匀压力的柔性压紧辊轮，它包括：
固定内芯；
多个可枢转地安装在所述固定内芯上的靴状件；
形成多个环形室的分隔件，其中每个所述靴状件占据其中一个所述室；
充满每个所述室的非牛顿流体；
多个改变每个所述靴状件的位置的致动器；
围绕所述多个室、靴状件和固定内芯的薄的可转动的壳体；
至少一个用于检测在所述薄的可转动的壳体中的变形的检测器；
用于处理壳体变形信息的微处理器；和
调节至少一个所述致动器的位置，以补偿壳体的变形。
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