一种高速旋转铝合金热辊的制作方法

本实用新型属于高速牵伸用热辊技术领域，具体涉及一种高速旋转铝合金热辊。

背景技术：

目前化纤行业的牵伸热辊的加热方式都是采用电磁感应加热，辊体采用钢体材料，输入高频电流的感应线圈产生交变磁场对辊体加热，属于高效的直接加热方式。感应线圈和辊体的排列方式有如下几种，一种是单区感应线圈加热，其感应线圈轴向长度和辊体长度相当，直接对辊体内表面加热，再通过辊体传热至辊体外表面。这种方式由于磁场分布均匀度不好，而且热辊轴向长度受到限制（小于170mm），故有如中国专利cn2258173y多区感应式热牵伸辊的改进，它由导丝盘、多区感应线圈、多路测温传感器、多路温度变送器组成；可根据工作区长度的要求(120～280mm)，分别选用2-7区感应线圈直接对热辊辊体加热，再由多路温度变送器将测温传感器检测到的各区的温度送入控制系统，以使各测量点温度在设定的工作温度上达到平衡。它可使辊体表面温度均匀性达到±1～2℃的要求，可用在民用丝、工业丝纺牵联合机上的纺丝速度1000-6000m/min工业生产中。

另一种是蒸气夹套式，使用电磁感应加热辊体，使夹套内的液体受热后的气化，并达到气-液相变的平衡，借助气相快速传输热量的方式来保证工作区温度的均匀，温度差异可达到土1℃以下。但它仍属于单区感应式热牵伸辊装置，即感应线圈长度和辊体长度相当，辊体质量大，对电机轴的应力大，辊体轴向长度受到限制。

感应加热的深度与交变电流的频率有反向关系，即频率高，加热深度浅。在蒸汽夹套加热传热方式中，热辊高速旋转后由于离心力的作用，夹套中的液体处于辊体外侧，感应加热处于辊体内侧，为了达到对液体有效加热，加热深度必须有要求，所以这种方式一般都采用工频50hz的交变电流，但它会影响加热效率，当局部辊面热负荷一旦增加很多，辊面温度也难均匀。

另外，以上都属于热辊全长度加热方式，热辊是钢制材料，绕制线圈的铁芯的比重也很大，其质量随辊体长度是线性关系，但对电机轴所受到的应力却是平方关系，因此辊体的长度受到极大的限制。

再一种方式是在感应加热原理不变的前提下，减小感应加热段的长度，例如其长度控制在热辊轴向长度的二分之一以下。热辊一端封闭，另一端打有众多热管斜孔，每个热管斜孔根部联通，整体封口。热辊的感应加热铁素体不锈钢钢套长度为辊体总长的30～45%，加热方式为高频电磁加热，加热对象为液态介质。

并且，热管采用斜孔设计，热管斜孔的角度是加热段的b端斜孔在靠近辊面外侧（半径大），a端在靠近辊面内侧（半径小）。理论上，在热辊高速运行过程中，a端冷凝下来的热媒液体受离心力作用可以快速流回b端加热段，重新接受热量进行气化。

但这个技术方案还存在如下问题：辊体仍然是可以由感应线圈加热的钢体，质量仍然很大；钢质材料辊体的传热差。

热管斜度与热媒液体回流速度有关，斜度小，离心力小，回流速度就慢；特别的，当由于半径差异获得的离心力小到不能克服液体在热管壁的摩擦力时，回流就不能进行。因此，斜孔的最小斜度受热管壁对液体的摩擦系数限制，而增加热媒液体回流速度的最大斜度又受到钢质材料的传热系数和辊体质量的制约

因此，上述采用钢质材料的斜孔热管技术方案中，仍然存在热辊质量大、电机轴应力大，辊体壁厚和长度受到限制材料导热系数低、传热慢，热管斜度受到限制、热媒液体回流速度受限制，热管内壁加工要求高（减少内壁液体流动的摩擦）,每个热管孔到辊外表面的距离难以保持一致。

因此，亟需开发一种新的高速旋转铝合金热辊，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高速旋转铝合金热辊。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高速旋转铝合金热辊，其包括：电机机构、感应发热机构、铝合金辊体和温度控制单元；其中所述电机机构包括：高速永磁电机和电机轴；所述铝合金辊体上固定有不锈钢连接锥套，所述电机轴通过不锈钢连接锥套与铝合金辊体相连，所述感应发热机构固定在连接座上，且所述感应发热机构设置在铝合金辊体一端内孔中，即所述高速永磁电机驱动电机轴转动，以带动铝合金辊体转动，并由温度控制单元控制感应发热机构对铝合金辊体感应加热。

进一步，所述感应发热机构包括：高频感应线圈组件；所述高频感应线圈组件接入高频电流以产生交变磁场对铝合金辊体加热。

进一步，所述铝合金辊体上的加热段内表面嵌有铁素体不锈钢钢套，所述高频感应线圈组件通过感应加热铁素体不锈钢钢套，以将热量传导至铝合金辊体上。

进一步，所述铝合金辊体内开设有若干环布在铝合金辊体四周且沿铝合金辊体轴向设置的热管孔；各热管孔的一端靠近高速永磁电机，各热管孔远离高速永磁电机的一端在铝合金辊体内联通，且通过堵环将各热管孔与铝合金辊体封口。

进一步，所述温度控制单元包括温度变送器和温度传感器；所述温度控制单元的温度传感器内嵌于铝合金辊体上；所述温度变送器安装在高速永磁电机上，且温度变送器与感应发热机构电性相连，所述温度变送器和温度传感器控制感应发热机构。

进一步，所述高速旋转铝合金热辊还包括：超温保护器；所述超温保护器安装在连接座上，且超温保护器的探头与铝合金辊体端面非接触；所述超温保护器适于检测铝合金辊体端面温度数据，并根据铝合金辊体端面温度数据控制高频感应线圈组件断开及报警。

进一步，所述热管孔采用斜孔，且各热管孔远离高速永磁电机端至热管孔靠近高速永磁电机端的斜度为0.5°-2.5°，且其斜度方向是靠近高速永磁电机端的热管孔靠近铝合金辊体外表面，热管孔数量为20-80，相邻热管孔间距为6mm-20mm，所述铝合金辊体的壁厚度为15mm-60mm，热管孔直径为3mm-15mm；各热管孔与铝合金辊体的中心轴处于同一平面。

进一步，所述铝合金辊体设置加热段、传热段，加热段长度即为感应加热机构对铁素体不锈钢钢套加热的长度，其长度在铝合金辊体长度的20%-45%。

本实用新型的有益效果是，本实用新型通过铁素体不锈钢钢套与铝合金辊体之间采用焊接、螺纹、耐高温胶等紧密固定方式，热管孔的内表面经过降低摩擦系数并进行防蚀表面处理,同时保证每个热管孔到铝合金辊体表面的距离相等，在铝合金辊体的加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢钢套，作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金材质铝合金辊体的高传热性能，将热量传递给热管孔中的热媒介质并气化，通过导热来实现铝合金辊体均匀升温的效果。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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。

图1是本实用新型的高速旋转铝合金热辊的结构图；

图2是本实用新型的铝合金辊体传热的示意图；

图3是本实用新型的铝合金辊体的内部剖视图；

图4是本实用新型的铝合金辊体c处的截面图；

图5是本实用新型的铝合金材料的高温蠕变与所受持续应力的变化图。

图中：

电机机构1、高速永磁电机11、电机轴12、不锈钢连接锥套13、连接座14、感应发热机构2、铝合金辊体3、铁素体不锈钢钢套4、热管孔5、堵环6、温度控制单元7、旋转变压器8、超温保护器9、温度传感器10。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

图1是本实用新型的高速旋转铝合金热辊的结构图。

在本实施例中，如图1所示，本实施例提供了一种高速旋转铝合金热辊，其包括：电机机构1、感应发热机构2、铝合金辊体3和温度控制单元7；其中所述电机机构1包括：高速永磁电机11和电机轴12；所述铝合金辊体3上固定有不锈钢连接锥套13，所述电机轴12通过不锈钢连接锥套13与铝合金辊体3相连，所述感应发热机构2固定在连接座14上，且所述感应发热机构2设置在铝合金辊体一端内孔中，即所述高速永磁电机11驱动电机轴12转动，以带动铝合金辊体3转动，并由温度控制单元7控制感应发热机构2对铝合金辊体3感应加热。

在本实施例中，所述铝合金辊体3采用耐温高强度铝合金材质，耐温高强度铝合金材质的耐温性能为300℃，抗拉强度不低于100mpa，优选为150mpa。。

图2是本实用新型的铝合金辊体传热的示意图。

在本实施例中，如图2所示，图中箭头为传热方向，本实施例通过铁素体不锈钢钢套4与铝合金辊体3之间采用焊接、螺纹、耐高温胶等紧密连接方式，热管孔5的内表面经过降低摩擦系数并进行防蚀表面处理,同时保证每个热管孔5到铝合金辊体3表面的距离相等，在铝合金辊体3的加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢钢套4，作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金材质铝合金辊体3的高传热性能，将热量传递给热管孔5中的热媒介质并气化，通过导热来实现铝合金辊体3均匀升温的效果。

图3是本实用新型的铝合金辊体的内部剖视图。

在本实施例中，所述感应发热机构2包括：高频感应线圈组件；所述高频感应线圈组件接入高频电流以产生交变磁场对铝合金辊体3加热。

在本实施例中，所述高频感应线圈组件的外表面与铁素体不锈钢钢套4内壁的距离为1mm-8mm，优选为为3mm。

在本实施例中，所述铝合金辊体3上的加热段内表面嵌有铁素体不锈钢钢套4，所述高频感应线圈组件通过感应加热铁素体不锈钢钢套4，以将热量传导至铝合金辊体3上。

传统热辊采用钢材质，高频感应线圈组件的感应线圈可以直接对辊体进行加热；而在本实施例中采用铝合金辊体，高频感应线圈组件的感应线圈不能直接加热，因此在铝合金辊体3与感应发热机构2相对应处加热段设置铁素体不锈钢钢套4用于加热；铝合金辊体3由于铝合金材质传热好，加热段可以适当小；整个热辊的重量也可以减轻。

在本实施例中，所述铁素体不锈钢钢套4采用铁素体不锈钢材质,铁素体不锈钢钢套4壁厚为2mm-10mm，优选为3mm。

在本实施例中，铝合金辊体3上设置有铁素体不锈钢钢套4作为加热段，其长度为铝合金辊体3长度的20%-45%，优选为30%。

图4是本实用新型的铝合金辊体c处的截面图。

在本实施例中，如图4所示，所述铝合金辊体3内开设有若干环布在铝合金辊体3四周且沿铝合金辊体3轴向设置的热管孔5；各热管孔5的一端靠近高速永磁电机11，各热管孔5远离高速永磁电机11的一端在铝合金辊体3内联通，且通过堵环6将各热管孔5与铝合金辊体3封口。

图5是本实用新型的铝合金材料的高温蠕变与所受持续应力的变化图。

在本实施例中，如图5所示，铝合金辊体3采用的材质的导热系数对辊面温度均匀分布起重要作用，铝合金的导热系数是钢质材料的4-5倍左右，有很好的传热性能，而铝合金的比重又是钢质材料的约三分之一，对于高速牵伸热辊而言是最合适的材料；但铝合金没有导磁性，在感应磁场作用下不能产生大量的热，在铝合金辊体3加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢钢套4，作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金的高传热性能，将热量传递给热管中的热媒介质并气化；钢套作为加热元件，通过铁素体不锈钢钢套4和铝合金材质铝合金辊体3之间密切联接实现良好传热，使铝合金辊体3升温，并成功解决了铁素体不锈钢钢套4与铝合金辊体3之间的紧密联接方式和加工工艺问题；铝合金辊体3上限温度300℃，牵伸使用温度80℃-250℃；300℃时抗拉强度达到150mpa（即1500个大气压）；铝合金辊体3的高温蠕变与所受持续的应力关系很大，试验条件为温度175℃，试验时间50小时，图中最小分度值为50mpa，即500公斤压力，铝合金辊体3作为高速旋转体，运行过程中可能只有轻微的不均匀外部应力存在，蠕变因素影响小，存在的应力可能就是热管孔5中的热媒蒸汽压力，其压力就不超过1mpa（10公斤），蠕变效应可以忽略。

在本实施例中，铝合金辊体3通过铁素体不锈钢钢套4紧密联接于铝合金辊体3加热段的内壁上，其紧密联接的方式包括采用焊接、螺纹、耐高温胶等方式，铝合金材质的铝合金辊体3与不锈钢材质的铁素体不锈钢钢套4之间的线胀系数有较大的差距，但铝合金材质的铝合金辊体3的伸长率大于不锈钢材质的铁素体不锈钢钢套4，且铁素体不锈钢钢套4设计于铝合金辊体3内侧，根据弹簧原理，铝合金辊体3与铁素体不锈钢钢套4之间的紧密联接不会因为多次的热胀冷缩而发生明显的改变。

在本实施例中，由于铝合金质轻、传热好，铝合金辊体3厚度可以增加、热管孔5斜度可以增大，热管孔5内冷凝的热媒液体可以更快速回流至加热段，依靠铝合金的快速传热、冷凝热媒液体的快速回流、加热段快速传热至液体加热快速气化这三个快速高效，使铝合金辊体3的辊面的温度均匀性、热负荷都得到大幅提高，工艺设计的调整空间很大提高，促进化纤行业高效绿色生产水平的提升；铝合金辊体3采用铝合金材质，铝合金辊体3的质量下降30-40%，运行过程中惯性减小，对电机轴12的应力减小，可以减小整个铝合金热辊的振动。

在本实施例中，各热管孔5靠近高速永磁电机11端不打通(也可打通后再堵塞)，各热管孔5远离高速永磁电机11端通过机加工，使每个热管孔5联通，整体封口。

在本实施例中，所述温度控制单元7包括温度变送器和温度传感器10；所述温度控制单元7的温度传感器10内嵌于铝合金辊体上；所述温度变送器安装在高速永磁电机11上，且温度变送器与感应发热机构2电性相连，，所述温度变送器和温度传感器10控制感应发热机构2，所述温度变送器适于配合温度控制单元7实现感应发热机构2电流频率调节。

在本实施例中，所述高速旋转铝合金热辊还包括：超温保护器9；所述超温保护器9安装在连接座14上，且超温保护器9的探头与铝合金辊体3端面非接触；所述超温保护器9适于检测铝合金辊体3端面温度数据，并根据铝合金辊体3端面温度数据控制高频感应线圈组件断开及报警。

在本实施例中，所述高速旋转铝合金热辊还包括：旋转变压器8；所述旋转变压器8安装在高速永磁电机11的基座上，所述旋转变压器8与高速永磁电机11电性相连；所述旋转变压器8适于调节高速永磁电机11转速精度。

在本实施例中，铝合金辊体3的温度是由高频感应线圈组件的感应线圈通电与否控制，通过超温保护器9能够实现对铝合金辊体3超温保护，由于铝合金比钢材质耐温低，以防止铝合金辊体3超温使辊体软化变形。

在本实施例中，所述热管孔5采用斜孔，且各热管孔5远离高速永磁电机11端至热管孔5靠近高速永磁电机11端的斜度为0.5°-2.5°，且其斜度方向是靠近高速永磁电机端的热管孔靠近铝合金辊体外表面，优选为1°，热管孔5数量为20-80，优选为50，相邻热管孔5间距为6mm-20mm，优选为12mm，所述铝合金辊体3的壁厚度为15mm-60mm，优选为35mm，热管孔5直径为3mm-15mm，优选为7mm；各热管孔5与铝合金辊体3的中心轴处于同一平面。

进一步，所述铝合金辊体设置加热段、传热段，加热段长度即为感应加热机构对铁素体不锈钢钢套加热的长度，其长度在铝合金辊体长度的20%-45%，优选为30%。

实施例2

在本实施例中，采用硅含量为26%、快凝-粉末冶金工艺制得的铝合金材料，其线膨胀系数1.5x10-5/℃，常温抗拉强度290mpa，300℃抗拉强度160mpa；对铝合金材料加工得到铝合金辊体3，从远离高速永磁电机11端进刀打44个斜度为1.2°、直径为6mm、间距为10mm的斜孔，并进行机加工使根部联通后最后进行堵塞；铁素体不锈钢钢套4采用铁素体不锈钢，其长度和高频感应线圈组件的感应线圈的长度相当，占铝合金辊体3总长度的30%；铁素体不锈钢钢套4和铝合金辊体3的联接采用焊接方式，达到紧密联接的效果；高频感应线圈组件产生的高频磁场使铁素体不锈钢钢套4快速发热，并传递给铝合金铝合金辊体3加热段，使加热段迅速升温，热管孔5中加入了热管空腔体积约30%的热媒液体，借助离心力的作用，热媒液体大多集中在铝合金辊体3加热段，液体就会被迅速加热并气化，沿热管孔5向远离高速永磁电机11的一端扩散，冷却的液体沿管壁回流到加热段继续加热和气化，这个过程周而复始，保证提供源源不断的、平稳的热负荷，使铝合金辊体3温度保持在工艺要求的范围内；温度和蒸汽压力相关的，而且在保持一定的压力下，蒸气的温度和液体的温度是相同的，因此整个铝合金辊体3都可以保持基本一致的温度，加入热媒液体的量基本和加热段热管空腔的容积相当，可以保证加热段对热媒的高效加热；使高频感应加热线圈长度和铝合金辊体3加热段长度只有铝合金辊体3长度的一半以下，感应电磁加热系统集中加热液态介质，迅速使电磁涡流产生的热量转化为汽化潜热，最大效率发挥了热管效应；热管孔5内壁做的电化学处理，可以严格防止高温环境下发生热媒介质与铝合金的电化学反应，生成不凝气体产生气阻（即蒸汽压力与温度不一致），使汽液平衡温度均匀的特性失效；铝合金辊体3以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需5分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差土0.5℃(实际为测量误差)；继续升温至180℃，并提高转速至4500rpm，经平衡后实测铝合金辊体3的辊面温度偏差小于1.5℃，体现出了铝合金热辊高效传热优势。

在本实施例中，采用alfevsi快凝-喷射成型-挤压及旋压或锻造工艺制得的铝合金材料，其线膨胀系数2.1x10-5/℃，常温抗拉强度350mpa，300℃抗拉强度180mpa。加工如图示的铝合金辊体3，从远离高速永磁电机11端进刀打44个斜度为0.7°、直径为6mm、间距为12mm的斜孔，进行机加工使根部联通后最后进行堵塞；铁素体不锈钢钢套4采用铁素体不锈钢，其长度和感应线圈的长度相当，占铝合金辊体3总长度的33%，铁素体不锈钢钢套4和铝合金铝合金辊体3之间采用焊接方式紧密联接；感应线圈产生的高频磁场使铁素体不锈钢钢套4快速发热，并传递给铝合金铝合金辊体3加热段，使加热段迅速升温；热管中加入了热管空腔体积约33%左右的热媒液体，借助离心力的作用，热媒液体都集中在铝合金辊体3加热段，液体就会被加热最终气化，沿热管向铝合金辊体3a端扩散，冷却的液体沿管壁回流到加热段继续加热和气化；温度和蒸气压力相关的，而且在保持一定的压力下，蒸汽的温度和液体的温度是相同的，因此整个铝合金辊体3都可以保持基本一致的温度；加入热媒液体的量基本和加热段热管空腔的容积相当，可以保证加热段对热媒的高效加热；通过铝合金材料的高效传热，使高频感应加热线圈长度和铝合金辊体3加热段长度只有铝合金辊体3长度的三分之一左右，感应电磁加热系统集中加热液态介质，迅速使电磁涡流产生的热量转化为汽化潜热，最大效率发挥了热管效应。按上述要求装配好的热辊以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需5分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差±0.5℃(实际为测量误差)；继续升温至180℃，并提高转至6000rpm，经平衡后实测辊面温度偏差小于1.5℃，体现出了铝合金热辊高效传热优势。

在本实施例中，所述铁素体不锈钢钢套4与铝合金辊体3采用焊接、螺纹、耐高温胶等固定连接方式，热管孔5的内表面经过降低摩擦系数及进一步的防蚀表面处理,同时保证每个热管孔5到铝合金辊体3表面的距离相等。

综上所述，本实用新型通过铁素体不锈钢钢套与铝合金辊体之间采用焊接、螺纹、耐高温胶等固定连接方式，热管孔的内表面经过降低摩擦系数并进行防蚀表面处理,同时保证每个热管孔到铝合金辊体表面的距离相等，在铝合金辊体的加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢钢套，作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金材质铝合金辊体的高传热性能，将热量传递给热管孔中的热媒介质并气化，通过导热来实现铝合金辊体均匀升温的效果。

本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。