EP2858768A1 - Walzenanordnung - Google Patents

Walzenanordnung

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EP2858768A1
EP2858768A1 EP13727613.5A EP13727613A EP2858768A1 EP 2858768 A1 EP2858768 A1 EP 2858768A1 EP 13727613 A EP13727613 A EP 13727613A EP 2858768 A1 EP2858768 A1 EP 2858768A1
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EP
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roll
pin bushing
neck
roll neck
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EP13727613.5A
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Karl Keller
Johannes Alken
Konrad Roeingh
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SMS Group GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B13/00—Metal-rolling stands, i.e. an assembly composed of a stand frame, rolls, and accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B31/00—Rolling stand structures; Mounting, adjusting, or interchanging rolls, roll mountings, or stand frames
    • B21B31/07—Adaptation of roll neck bearings
    • B21B31/074—Oil film bearings, e.g. "Morgoil" bearings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B31/00—Rolling stand structures; Mounting, adjusting, or interchanging rolls, roll mountings, or stand frames
    • B21B31/07—Adaptation of roll neck bearings

Definitions

  • a lubricating film 31 is disposed between the pin bushing 20 and the roll neck 10 to avoid micro-cold welding by micro-friction.
  • the profiles 40 on the roll neck 10 or on the pin bushing 20 are in this conical embodiment as previously described with reference to FIG 1, executed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Walzenanordnung (100) zum Einsatz in der Hüttentechnik, mit einer Walze mit einem Walzenballen (11) und zwei Walzenzapfen (10), und mindestens einer Zapfenbuchse (20) zum spielfreien und drehfesten Aufnehmen eines der Walzenzapfen (10). Um die Tragkraft einer Walzenanordnung zu erhöhen, ohne die Baugröße bzw. die Einbaugröße der Walzenanordnung zu vergrößern ist im unbelasteten Zustand ein umlaufender Hohlraum zwischen der Zapfenbuchse (20) und dem Walzenzapfen (10) ausgebildet.

Description

Walzenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Walzenanordnung zum Einsatz in der Hüttentechnik, aufweisend eine Walze mit einem Walzenballen und zwei Walzenzapfen, und mindestens eine Zapfenbuchse zum drehfesten Aufnehmen eines der Walzenzapfen ohne Radialspiel. Aus dem Stand der Technik sind Walzenanordnungen bekannt, bei denen der Walzenzapfen in einer zylinderförmigen oder kegeligen Zapfenbuchse aufgenommen ist. Beispielsweise werden Ölfilmlager in Walzwerken zum Lagern von Stützwalzen, die die Walzkräfte aus Anstellzylindern übernehmen und diese an die Arbeitswalzen übertragen, eingesetzt. Dabei handelt es sich um hochbelastete Gleitlager, die meist im hohen Sommerfeldzahlenbereich, das heißt bei einer relativ niedrigen Drehzahl und bei hoher Belastung, arbeiten. Bei den sehr hohen Drücken bis teilweise über 1500 bar, die sich in der Lastzone ausbilden, findet eine elastische Verformung bzw. Abflachung der druckbelasteten Flächen statt. Durch dieses Abflachen im elastischen Bereich entsteht eine größere druckwirksame Fläche entgegen der Wirkrichtung der äußeren Kraft, die beispielsweise durch den Anstellzylinder aufgebracht wird. Das Lager kann somit mehr Last tragen. Diesen Effekt bezeichnet man als Elastohydrodynamische (EHD) Tragkraftsteigerung. Um diesen Effekt noch zu verstärken, werden so genannte Morgoil-KLX®-Lager eingesetzt, die eine dünnwandige, konisch ausgebildete Zapfenbuchse als Lauffläche besitzen, siehe auch US 6,468,194 oder EP 1 213 061 .
Aus der Druckschrift„Newsletter 01/2009, SMS Group, 16. Jahrgang, Nr.: 1 , April 2009, Seite 50 bis 51 " sind Morgoil-KLX®-Lager zur Walzenanordnung bekannt, bei denen eine Zapfenbuchse auf einem kegeligen Walzenzapfen aufgesetzt ist. Zur Drehmomentübertragung ist eine Passfeder zwischen der Zapfenbuchse und dem Walzenzapfen angeordnet.
Die EP 1 651 876 B1 beschreibt ein Ölfilmlager für Walzenzapfen, dessen auf ihn aufgezogene Zapfenbuchse von einer im Einbaustück angeordneten Lagerbuchse umgeben ist.
Aus der Druckschrift DE 603 03 052 D2 ist ein Ölfilmlager für den Einsatz in Walzwerken bekannt, mit einer zylinderförmigen Buchse zum drehbaren Tragen der Zapfenfläche eines Walzenzapfens, wobei die Buchse zur Aufnahme von Schmiermittel mit Vertiefungen versehen ist.
Die DE 38 76 663 T2 beschreibt eine zylinderförmige Buchse zum Tragen eines umlaufenden Lagers auf einen hydrodynamischen Schmierfilm.
Nachteile der bisher bekannten Lösungen bestehen darin, dass zur Übertragung der sehr hohen Lasten eine den Lasten angepasste große Dimensionierung der Lagerung vorgesehen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tragkraft einer Walzenanordnung weiter zu erhöhen, ohne die Baugröße bzw. die Einbaugröße der Walzenanordnung zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung beschreibt eine Walzenanordnung zum Einsatz in der Hüttentechnik, aufweisend eine Walze mit einem Walzenballen und zwei Walzenzapfen, und mindestens eine Zapfenbuchse zum drehfesten Aufnehmen eines der Walzenzapfen ohne Radialspiel. Die Walzenanordnung ist besonders dadurch gekennzeichnet, dass im unbelasteten Zustand ein umlaufender Hohlraum zwischen der Zapfenbuchse und dem Walzenzapfen ausgebildet ist.
Seite 2 Der Hohlraum ist in Abhängigkeit der maximalen Lagerkraft genau vordimensioniert. Der umlaufende Hohlraum ist in Form eines rotationssymmetrischen Ringspalts im Sinne eines umlaufenden Hohlprofils in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Walzenanordnung ausgebildet.
Durch den erfindungsgemäßen Hohlraum entsteht zwischen der Zapfenbuchse und dem Walzenzapfen ein vergrößerter Freiraum, in welchen sich die Zapfenbuchse unter Belastung im räumlichen Bereich der Krafteinwirkung lokal abflachen kann. Durch die Abflachung der Zapfenbuchse wird die druckwirksame Fläche zur Aufnahme von Kräften vergrößert und die Belastbarkeit der Walzenanordnung deutlich gesteigert, ohne deren Baugröße vergrößern zu müssen. Näheres siehe im Kapitel„Funktionsweise" am Ende der Beschreibung.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Hohlraum durch eine rotationssymmetrische konkave Ausprägung an der Mantelfläche des Walzenzapfens und/oder an der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse vergrößert und begrenzt ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mantelfläche des Walzenzapfens und/oder die innere Mantelfläche der Zapfenbuchse im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Walzenanordnung gesehen - zumindest abschnittsweise in Form einer Geraden, einer Sinuskurve, einer polygonalen Kurve R(x) n- ten Grades oder einer Kombination aus diesen konturiert ist. Um einen stabilen Lagersitz für die Zapfenbuchse auf dem Walzenzapfen ohne Radialspiel zu gewährleisten weisen die Zapfenbuchse und der Walzenzapfen - in axialer Richtung benachbart zu dem Hohlraum - aneinandergrenzende Auflageflächen auf.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kontur der Mantelfläche des Walzenzapfens oder die Kontur der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Walzenanordnung gesehen - im
Seite 3 Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Profilabschnitten stetig und differenzierbar ist. Vorteilhafterweise werden damit zwischen den einzelnen Profilabschnitten der Profilierung fließende Übergänge ohne Kanten geschaffen, um so vor allem im Belastungsfall die Bildung von Eindruckstellen, zum Beispiel Riefen, an den gegeneinander wirkenden Mantelflächen der Zapfenbuchse und des Walzenzapfens zu vermeiden. Vorteilhafterweise wird damit auch den Nachteilen einer möglichen Kerbwirkung entgegengewirkt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kontur der Mantelfläche des Walzenzapfens oder die Kontur der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Walzenanordnung gesehen -, korreliert mit der Verteilung der Lagerkraft in axialer Richtung, so dass unter Last lokal eine möglichst große Abflachung der Zapfenbuchse in ihrem elastischen Bereich erzielt wird, die zu einer vergrößerten Tragkraft der Walzenanordnung bei unveränderter Baugröße führt.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Mantelfläche des Walzenzapfens kegelstumpfförmig und die innere Mantelfläche der Zapfenbuchse komplementär kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Vorteilhafterweise lässt sich die Zapfen- buchse über den Konus leicht auf den Walzenzapfen montieren bzw. wieder demontieren.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Walzenzapfens zylinderförmig und die innere Mantelfläche der Zapfenbuchse komplementär zylinderförmig ausgebildet sind. Vorteilhafterweise wird hierbei zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung ohne Radialspiel die Zapfenbuchse auf den Walzenzapfen aufgeschrumpft.
Seite 4 Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass es sich bei der Walze um eine Stützwalze oder um eine Zwischenwalze oder eine Arbeitswalze zur Verwendung in einem Walzgerüst handelt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Anordnung mindestens ein Einbaustück mit einer Lagerbuchse aufweist, in welcher die Zapfenbuchse mit dem Walzenzapfen bzw. mit der Walze unter Verwendung eines tragenden Ölfilms zwischen der Lagerbuchse und der Zapfenbuchse gleitend gelagert ist.
Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, vorhandene Walzenanordnungen beispielsweise innerhalb einer Walzanlage durch erfindungsgemäße Walzenanordnungen zu ersetzen bzw. auszutauschen, um eine Tragkraftsteigerung bzw. eine Leistungssteigerung der Lagerung zu schaffen, ohne den vorhandenen Einbauraum verändern zu müssen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist leicht zu montieren. Im Reparaturfall ist ein einfacher und schneller Austausch möglich. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Dabei sind neben den oben aufgeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale allein oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 detailliert beschrieben. Es zeigen:
Seite 5 Figur 1 eine Walze mit profilierter zylindrischer Zapfenbuchse; Figur 2 eine Walze mit profilierter konischer Zapfenbuchse; und Figur 3a bis
Figur 3c unterschiedliche Profilverläufe für die Mantelfläche des Walzenzapfens und/oder der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse.
Figur 4 Darstellung der elastischen Verformung an der Zapfenbuchse
- Schnittdarstellung im Bereich des maximalen Hohlraums.
In der Figur 1 ist eine Walzenanordnung 100 zum Einsatz beispielsweise in der Hüttentechnik dargestellt, mit einer Walze mit einem Walzenballen 1 1 und zumindest einem zylinderförmigen Walzenzapfen 10. Der Walzenzapfen 10 ist in einer zu dem Walzenzapfen 10 komplementär zylinderförmig ausgebildeten Aufnahmebohrung der Zapfenbuchse 20 drehfest und zumindest ohne radiales Spiel gelagert. Zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung ohne Radialspiel ist die Zapfenbuchse 20 beispielsweise auf den Walzenzapfen 10 aufgeschrumpft. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, zwischen dem Walzenzapfen 10 und der Zapfenbuchse 20 zumindest ein Mitnehmerelement 23, beispielsweise in Form einer Passfeder oder eines entsprechend speziell ausgebildeten Nutensteins, anzuordnen. Die innere Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 und/oder die äußere Mantelfläche des Walzenzapfens sind mit einer konkaven Kontur, nachfolgend auch Profilierung 40 genannt, versehen, die beispielsweise durch Drehen und/oder Schleifen hergestellt ist. Die Profilierung 40 ist im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Zapfenbuchse 20 gesehen - zumindest abschnittsweise in Form einer Geraden, einer Sinuskurve, einer polygonalen Kurve R(x) n- ten Grades oder einer Kombination aus diesen konturiert. Die
Seite 6 Profilierung 40 kann aber auch eine einfache parabelförmige Kurvenform beschreiben.
Durch die konkaven Kurvenverläufe bzw. Ausprägungen bilden sich an der Zapfenbuchse 20 oder an dem Walzenzapfen 10 Vertiefungen, die bei aufgesetzter Zapfenbuchse 20 auf den Walzenzapfen 10 im unbelasteten Zustand einen radial umlaufenden rotationssymmetrischen Hohlraum 12 zwischen der Zapfenbuchse 20 und dem Walzenzapfen 10 ausbilden. Der Hohlraum 12 ist in Form eines Ringspalts im Sinne eines umlaufenden rotationssymmetrischen Hohlprofils ausgebildet. Die äußere Mantelfläche 22 der Zapfenbuchse 20 und die Mantelfläche 13 des Walzenzapfens 10 sind in der gezeigten Darstellung gemäß Figur 1 beispielhaft zylinderförmig ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, die zuvor beschriebene Profilierung 40 an der Mantelfläche 13 des Walzenzapfens 10 anzuordnen und die innere Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 zylinderförmig auszubilden. Die oben beschriebenen Profilierungen 40 können auch gleichzeitig sowohl an der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse wie auch an der äußeren Mantelfläche des Walzenzapfens, vorzugsweise gegenüberliegend, ausgebildet sein.
Zur Begrenzung der Aufschiebeposition der Zapfenbuchse 20 beim Aufschieben auf den Walzenzapfen 10 ist zwischen der Stirnseite des Walzenballens 1 1 und der Zapfenbuchse 20 ein Distanzring 28 mit einem Anschlag 25 angeordnet. Alternativ kann der Walzenballen 1 1 stirnseitig mit einem Ansatz (nicht dargestellt) als Anschlag 25 versehen sein, der einstückig mit dem Walzenballen ausgebildet ist. Die Zapfenbuchse 20 wird nach dem Aufschieben auf den Walzenzapfen 10 mit einem Druckschulterring 17 über ein Axiallager, das optional zur Lagerung des Walzenzapfens 10 angeordnet ist, und einer Mutter 18 in axialer Richtung x gegen den Distanzring 28 gespannt und gegen axiales Verschieben gesichert, wobei der Walzenzapfen an seinem Ende zur Aufnahme des Druckschulterrings 17 mit einem Nabenansatz 26 und im Anschluß daran mit einem Gewindezapfen
Seite 7 27 zur Aufnahme der Mutter 18 versehen ist. In den Figuren 1 und 2 ist lediglich schematisch der Axiallager- Innenring 16 zwischen dem Druckschulterring 17 und der Mutter 18 dargestellt. Die Mutter 18 kann zusätzlich mit einer Verdrehsicherung 19, zum Beispiel einer Kontermutter, gegen Lösen gesichert sein.
Die Tiefe t der Profilierung 40 bzw. die Größe des daraus resultierenden Hohlraums 12 zwischen der Zapfenbuchse 20 und dem Walzenzapfen 10 ist in Abhängigkeit der maximal auftretenden Lagerkraft F und des Elastizitätsmoduls der Zapfenbuchse 20 derart angepasst, so dass das Volumen des Hohlraums 12 um so größer ausgebildet ist, je größer die maximale Lagerkraft F im belasteten Zustand ist, wobei die Verformung der Zapfenbuchse 20 ausschließlich im elastischen Bereich bleibt. Die tatsächlichen Profiltiefen t bewegen sich im Mikrometer (pm)-Bereich, bevorzugt bis zu Ι ΟΟΟμηη.
Die Wandstärke d der zylinderförmigen Zapfenbuchse beträgt zwischen 10 mm bis 75 mm ohne Berücksichtigung einer weiter unten beschriebenen optionalen rotationssymmetrischen konkaven Ausprägung. Zudem kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Einbaustück 50 mit einer Lagerbuchse 51 zur Aufnahme der Zapfenbuchse 20 mit dem Walzenzapfen 10 vorgesehen ist, wobei zwischen der Lagerbuchse 51 des Einbaustücks 50 und der äußeren Mantelfläche 22 der Zapfenbuchse 20 ein tragender Ölfilm 30 vorgesehen ist. Diese Anordnung wird auch als Ölfilmlagerung bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführung ist die innere Mantelfläche der Lagerbuchse 51 mit einer Lagermetallauskleidung, beispielsweise mit Weißmetall, beschichtet.
In einer anderen Ausführung gemäß der Darstellung in Figur 2 ist vorgesehen, dass der Walzenzapfen 10 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Die innere Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 ist komplementär zu der Ideallinie (ohne Profilierung) des kegelstumpfförmigen Walzenzapfens 10 ausgebildet. Dabei ist,
Seite 8 wie oben beschheben, eine Profilierung 40 an der inneren Mantelfläche der Zapfenbuchse 21 und/oder an der äußeren Mantelfläche des Walzenzapfens 13 vorgesehen. Bei dieser Variante wird die Zapfenbuchse 20 auf den Walzenzapfen 10 aufgeschoben bis das radiale Spiel zwischen Zapfenbuchse 20 und Walzenzapfen 10 eliminiert ist. Anschließend wird die Zapfenbuchse 20, wie zuvor zur Figur 1 beschrieben, vorgespannt und gegen Verschieben gesichert. Um einen stabilen Lagersitz für die Zapfenbuchse 20 auf dem Walzenzapfen 10 ohne Radialspiel zu gewährleisten, weisen die Zapfenbuchse 20 und der Walzenzapfen 10 - in axialer Richtung benachbart auf beiden Seiten zu dem Hohlraum - aneinandergrenzende Auflageflächen 14 auf. Die Wandstärke d der konischen Zapfenbuchse 20 beträgt an ihrem dünnen Ende zwischen 10 mm und 75 mm.
Zwischen der Zapfenbuchse 20 und dem Walzenzapfen 10 ist zusätzlich ein Schmierfilm 31 angeordnet, um eine Mikro-Kaltverschweißung durch Mikro- Reibung zu vermeiden. Die Profilierungen 40 an dem Walzenzapfen 10 oder an der Zapfenbuchse 20 sind bei dieser konischen Ausführungsform so wie zuvor zu der Figur 1 beschrieben, ausgeführt.
Die Figuren 3a und 3b beschreiben prinzipiell die Walzenanordnung 100 mit der Walze und zumindest eine Zapfenbuchse 20 zum spielfreien und drehfesten Aufnehmen eines der Walzenzapfen 10. Dabei kann die Mantelfläche 13 des Walzenzapfens 10 und die innere Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 zylinderförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei die jeweiligen Mantelflächen 13, 21 komplementär zueinander ausgebildet sind und ohne Radialspiel aneinandergrenzen.
Seite 9 Die Profilierungen 40 der inneren Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 und/oder der Mantelfläche 13 des Walzenzapfens 10 gemäß den Darstellungen in der Figur 3c beschreiben beispielhaft verschiedene Möglichkeiten mathematischer Funktionen R(x) n- ten Grades, die je nach Lastfall auch in Kombination mit anderen Profilierungen Verwendung finden können. Um einen gleichmäßigen kantenfreien Übergang bei miteinander kombinierten Profilabschnitten zu gewährleisten, ist die Profilierung 40 im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Profilabschnitten stetig und differenzierbar ausgebildet. Es sei erwähnt, dass die in der Figur 3c dargestellten Kurvenverläufe nicht die tatsächlich in der Praxis umsetzbaren Profilierungen beschreiben. Die dargestellte Vielzahl an Kurven- bzw. Profilabschnitten dient lediglich der schematischen Darstellung unterschiedlicher möglicher Profilierungsvarianten.
Funktionsweise
Die Funktionsweise der Erfindung wird nachfolgend auch unter Bezugnahme auf Figur 4 näher beschrieben. Durch den aus der Profilierung 40 resultierenden erfindungsgemäßen rotationssymmetrischen Hohlraum 12 zwischen der Zapfenbuchse 20 und dem Walzenzapfen 10 entsteht zwischen der Zapfenbuchse 20 und dem Walzenzapfen ein vergrößerter Freiraum, in welchen sich die Zapfenbuchse 20 am Ort der Krafteinwirkung ausdehnen kann.
Konkret wird im Walzbetrieb in einem Walzgerüst die zumindest im Wesentlichen vertikal nach oben gerichtete Walzkraft Fw auf die obere (Stütz-) Walze ausgeübt, während gleichzeitig eine zumindest im Wesentlichen vertikal nach unten gerichtete Walzkraft Fw auf die untere (Stütz-) Walze ausgeübt wird. Diese Walzkräfte übertragen sich von den Walzenballen je zur Hälfte auf die
Seite 10 Walzenzapfen, wodurch die Walzenzapfen im oberen Einbaustück nach oben und im unteren Einbaustück nach unten gedrückt werden.
Die Walzkräfte übertragen sich gemäß einer Wirkungskette vom Walzenzapfen weiter über die Zapfenbuchse, den tragenden Ölfilm zwischen Zapfenbuchse und Lagerbuchse und die Lagerbuchse auf das Einbaustück. Von dem Einbaustück werden die Walzkräfte weiter in das Walzgerüst abgeleitet, in welchem das Einbaustück gelagert ist. Das Einbaustück und auch die in dem Einbaustück gelagerte Lagerbuchse sollen idealisiert als unnachgiebig und inkompressibel gegenüber den Walzkräften angesehen werden. Das heißt, das Einbaustück und die Lagerbuchse fangen die auf sie wirkenden jeweils halben Walzkräfte Fw/2 (Aktio) vollständig auf, indem sie jeweils betraglich gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Lagerkräfte FL (Reaktio) entgegenhalten.
Bereits eine Beaufschlagung eines Walzenzapfens während des Walzbetriebs mit einer geringen Walzkraft Fw bewirkt, dass der Walzenzapfen 10 mit der Zapfenbuchse 20 in Richtung der Walzkraft Fw gegen den tragenden Ölfilm 30 und dieser gegen die Lagerbuchse 51 und das Einbaustück drückt; siehe Figur 2. Dabei stößt die Zapfenbuchse 20 jedoch auf den inkompressiblen tragenden Ölfilm 30, welcher seinerseits von der unnachgiebigen Lagerbuchse 51 und dem unnachgiebigen Einbaustück 50 an einem Ausweichen in Richtung der Walzkraft gehindert wird. Im Ergebnis ist die Zapfenbuchse deshalb von der entgegen stehenden Lagerkraft FL an einem Ausweichen in Richtung der Walzkraft gehindert.
Die Zapfenbuchse 20 selber ist in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Hohlraum 12 zum Walzenzapfen 10 hin das schwächste Glied in der oben aufgezeigten Wirkungskette der (Walz-)Kraft.
Seite 1 1 Weil die Zapfenbuchse 20 der Walzkraft nicht ausweichen kann, kommt es im Belastungsfalle während des Walzbetriebs zu einer elastischen Verformung der Zapfenbuchse 20. Die Zapfenbuchse 20 wird durch die Walzkraft Fw/2 bzw. die entgegen gerichtete Lagerkraft FL in den - ursprünglichen - Hohlraum 12 hinein verformt und wird dabei abgeflacht. Die Abflachung erfolgt maximal soweit, bis die Zapfenbuchse 20 auf den Walzenzapfen 10 drückt und von diesem abgestützt wird. Die Zapfenbuchse 20 passt sich lokal elastisch der Profilierung 40 des Walzenzapfens an und verformt sich nach Entlastung wieder in den ursprünglichen Zustand. Durch die Abflachung wird die druckwirksame Fläche zwischen der Zapfenbuchse 20 und der Lagerbuchse 51 vergrößert. Zwischen der Zapfenbuchse 20 und der Lagerbuchse 51 ist der tragende Ölfilm 30 angeordnet, welcher eine so genannte hydrodynamische Ölfilmlagerung bildet. Die erfindungsgemäße Walzenanordnung führt aufgrund der Vergrößerung der druckwirksamen Fläche zu einer Steigerung der Tragfähigkeit der hydrodynamischen Ölfilmlagerung zwischen der Zapfenbuchse und der Lagerbuchse.
In der Realität wirkt die Walzkraft bzw. die Lagerkraft nicht punkt- oder linienförmig, sondern in Form eines Kraftgebirges. Das Kraftgebirge hat eine flächige Ausdehnung in Umfangsrichtung und in axialer Richtung. Durch die Abflachung der Zapfenbuchse und die damit verbundene Vergrößerung der druckwirksamen Fläche wird eine deutliche Tragkraftsteigerung der Walzenanordnung für das flächig ausgedehnte Kraftgebirge erreicht. Die erfindungsgemäße Walzenanordnung trägt auch deutlich mehr gegenüber einer Walzenanordnung, bei der die Zapfenbuchse bereits im unbelasteten Zustand kraftschlüssig mit Vorspannung, zum Beispiel durch Schrumpfen, mit dem Walzenzapfen verbunden ist. Die für das elastische Abflachen der Zapfenbuchse notwendige Kraftbeaufschlagung ist aufgrund des erfindungsgemäßen Hohlraumes geringer als bei Konstruktionen mit Vorspannung zwischen
Seite 12 Lagerbuchse und Zapfen. Bei vorgespannten Konstruktionen sind größere Kräfte erforderlich, um die gleiche Verformung der Zapfenbuchse zu realisieren.
Anders ausgedrückt:
Wegen der relativ dünnen Wandstärke der Zapfenbuchse 20 wird sich die Verformung unter Belastung an der inneren Mantelfläche 21 der Zapfenbuchse 20 ohne Veränderung, das heißt gleichsinnig an der äußeren Mantelfläche 22 der Zapfenbuchse 20 abbilden, und führt damit zu einer Vergrößerung / Verbreiterung der der Krafteinwirkung entgegengesetzten Druckfläche zwischen der Zapfenbuchse 20 und der Lagerbuchse 51 . Dies wiederum führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Schmierfilmdrucks, so dass eine größere Kraft aufgenommen wird, und breiter verteilt werden kann, ohne dass der Spitzendruck in dem tragenden Ölfilm 30 die Grenzwerte des Werkstoffs der Lagerbuchse bzw. einer Lagermetallauskleidung an der Lagerbuchse überschreitet. Folglich führt die erfindungsgemäße Anordnung zu einer Steigerung der Tragfähigkeit der hydrodynamischen Schmierfilm- bzw. Ölfilmlagerung zwischen der Zapfenbuchse 20 und der Lagerbuchse 51 .
Seite 13 Bezugszeichenliste
100 Walzenanordnung
10 Walzenzapfen
1 1 Walzenballen
12 Hohlraum
13 Mantelfläche des Walzenzapfens
14 ebene Auflagefläche
15 Mittelachse
16 Axiallager- Innenring
17 Druckschulterring
18 Mutter
19 Kontermutter
20 Zapfenbuchse
21 innere Mantelfläche der Zapfenbuchse
22 äußere Mantelfläche der Zapfenbuchse
23 Mitnehmerelement
25 Anschlag
26 Nabenansatz
27 Gewindezapfen
28 Distanzring
30 tragender Ölfilm
31 Schmierfilm
40 Profilierung
44 Druckverteilung - Stand der Technik
46 optimierte Druckverteilung
50 Einbaustück
51 Lagerbuchse
Seite 14 R(x) Profilierung als mathematische Funktion x Koordinate in Achsrichtung
Fw Walzkraft
FL Lagerkraft
t Profiltiefe
d Wandstärke der Zapfenbuchse
Seite 15

Claims

Patentansprüche
Walzenanordnung (100) zum Einsatz in der Hüttentechnik, aufweisend: eine Walze mit einem Walzenballen (1 1 ) und zwei Walzenzapfen (10), und
mindestens eine Zapfenbuchse (20) zum drehfesten Aufnehmen eines der Walzenzapfen (10), ohne Radialspiel;
dadurch gekennzeichnet,
dass im unbelasteten Zustand zumindest in einem Teilbereich ein umlaufender rotationssymmetrischer Hohlraum (12) zwischen der Zapfenbuchse (20) und dem Walzenzapfen (10) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (12) durch eine rotationssymmetrische - im Längsschnitt der Walzenanordnung (100) gesehen - konkave Ausprägung der Mantelfläche (13) des Walzenzapfens (10) und/oder der inneren Mantelfläche (21 ) der Zapfenbuchse (20) begrenzt ist.
Anordnung nach einem der Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mantelfläche des Walzenzapfens (10) und/oder die innere Mantelfläche (21 ) der Zapfenbuchse (20) im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Walzenanordnung (100) gesehen - zumindest abschnittsweise in Form einer Geraden, einer Sinuskurve, einer polygonalen Kurve (R(x)) n- ten Grades oder einer Kombination aus diesen konturiert ist.
Seite 16 Anordnung nach einem der Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Profilierung (40) der Mantelfläche des Walzenzapfens (10) und/oder die inneren Mantelfläche (21 ) der Zapfenbuchse (20) im Bereich ihrer konkaven Ausprägung - im Längsschnitt der Walzenanordnung (100) gesehen - im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Abschnitten stetig und differenzierbar ist.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Volumen des Hohlraums (12) um so größer ausgebildet ist, je größer die maximale Lagerlast im belasteten Zustand ist, solange die Verformung der Zapfenbuchse (20) im elastischen Bereich bleibt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mantelfläche (13) des Walzenzapfens (10) und die innere Mantelfläche (21 ) der Zapfenbuchse (20) kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mantelfläche (13) des Walzenzapfens (1 1 ) und die innere Mantelfläche (21 ) der Zapfenbuchse (20) zylinderförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der Walze um eine Stützwalze oder eine Zwischenwalze oder eine Arbeitswalze zur Verwendung in einem Walzgerüst handelt.
Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiterhin aufweist:
Seite 17 mindestens ein Einbaustück (50) mit einer Lagerbuchse (51 ), in welcher die
Zapfenbuchse (20) mit dem Walzenzapfen (10) bzw. mit der Walze unter Verwendung eines tragenden Ölfilms (30) zwischen der
Lagerbuchse und der Zapfenbuchse (20) gleitend gelagert ist.
Seite 18
EP13727613.5A 2012-06-12 2013-06-07 Walzenanordnung Active EP2858768B1 (de)

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