DE102006009173A1

DE102006009173A1 - Verfahren zum Ermitteln der Walzkraft in einem Walzgerüst und Walzgerüst

Info

Publication number: DE102006009173A1
Application number: DE102006009173A
Authority: DE
Inventors: Ali Bindernagel; Heinrich Dr. Potthoff
Original assignee: Kocks Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Kocks Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-25
Also published as: CN101024231B; AT504951B1; AT504951A1; DE102006009173B4; CN101024231A; RU2007106810A; JP2007222943A; US7497104B2; US20070199358A1; JP4928305B2; RU2436639C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Walzkraft in einem Walzgerüst, - das mindestens eine Walze aufweist, deren Walzenzapfen (bzw. deren Walzenwelle) jeweils in einer so genannten Exzenterbuchse drehbar gelagert sind (bzw. ist), und - bei dem die Exzenterbuchsen drehbar in dem Gehäuse des Walzgerüsts gelagert sind und - diese Lagerungen der Exzenterbuchsen reibungsarme Lager sind und - ein Anstellmechanismus vorgesehen ist, mit dem eine Anstellkraft auf die Exzenterbuchse ausgeübt werden kann, um die Exzenterbuchse gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert ist, zu drehen und in einer gewünschten Position zu halten, mit den Schritten - Messen der Anstellkraft, wenn die Exzenterbuchse in der gewünschten Position gehalten wird, und - Ermitteln der Walzkraft aus der gemessenen Anstellkraft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Walzkraft in einem Walzgerüst sowie ein Walzgerüst.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 ist es auf einem möglichen Einsatzgebiet der Erfindung, nämlich den Walzgerüsten zum Walzen von stab- oder rohrförmigen Gut bekannt, bei mindestens einer der dort beschriebenen, zur Bildung eines Kalibers sternförmig um die Walzgutlängsachse angeordneten drei Walzen mit ihren beiden endseitigen Walzenzapfen jeweils in einer Exzenterbuchse drehbar zu lagern. Derartige Exzenterbuchsen weisen eine innere, kreisförmige Ausnehmung auf, in der sich das Radiallager, vorzugsweise ein Radialwälzlager, der Walzenzapfen befindet, sowie einen kreisförmigen Außenumfang, an dem die Lagerung der Exzenterbuchse in dem Gehäuse des Walzgerüsts vorgesehen ist. Die Exzentrizität der Exzenterbuchse ergibt sich daraus, daß der durch die nach innen weisende Oberfläche der Exzenterbuchse gebildete innere Kreis und der durch die nach außen weisende Außenoberfläche der Büchse gebildete Kreis nicht koaxial ausgeführt sind. Wie in der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 näher erläutert wird, können derartige Konstruktionen zum Anstellen der Walzen eines derartigen Walzgerüsts eingesetzt werden, also beispielsweise zum Zustellen auf das Walzgut hin.

Die deutsche Offenlegungsschrift 22 59 143 beschreibt ferner Anstellmechanismen für die Bewegung der Exzenterbuchse in eine gewünschte Rotationsposition relativ zum Gehäuse. Über einen auf einer drehbaren Stellspindel angeordneten Anstellzapfen wird eine Drehbewegung einer Anstellwelle mit einem Stellring über einen Übertragungshebel, der gelenkig sowohl mit dem Stellring als auch mit der Exzenterbuchse verbunden ist, auf die Exzenterbuchse übertragen. Alternativ ist eine in axialer Richtung ortsfest gelagerte Gewindespindel vorgesehen, auf der sich eine Gewindebüchse in axialer Richtung bewegt. Über ein Gelenk ist die Gewindebüchse mit einem Stellring verbunden, der seinerseits einen büchsenartigen Ansatz der Exzenterbuchse umschließt und mittels einer Passfeder drehfest mit dieser verbunden ist. Diese Anstellmechanismen erlauben es, die Exzenterbuchse gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert ist, zu drehen. Durch eine Festlegung der Gewindespindel wird verhindert, daß sich die Gewindespindel dreht, so daß über diese Festlegung die Exzenterbuchse in der eingestellten, gewünschten Position gehalten wird.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 ist es somit in allgemeiner Weise bekannt, daß es vorteilhaft ist, wenn ein Walzgerüst die Möglichkeit der Walzenanstel lung bietet. Dies bedeutet, daß die Walzen radial zum Walzgut zugestellt werden können, um den Fertigdurchmesser des Walzens gezielt zu ändern, bzw. Einflüsse durch Wärmeschrumpfung des Walzguts oder Verschleiß der Walzen auszugleichen.

Bei der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 ist es vorgesehen, daß die Exzenterbuchse ein Gleitlager in dem Gehäuse hat, also die Außenoberfläche der Exenterhülse beim Anstellen der Exzenterbuchse auf einer Oberfläche des Gehäuses gleitet. Dies bringt es mit sich, daß die Anstellung nur dann möglich ist, wenn sich gerade kein Walzgut im Gerüst befindet. Andernfalls ist die Exzenterbuchse unter dem Einfluß der Walzkraft, so daß zwischen Gerüstgehäuse und Exenterhülse erhöhte, tangentialwirkende Gleitreibungskräfte auftreten.

Eine andere Art der Anstellung von Walzen eines Walzgerüsts für stab- oder rohrförmiges Gut wird in US 6,041,635 beschrieben. Dort sind die Walzen in steigbügelförmigen Bügeln gehalten, die innerhalb eines Rahmens entlang ihrer senkrecht zur Walzenachse stehenden Längsachse bewegt werden können. Für das Bewegen sind hydraulische Zylinder vorgesehen, deren Kolbenende mit dem Bügel zusammenwirken können und mit diesem die Walzen durch eine Bewegung des Kolbens anstellen können. Hier ist es denkbar, daß die Walzkraft über eine Messung des im Hydraulikzylinder wirkenden hydraulischen Druckes ermittelt wird.

Die Anstellung der Walzen mittels hydraulischen Zylinder ist jedoch mit vielen Nachteilen behaftet:
Falls die Hydraulikzylinder Teil des auswechselbaren Walzgerüstes sind, d.h. also beim Gerüstwechsel (z.B. wegen Umstellung auf eine andere Produktabmessung) nicht im Walzwerk verbleiben, so muß eine lösbare hydraulische Kupplung in der Zuleitung zu jedem der im Walzgerüst angeordneten Zylinder vorgesehen werden. Dies ist mit enormen technischem Aufwand verbunden und würde einen störungsfreien Betrieb eines solchen Walzwerkes erschweren.

Falls hingegen die Hydraulikzylinder fest im Walzwerk eingebaut sind und demzufolge bei einem Gerüstwechsel im Walzwerk verbleiben, ergeben sich zwangläufig eine Vielzahl anderer schwerwiegender Nachteile:

– Die Walzkräfte werden nicht im Gerüst selbst aufgenommen, sondern in die Widerlager der Hydraulikzylinder und damit in die Stahlkonstruktion des Walzwerkes selbst weitergeleitet, wodurch diese Stahlkonstruktion sehr massiv und damit kostenaufwändig ausgeführt werden muß.
– Um die Gerüste aus dem Walzwerk entnehmen zu können, ist ebenfalls erhöhter konstruktiver und apparativer Aufwand erforderlich, da die Hydraulikzylinder sternförmig um die Walzachse angeordnet sind und damit ein Herausziehen der Gerüste quer zur Walzachse unmöglich machen.
– Wenn die Gerüste sich nicht im Walzwerk befinden, ist eine Kontrolle des von den drei Walzen miteinander gebildeten so genannten Walzkalibers nicht möglich, da sich die genauigkeitsbestimmenden Bauelemente, nämlich die Hydraulikzylinder, im Walzwerk befinden. Befinden sich die Gerüste anderseits aber im Walzwerk, so ist die Kontrolle des Kalibers wegen der nun fehlenden Zugänglichkeit ebenfalls unmöglich.

Die Anstellung der Walzen gegen die Walzkraft mittels hydraulischen Zylinder ist extrem kostenaufwendig.

Bei Ausfall der Hydraulik ist kein Walzen mehr möglich, es gibt keine systemimmanente fail-safe-Funktion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Walzgerüst vorzuschlagen, das die Anstellung der Walzen gegen die Walzkraft sowie die Messung der wirkenden Walzkraft ermöglicht und zumindest einen der vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 sowie durch das Walzgerüst des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Lagerung des Exzenterbuchse zu verbessern, indem im Gegensatz zu dem in der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 Offenbarten nun ein reibungsarmes Lager eingesetzt wird, so daß das walzkraftbedingte Rückstellmoment auf die Exzenterbuchse nicht mehr durch ein der Rückstellbewegung entgegenwirkendes Reibmoment der Lagerung der Exzenterbuchse gehemmt wird. Dies bedeutet, daß das aus der Walzkraft in Verbindung mit der Exzentrizität der Exzenterbuchse gebildete Rückstellmoment nicht wie sonst zu einem großen Teil über Reibung an das Gehäuse weitergeleitet wird, sondern idealerweise in voller Höhe vom Anstellmechanismus, der die Exzenterbuchsen in der gewünschten Position hält, aufgenommen wird. Dies wiederum bedeutet, daß die in den Bauteilen des Anstellmechanismus wirkenden Kräfte, Momente und Spannungen bei gegebener Position der Exzenterbuchse sämtlich der wirkenden Walzkraft proportional sind. Dadurch wird es möglich, die wirkende Walzkraft durch Messung der an einer Stelle im Anstellmechanismus wirkenden Kraft (bzw. eines Momentes oder einer Spannung) zu ermitteln. Ferner ist es auch möglich, die wirkende Walzkraft nicht aus der im Anstellmechanismus selbst wirkenden Anstellkraft zu ermitteln, sondern aus der Auflagerkraft, die der Anstellmechanismus auf das ruhende Gehäuse ausübt, da diese Auflagerkraft der im Anstellmechanismus wirkenden Kraft und somit auch der wirkenden Walzkraft proportional ist.

Das Verfahren wird bei einem Walzgerüst angewandt, das mindestens eine Walze aufweist, deren Walzenzapfen oder Walzenwelle jeweils in einer Exzenterbuchse drehbar gelagert sind. Die besagten Exzenterbuchsen sind wiederum drehbar in dem Gehäuse des Walzgerüstes gelagert, wobei diese Lagerungen der Exzenterbuchsen als reibungsarme Lager ausgebildet sind. Das verwendete Walzgerüst weist ferner einen Anstellmechanismus auf, mit welchem die Exzenterbuchsen gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert sind, gedreht und in einer gewünschten Position gehalten werden können.

Erfindungsgemäß wird unter einem reibungsarmen Lager ein solches Lager verstanden, bei dem das der Verstellbewegung entgegenwirkende Reibmoment im Vergleich zur Anstellkraft zum Halten der Exzenterbuchse in der gewünschten Position vernachlässigbar klein ist. Insbesondere wird unter einem reibungsarmen Lager ein solches Lager verstanden, bei dem der Reibungskoeffizient μ < 0,2, insbesondere μ < 0,1 und ganz besonders bevorzugt μ < 0,05 ist. Als derartige reibungsarme Lager sind beispielsweise Nadellager einsetzbar oder so genannte Hydro-Lager, bei denen zwischen der Außenoberfläche der Exzenterbuchse und der ihr zugewandten Innenoberfläche des Gehäuses ein die Reibung reduzierendes Fluid vorgesehen ist. Alternativ kann eine der oder können die einander zugewandten Flächen des als Gleitlager ausgebildeten Lagers eine die Reibung herabsetzende Beschichtung aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, die Anstellkraft zu messen, wenn die Exzenterbuchse in der gewünschten Position gehalten wird, und hieraus die Walzkraft zu ermitteln.

Zur Ermittlung der Walzkraft aus der gemessenen Anstellkraft wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Winkelposition der Exzenterbuchse gemessen. Bei bekannter Winkelposition ergibt sich mit der baulich bedingten festen Exzentrizität der Exzenterbuchse sofort der wirksame Hebelarm der wirkenden Walzkraft und damit der direkte Zusammenhang zwischen dieser Walzkraft und der gemessenen Kraft bzw. dem gemessenen Moment im Anstellmechanismus.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bevorzugt bei einem Walzgerüst zum Walzen von stab- oder rohrförmigem Gut eingesetzt, bei dem mindestens drei Walzen in einer sternförmigen Anordnung zur Bildung eines Kalibers um die Walzgutlängsachse angeordnet sind.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich gewordene Ermittlung der Walzkraft läßt sich insbesondere bevorzugt zum Steuern oder Regeln eines Walzprozesses einsetzten. So kann beispielsweise die Information über die Walzkraft als Regelgröße verwendet werden, um den auslaufenden Querschnitt über die Stablänge gezielt zu variieren. Alternativ ermöglicht es die Messung der Walzkraft das als solches bekannte elastische Auffedern des Gerüsts festzustellen und zu kompensieren.

Ferner bietet die Möglichkeit der kontinuierlichen Messung der Walzkraft die Möglichkeit einer weiteren Verbesserung der mathematischen Modelle der Materialumformung mit dem Ziel, die Genauigkeit der berechneten Voreinstellung der Gerüste zu erhöhen.

Ebenso kann die gemessene Walzkraft zur Korrektur und Präzisierung der in einer Datenbank hinterlegten Materialdaten, beispielsweise der Umformfestigkeit, genutzt werden, die häufig eine Grundlage für Regelverfahren sind und die Genauigkeit der auf ihnen basierenden Regelungen beeinflussen.

Das erfindungsgemäße Walzgerüst weist mindestens eine Walze auf, deren Walzenzapfen oder Walzenwelle jeweils in einer Exzenterbuchse drehbar gelagert sind. Die besagten Exzenterbuchsen sind wiederum drehbar in dem Gehäuse des Walzgerüsts gelagert, wobei diese Lagerungen der Exzenterbuchsen als reibungsarme Lager ausgebildet sind. Das verwendete Walzgerüst weist ferner einen Anstellmechanismus auf, mit welchem die Exzenterbuchsen gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert sind, gedreht und in einer gewünschten Position gehalten werden können.

Die für das erfindungsgemäß Verfahren einsetzbaren und bei dem erfindungsgemäßen Walzgerüst vorsehbaren Anstellmechanismen können in ihrer konstruktiven Auslegung vielfältig sein. Insbesondere bevorzugt weist mindestens eine Exzenterbuchse einen Zahnkranz auf, der mit einem Zahnrad des Anstellmechanismus zusammenwirkt, so daß durch Drehen des Zahnrads ein Drehen der Exzenterbuchse bewirkt werden kann. Die Anstellkraft kann dann insbesondere über eine Messung des auf das Zahnrad wirkenden Drehmoments ermittelt werden. Ebenso können als Anstellmechanismen beispielsweise die aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 59 143 bekannten Anstellmechanismen vorgesehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: 1: die Lagerung des Walzenzapfens eines erfindungsgemäßen Walzgerüsts sowie den Anstellmechanismus in einer schematischen Seitenansicht und 2: eine von der 1 ausgehende Prinzipskizze, der die für die Berechnung der Walzkraft benötigten Größen zu entnehmen sind.
Das nicht näher dargestellte Walzgerüst weist eine Walze auf, von der nur das Oberflächensegment 11 dargestellt ist. Ein Walzenzapfen 1 der Walze ist über ein Radiallager 4 in einer Exzenterbuchse 2 gelagert. Die Exzenterbuchse 2 ist über ein Nadellager 5 in dem Gehäuse 3 des Walzgerüsts gelagert.
Die Exzenterbuchse 2 weist ein Zahnkranzsegment 6 auf, das im Eingriff mit einem Ritzel 7 des Anstellmechanismus steht. Der Anstellmechanismus weist eine nicht näher dargestellte Meßvorrichtung auf, mit der die Anstellkraft 22 gemessen werden kann, die benötigt wird, um die Exzenterbuchse 2 in der dargestellten Position zu halten.
Zwischen der Walze und einer dieser gegenüberliegend angeordneten Walze, von der ebenfalls nur ein Oberflächensegment 12 dargestellt ist, ist ein Walzspalt 9 gebildet. Das durch den Walzspalt 9 bewegte, nicht näher dargestellte Walzgut, durchläuft das Walzgerüst entlang der Walzachse 8. Das Walzgut übt eine Kraft auf die Walze aus, die mit dem Pfeil 10 symbolisiert wird.
Zum Einstellen des Walzspalts 9 wird das Ritzel 7 gedreht. Diese Drehung wird über das Zahnkranzsegment 6 auf die Exzenterbuchse 2 übertragen und bewirkt ein Verschwenken der Exzenterbuchse 2 um den Mittelpunkt 13 des Nadellagers 5. Aufgrund der Exzentrizität 27, die sich aus der außermittigen Anordnung des Radiallagers 4 und des darin gelagerten Walzenzapfens 1 der Walze in der Exzenterbuchse 2 ergibt, bewirkt ein Verschwenken der Exzenterbuchse 2 eine Vergrößerung oder Verringerung des Walzspalts 9. Ist der Walzspalt 9 auf das gewünschte Maß eingestellt, wird das Ritzel 7 festgelegt.
Wie aus 2 ersichtlich, ist eine tangential wirkende Anstellkraft 22 notwendig, um das Zahnkranzsegment 6 in der dargestellten Lage zu halten. Sie bewirkt ein dem durch die Walzkraft 10 hervorgerufenen Rückstellmoment entgegenwirkendes Anstellmoment. Aufgrund der Exzentrizität 27 des Walzenzapfenmittelpunkts zum Rotationsmittelpunkt 13 der Exzenterbuchse 2 (Mittelpunkt des Nadellagers 5) erzeugt die zur Vereinfachung als im Walzenzapfenmittelpunkt angreifende Kraft dargestellte Walzkraft 10 ein um den Rotationsmittelpunkt 13 der Exzenterbuchse 2 wirkendes Rückstellmoment. Da aufgrund der reibungsarmen Lagerung im wesentlichen keine anderen Momente und Kräfte zu berücksichtigen sind, ergibt sich die Walzkraft 10 aus folgender Beziehung: FWalz = FAnst·a/(e·cos ALPHA)mit

a: = wirksamer Hebelarm 25 der Anstellkraft 22 (F_Anst)
e: = Exzentrizität 27 der Exzenterbuchse 2 (Abstand 26 des Walzenzapfenmittelpunkts zum Rotationsmittelpunkt 13 der Exzenterbuchse 2)
ALPHA: = Positionswinkel 28 der Exzenterbuchse 2 (Winkel der durch den Walzenzapfenmittelpunkt und den Rotationsmittelpunkt 13 verlaufenden Geraden und der durch diesen Rotationsmittelpunkt 13 verlaufenden Parallelen zur Walzachse 8)
F_Walz: = Walzkraft 29 = Walzkraft 10

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Walzkraft in einem Walzgerüst, – das mindestens eine Walze aufweist, deren Walzenzapfen jeweils in einer Exzenterbuchse drehbar gelagert sind, und – bei dem die Exzenterbuchsen drehbar in dem Gehäuse des Walzgerüsts gelagert sind und – diese Lagerungen der Exzenterbuchsen reibungsarme Lager sind und – ein Anstellmechanismus vorgesehen ist, mit welchem die Exzenterbuchsen gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert sind, gedreht und in einer gewünschten Position gehalten werden, mit den Schritten – Messung der im Anstellmechanismus wirkenden Anstellkraft, wenn die Exzenterbuchse in der gewünschten Position gehalten wird, und – Ermitteln der Walzkraft aus der gemessenen Anstellkraft.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Ermitteln der Walzkraft aus – der gemessenen, im Anstellmechanismus wirkenden Anstellkraft sowie – dem Schwenkwinkel, um den die Exzenterbuchse aus einer Ausgangs- oder Referenzposition heraus relativ zu dem Gehäuse geschwenkt ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die im Anstellmechanismus wirkende Anstellkraft nicht unmittelbar am bewegten Bauteil gemessen wird, sondern vielmehr mittelbar durch Messung der vom Anstellmechanismus auf das ruhende Gehäuse ausgeübten Auflagerkraft.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 zum Steuern oder Regeln eines Walzprozesses.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 zur Korrektur der in einer Datenbank hinterlegten Materialdaten.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 zur Regelung der Kompensation des elastischen Auffederns des Walzgerüstes.
Walzgerüst, das – mindestens eine Walze aufweist, deren Walzenzapfen jeweils in einer Exzenterbuchse drehbar gelagert sind, und – bei dem die Exzenterbuchsen drehbar in dem Gehäuse des Walzgerüsts gelagert sind und – diese Lagerung der Exzenterbuchsen reibungsarme Lager sind und – ein Anstellmechanismus vorgesehen ist, mit dem eine Anstellkraft auf die Exzenterbuchse ausgeübt werden kann, um die Exzenterbuchse gegenüber dem Gehäuse, in dem sie gelagert ist, gedreht und in einer gewünschten Position gehalten werden kann, und – eine Meßvorrichtung zum Messen der Anstellkraft vorgesehen ist.
Walzgerüst nach Anspruch 7, in dem eine Messvorrichtung zur Messung des Schwenkwinkels der Exzenterbuchse vorgesehen ist.
Walzgerüst nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Exzenterbuchse einen Zahnkranz oder ein Zahnkranzsegment aufweist, der bzw. das mit einem Zahnrad des Anstellmechanismus zusammenwirkt.
Walzgerüst nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Exzenterbuchse ein Schneckenrad oder Schneckenradsegment aufweist, das mit einer Schnecke des Anstellmechanismus zusammenwirkt.