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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stützrolle für Strangführungs-, Walz-, Gieß- und Richtanlagen zur Herstellung von beispielsweise Metallbändern, -blechen, -profilen, vorzugsweise aus Stahl oder Nichteisenmetallen, mit einer Achse, einem Innenring auf der Achse, einem Außenring und mit zylindrischen Wälzkörpern, die zumindest zweireihig zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind.
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Stand der Technik
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Stützrollen sind im Stand der Technik bekannt und dienen in der Regel der Abstützung von Walzen in Strangführungs-, Walz-, Gieß- und Richtanlagen.
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In den 4a, 4b und 4c ist prinzipiell eine Stützrolle gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Die 4a zeigt die bekannte Stützrolle im unbelasteten Zustand. Die Stützrolle beschreibt in dieser Figur einen zylindrischen Innenring 20’ auf einer Achse 11. Zwischen einem zylindrischen Außenring 25 und dem zylindrischen Innenring 20’ sind mehrreihig zylindrische Wälzkörper 30 angeordnet. Nach Lastbeaufschlagung mit der Betriebslast F verformt sich die Achse 11 und bildet eine Biegelinie gemäß der Darstellung in der 4b. Der zylindrische Innenring 20’ passt sich der gekrümmten Biegelinie an und bildet eine zu den Wälzkörpern 30 hin konkave Kontur, die zu einer Schiefstellung der Wälzköper 30 zwischen dem Innenring 20’ und dem Außenring 25 führt. Der Außenring 25, welcher eine wesentlich höhere Biegesteifigkeit hat als der Innenring 20’, folgt der Biegung nicht und bleibt nahezu gerade. Aus diesem Grund erfahren die Wälzkörper 30 in axialer Richtung x der Achse 11 eine nicht ebene Auflagefläche und damit ein ungleichmäßiges Tragverhalten, wobei die geringsten Kontaktdrücke zwischen den Wälzkörpern 30 und dem Innenring 20’ in der Mitte der Stützrolle auftreten. Diese zuvor beschriebenen Vorgänge wirken sich negativ auf die Tragzahlen und damit auf die Lebensdauer der Stützrolle aus. In der 4c ist der Kontaktdruckverlauf an den Wälzkörpern 30 der bekannten Stützrolle dargestellt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tragfähigkeit und damit auch die Lebensdauer einer Stützrolle in einer Strangführungs-, Walz-, Gieß- und Richtanlage zu verbessern. Zudem soll die Stützrolle als Austauschteil kompatibel in vorhandene Anlagen eingebaut werden können.
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Lösung
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Stützrolle, aufweisend eine Achse, und einen Innenring auf der Achse, und einen Außenring in Form eines Rollenmantels, und zylindrische Wälzkörper, die zumindest zweireihig zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass die Lauffläche des Innenrings zu den Wälzkörpern hin zumindest in einem Teilbereich der Kontaktfläche mit den Wälzkörpern – im Längsschnitt des Innenrings gesehen – eine konvexe Kontur aufweist. Die konvexe Kontur ist insbesondere bei lastfreiem Zustand der Stützwalze vorhanden. Eine lokale Last oder Krafteinwirkung führt zu einer zumindest teilweise lokalen Abflachung der konvexen Kontur am Ort der Last- oder Krafteinwirkung. Vorteilhafterweise führt die erfindungsgemäße Ausbildung der konvex profilierten Lauffläche des Innenrings bei maximaler Lasteinwirkung zu einer gleichmäßigen Kontaktdruckverteilung über die gesamte Länge der Stützrolle. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Stützrolle, insbesondere der profilierten Lauffläche des Innenrings für die Wälzkörper, lässt sich das Tragverhalten der Stützrolle optimieren und damit eine höhere dynamische Tragzahl bzw. höhere Lebensdauer für die Stützrolle erreichen.
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Die Durchbiegung der Lauffläche unter Last, auf welcher die Wälzkörper laufen, hat einen unmittelbaren Einfluss auf das Tragverhalten der einzelnen Wälzkörper. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines profilierten Innenrings bzw. einer profilierten Lauffläche für die Wälzkörper lässt sich für eine definierte Betriebslast, vorzugsweise für die maximale Betriebslast, ein optimales Tragverhalten der Wälzköper einstellen. Durch das erhöhte Tragverhalten der Wälzköper können damit beispielsweise Stützrollen in Strangführungs-, Walz-, Gieß- und Richtanlagen mit höheren dynamischen Tragzahlen realisiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, größere und damit auch schwerere Walzen bzw. Wellen zu verwenden.
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Die erfindungsgemäße Stützrolle bietet eine Kompensation der Durchbiegung der Achse unter Last. Dadurch wird das Tragverhalten der erfindungsgemäßen Stützrolle optimiert. Durch den vorgeschlagenen konvexen Kompensationsschliff an der Außenseite des Innenrings vergleichmäßigt sich die Belastung auf die zumindest zwei Wälzkörperreihen und der Kontaktdruck zwischen den Wälzkörpern und der profilierten Lauffläche, auf welcher die Wälzkörper abrollen, wird unter maximaler Last auf alle Wälzkörperreihen gleichmäßig verteilt, weil sich dann die Außenseite des Innenrings idealerweise zu einer geradlinigen Auflagefläche bzw. Lauffläche abflacht. Die Wälzkörperreihen übertragen dann alle eine gleichförmig verteilte Linienlast auf die Auflagefläche bzw. Lauffläche des Innenrings.
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Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die konvexe Kontur der Oberfläche des Innenrings in Abhängigkeit der maximalen Betriebslast F auf der Stützrolle als Funktion n-ten Grades ausgebildet ist, welche sich aus entsprechenden Biegetheorien ableitet.
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Vorteilhafterweise benötigt die erfindungsgemäße Stützrolle bei Einsatz in Strangführungs-, Walz-, Gieß- und Richtmaschinen nicht mehr Einbauraum, da die Außenkonturen unverändert bleiben. Die erfindungsgemäße Stützrolle kann daher gegen vorhandene Stützrollen problemlos ausgetauscht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zylindrischen Wälzkörper im Kantenbereich der Oberfläche bzw. Abwälzfläche mit einem Radius oder einer konvexen Profilierung ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweise führt dies zu einer Reduktion lokaler Spannungserhöhungen an den Rollenkanten.
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Vorzugsweise sieht die Erfindung weiterhin vor, für jede Wälzkörperreihe der Stützrolle baugleiche Wälzkörper zu verwenden. Vorteilhafterweise führt diese Standardisierung der Wälzkörper zu einer Reduzierung der Herstellkosten für die Stützrolle. Eine Verwechslung der Zuordnung der Wälzkörper insbesondere beim Einbau in mehrreihigen Wälzlagern ist hiermit ausgeschlossen.
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Im Übrigen ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Innenring mit der Achse einteilig ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform, auch als Direktlagerung bezeichnet, kein Spiel zwischen dem Innenring und der Achse angeordnet, wodurch sich kein Passungsrost zwischen dem Innenring und der Achse bilden kann, der die Funktion der Lagerung negativ beeinträchtigt.
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Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die Achse in einem Lagergehäuse drehfest angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, die Stützrolle zum Stützen der Arbeitswalzen und Zwischenwalzen in einem Walzgerüst einer Walzanlage anzuordnen.
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Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, die Stützrolle zum Stützen von Richtwalzen in einer Richtmaschine anzuordnen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Stützrolle zum Stützen des Gießstrangs bzw. der Bramme oder des Metallbandes in einer Walzanlage, beispielsweise innerhalb einer Strangführungsanlage, angeordnet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Dabei sind neben den oben angeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale alleine oder in anderen Kombinationen vom Erfindungsgedanken umfasst.
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Beschreibung zu den Figuren
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Es zeigen:
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1 erfindungsgemäße Stützrolle mit profiliertem Innenring;
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2 erfindungsgemäße Stützrolle mit profiliertem Innenring, der einteilig mit der Achse der Stützrolle ausgebildet ist;
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3a erfindungsgemäße Stützrolle – unbelastet;
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3b erfindungsgemäße Stützrolle – belastet mit Last F;
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3c Kontaktdruckverlauf an den Wälzkörpern der erfindungsgemäßen Stützrolle;
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4a Stützrolle gemäß dem Stand der Technik – unbelastet;
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4b Stützrolle gemäß dem Stand der Technik – belastet mit Last F;
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4c Kontaktdruckverlauf an den Wälzkörpern einer Stützrolle gemäß dem Stand der Technik;
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5a Lasteinleitung an der Stützrolle;
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5b Resultierende Deformation an der Stützrolle.
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Die 1 beschreibt eine Stützrolle 100 mit einer Achse 11, und mit einem Innenring 20 auf der Achse 11, und mit einem Außenring 25, der in Form eines Rollenmantels ausgebildet. Zwischen dem Innenring 20 und dem Außenring 25 sind zylindrische Wälzkörper 30 zumindest zweireihig, in 1 beispielhaft dreireihig dargestellt, nebeneinander in axialer Richtung der Stützrolle angeordnet. Die Lauffläche 22 des Innenrings 20 bildet zu den Wälzkörpern 30 hin zumindest in einem Teilbereich der Kontaktfläche mit den Wälzkörpern 30 – im Längsschnitt des Innenrings 20 gesehen – eine konvexe Kontur 15. Die Kontur 15 der Lauffläche 22 ist in Abhängigkeit einer eingeleiteten maximalen Betriebslast F auf die Stützrolle 100 bzw. Welle als Funktion n-ten Grades ausgebildet. Der Innenring 20 ist mit der Achse 11 drehfest verbunden, beispielsweise aufgeschrumpft.
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Die innere Mantelfläche des Innenrings 20 ist komplementär zu der Oberflächenform der Achse 11 ausgebildet. Die Achse 11 ist zumindest an einem der beiden Enden drehfest in einem Lagergehäuse 40 gelagert.
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Die in der 2 dargestellten Bauteile entsprechen denen in der 1. Der einzige Unterschied in der Darstellung gemäß der 2 besteht darin, dass der Innenring 20 mit der Achse 11 einteilig ausgebildet ist. Bei dieser sogenannten Direktlagerung werden die Wälzköper 30 direkt zwischen der Achse 11 und dem Außenring 25 zumindest zweireihig in axialer Richtung der Achse 11 nebeneinander angeordnet. Der Innenring 20 wird beispielsweise direkt an der Achse 11 angedreht oder wird mittels einer Schweißverbindung (in den Figuren nicht dargestellt) mit der Achse 11 einteilig verbunden. Die konvexe Kontur 15 an der Achse 11 ist in diesem Fall als Lauffläche 22 für die Wälzkörper 30 ausgebildet. Der jeweilige Durchmesser der konvexen Lauffläche 22 im unbelasteten Zustand ist in dem 1 und 2 mit d(x) bezeichnet.
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Die Darstellung in der 3a beschreibt die Anordnung der erfindungsgemäßen Stützrolle 100 mit profiliertem Innenring 20 im unbelasteten Zustand. Üblicherweise wird der Innenring 20 auf die Achse 11 aufgeschrumpft. Der Innenring 20 kann aber auch so wie zuvor beschrieben, einteilig mit der Achse 11 ausgebildet sein. Im dem hier dargestellten unbelasteten Zustand liegt keiner der Wälzkörper lokal linienförmig auf der konvexen Lauffläche 22 des Innenrings 20 auf.
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Die 3b beschreibt die erfindungsgemäße Stützrolle 100 im belasteten Zustand unter Beaufschlagung mit einer definierten Betriebslast, zum Beispiel maximalen Betriebslast F. In diesem maximalen Belastungszustand führt die erfindungsgemäße konvexe Lauffläche 22 des Innenrings 20 zu einer Biegelinienkompensation der Biegelinie der Stützrolle, so dass eine geradlinige Lauffläche 22 für die Wälzkörper 30 am Innenring 20 entsteht.
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Die 3c beschreibt die Kontaktdruckverteilung p(x) an den Wälzkörpern der erfindungsgemäßen Stützrolle 100 im belasteten Zustand bei maximaler Betriebslast.
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Es kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, die zylindrischen Wälzkörper 30, insbesondere im Kantenbereich der Oberfläche bzw. Abwälzfläche, zusätzlich mit einem Radius oder einer konvexen Profilierung zu versehen (in den Figuren nicht dargestellt). Vorteilhafterweise ist weiterhin konstruktiv vorgesehen, die Wälzkörper 30 einer jeden einzelnen Wälzkörperreihe einheitlich in Bezug auf Größe und Form auszuführen.
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Die 5a und 5b nehmen Bezug auf die erfindungsgemäße Stützrolle 100 und beschreiben den theoretischen Verlauf der Biegung an der Stützrolle im unbelasteten Zustand (5a) und im Lastfall (5b). Die Stützrolle ist schematisch dargestellt als ein Biegeträger, der in Richtung w mit einer sich in Achsrichtung x erstreckenden Flächenlast F beaufschlagt wird (5b), woraus sich eine resultierende Deformation bei maximaler Last F als konkave Biegelinie w(x) ergibt. Aus dem theoretisch ermittelten Biegelinienverlauf unter maximaler Last wird die tatsächliche Kontur 15 der konvexen Lauffläche 22 für den Innenring 20 der Stützrolle 100, wie bereits zu der 1 beschrieben, abgeleitet.
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Funktionsweise
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Üblicherweise werden Arbeitswalzen oder Zwischenwalzen, beispielsweise in einem Walzgerüst einer Gießmaschine oder Richtwalzen in einer Richtmaschine durch Stützrollen abgestützt. Die Stützrollen sind bevorzugt in zumindest einer Lagerstelle bzw. in einem Lagergehäuse über die Achse der Stützrolle zumindest an einem Achsende drehfest in dem Lagergehäuse aufgenommen bzw. gelagert.
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Die erfindungsgemäße Stützrolle 100 sieht vor, die Lauffläche 22 des Innenrings 20 zu den Wälzkörpern 30 hin zumindest in einem Teilbereich der Kontaktfläche mit den Wälzkörpern 30 mit einer konvexen Kontur 15 auszubilden. Die Höhe der Wölbung der konvexen Kontur 15 ist für den jeweiligen Anwendungsfall an die bei einer definierten Betriebsart, zum Beispiel die maximale Betriebslast an der Stützrolle 100 erzeugten Biegelinie angepasst, so dass sich bei diesem Lastfall die erfindungsgemäße konvexe Lauffläche 22 des Innenrings 20 derart verformt, dass sie der Durchbiegung der Stützrolle 100 entgegenwirkt und insbesondere die Biegung an der Achse 11 im Kontaktbereich mit den Wälzkörpern 30 kompensiert wird, so dass sich eine geradlinige Lauffläche 22 zwischen dem Innenring 20 und den zylindrischen Wälzkörpern 30 ausbildet. Diese Biegelinienkompensation an dem Innenring 20 bietet damit den Wälzköpern 30 eine ideale geradlinige Abwälz- bzw. Lauffläche 22. Ein maximales Tragverhalten stellt sich dann ein, wenn die Wälzköper 30 eine konstante Linienlast auf den Innenring 20 aufbringen. Erfindungsgemäß ist daher die Kontur der Lauffläche 22 des Innenrings 20 als ein Polynom n-ten Grades ausgebildet. Die Polynomkoeffizienten Ci sind von der Last F und den Randbedingungen, wie beispielsweise unter anderem von den Werkstoffkenndaten der einzelnen Bauteile der Stützrolle 100, der Art der Lagerung, und den Reibwerten und Betriebstemperaturen abhängig, und von Fall zu Fall individuell zu ermitteln. Der jeweilige Durchmesser der konvexen Lauffläche 22 im unbelasteten Zustand ergibt sich aus der Formel: d(x) = d0 – 2·w(x).
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Die erfindungsgemäße Stützrolle 100 führt zu einer Vergleichmäßigung der Kontaktdruckverteilung p(x) auf die jeweiligen Reihen der Wälzkörper 30 und somit zu einer Erhöhung der Tragzahlen und der Lebensdauer der Stützrolle 100. Die erfindungsgemäße Stützrolle 100 kann leicht gegen vorhandene Stützrollen ausgetauscht werden. Der notwendige Einbauraum für die Stützrolle 100 bleibt dabei vorteilhafterweise unverändert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Stützrolle
- 11
- Achse
- 15
- Kontur
- 20
- Innenring
- 20’
- Innenring im Stand der Technik
- 22
- Lauffläche
- 25
- Außenring
- 30
- Wälzkörper
- 40
- Lagergehäuse
- F
- Last
- x
- Achsrichtung
- z
- Koordinate
- p(x)
- Kontaktdruckverteilung
- w(x)
- Kontur der Biegelinie als Funktion von x
- d(x)
- Außendurchmesser des Lager-Innenrings als Funktion von x
