EP2858768B1 - Walzenanordnung - Google Patents

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EP2858768B1
EP2858768B1 EP13727613.5A EP13727613A EP2858768B1 EP 2858768 B1 EP2858768 B1 EP 2858768B1 EP 13727613 A EP13727613 A EP 13727613A EP 2858768 B1 EP2858768 B1 EP 2858768B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
roll
pin
circumferential surface
bush
pin bushing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP13727613.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2858768A1 (de
Inventor
Karl Keller
Johannes Alken
Konrad Roeingh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP2858768A1 publication Critical patent/EP2858768A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2858768B1 publication Critical patent/EP2858768B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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

  • the invention relates to a roller assembly for use in metallurgical engineering, comprising a roller with a roll barrel and two roll neck, and at least one pin bushing for receiving one of the roll neck without radial play.
  • Roll arrangements are known from the prior art, in which the roll neck is received in a cylindrical or tapered pin bush.
  • oil film bearings are used in rolling mills to support back-up rollers that take over the rolling forces from pitching cylinders and transfer them to the work rolls.
  • These are highly loaded plain bearings, which usually work in the high summer field number range, ie at a relatively low speed and under high load.
  • An elastic deformation or flattening of the pressure-loaded surfaces takes place. This flattening in the elastic region results in a larger pressure-effective surface counter to the effective direction of the external force, which is applied for example by the adjusting cylinder.
  • the bearing can thus carry more load.
  • EHD Elastohydrodynamic
  • Morgoil KLX ® bearings which have a thin-walled, conical pin bushing as a tread, see also US 6,468,194 or EP 1 213 061 ,
  • a feather key is disposed between the pin bushing and the roll neck.
  • the DE 38 76 663 T2 describes a cylindrical bushing for supporting a rotating bearing on a hydrodynamic lubricant film.
  • the invention has for its object to further increase the carrying capacity of a roller assembly, without increasing the size or the installation size of the roller assembly.
  • the invention relates to a roller assembly for use in metallurgical engineering, comprising a roller with a roll barrel and two roll necks, and at least one pin bushing for non-rotatably receiving one of the roll neck without radial play.
  • the roller arrangement is particularly characterized in that in the unloaded state, a circumferential cavity between the pin bushing and the roll neck is formed.
  • the cavity is precisely pre-dimensioned as a function of the maximum bearing force.
  • the circumferential cavity is formed in the form of a rotationally symmetrical annular gap in the sense of a circumferential hollow profile in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the roller assembly.
  • the cavity is enlarged and limited by a rotationally symmetrical concave expression on the lateral surface of the roll neck and / or on the inner circumferential surface of the neck bushing.
  • a further embodiment of the invention provides that the lateral surface of the roll neck and / or the inner surface of the neck bushing in the region of its concave expression - seen in longitudinal section of the roller assembly - at least in sections in the form of a straight line, a sine curve, a polygonal curve R (x) of the lowest degree or a combination of these.
  • the contour of the lateral surface of the roll neck or the contour of the inner circumferential surface of the pin bush in the region of its concave expression - seen in longitudinal section of the roller assembly - in Transition region between two adjacent profile sections is continuous and differentiable.
  • smooth transitions are thus created without edges between the individual profile sections of the profiling, so as to avoid the formation of indents, for example grooves, on the mutually acting lateral surfaces of the journal bushing and the roll neck, especially in the case of loading.
  • this also counteracts the disadvantages of a possible notch effect.
  • the contour of the lateral surface of the roll neck or the contour of the inner surface of the pin bushing in the region of its concave expression - seen in longitudinal section of the roller assembly - correlates with the distribution of the bearing force in the axial direction, so that under load locally as large as possible Flattening of the pin bushing is achieved in its elastic range, which leads to an increased load capacity of the roller assembly with unchanged size.
  • the invention provides that the lateral surface of the roll neck frustoconical and the inner circumferential surface of the pin bushing are complementary frusto-conical.
  • the pin bushing can be easily mounted on the roll neck via the cone or dismantled again.
  • the lateral surface of the roll neck are cylindrical in shape and the inner circumferential surface of the pin bushing are designed to be complementary cylindrical.
  • the journal bush is shrunk onto the roll neck to produce a frictional connection without radial play.
  • the invention provides that the roll is a back-up roll or an intermediate roll or a work roll for use in a roll stand.
  • the arrangement comprises at least one chock with a bearing bush in which the pin bushing is slidably mounted with the roll neck or with the roller using a bearing oil film between the bearing bush and the pin bushing.
  • a roll assembly 100 is shown for use, for example in the field of metallurgical technology, with a roll with a roll barrel 11 and at least one cylindrical roll neck 10.
  • the roll neck 10 is rotatably mounted in a complementary to the roll neck 10 receiving bore of the pin bushing 20 and at least without radial play ,
  • the journal bush 20 is shrunk onto the roll neck 10, for example.
  • it is provided between the roll neck 10 and the pin bushing 20 to arrange at least one driver element 23, for example in the form of a feather key or a correspondingly specially designed sliding block.
  • the inner circumferential surface 21 of the pin bushing 20 and / or the outer surface of the roll neck are provided with a concave contour, hereinafter also referred to as profiling 40, which is produced for example by turning and / or grinding.
  • the profiling 40 is in the region of its concave shape - seen in longitudinal section of the pin bushing 20 - at least partially contoured in the form of a straight line, a sine curve, a polygonal curve R (x) nth degree or a combination of these.
  • the Profiling 40 can also describe a simple parabolic waveform.
  • the cavity 12 is designed in the form of an annular gap in the sense of a circumferential rotationally symmetrical hollow profile.
  • the outer circumferential surface 22 of the pin bushing 20 and the lateral surface 13 of the roll neck 10 are shown in the illustration shown FIG. 1 designed as an example cylindrical.
  • profiling 40 can be provided to arrange the above-described profiling 40 on the lateral surface 13 of the roll neck 10 and to form the inner circumferential surface 21 of the journal bush 20 in a cylindrical manner.
  • the profilings 40 described above can also be formed simultaneously both on the inner circumferential surface of the journal bushing and on the outer circumferential surface of the roll neck, preferably opposite one another.
  • a spacer ring 28 is arranged with a stop 25 between the end face of the roll bale 11 and the pin bushing 20.
  • the roll bale 11 may be provided with a projection (not shown) at the front end as a stop 25, which is formed integrally with the roll bale.
  • the pin bushing 20 is stretched after being pushed onto the roll neck 10 with a pressure shoulder ring 17 via a thrust bearing, which is optionally arranged to support the roll neck 10, and a nut 18 in the axial direction x against the spacer ring 28 and secured against axial displacement, the Roll neck at its end for receiving the pressure shoulder ring 17 with a hub shoulder 26 and then with a threaded pin 27 is provided for receiving the nut 18.
  • a thrust bearing which is optionally arranged to support the roll neck 10 and a nut 18 in the axial direction x against the spacer ring 28 and secured against axial displacement
  • the Roll neck at its end for receiving the pressure shoulder ring 17 with a hub shoulder 26 and then with a threaded pin 27 is provided for receiving the nut 18.
  • FIGS. 1 and 2 is merely schematically the axial bearing inner ring 16 between the pressure shoulder ring 17 and the nut 18 shown.
  • the nut 18 may additionally be secured against loosening with an anti-twist device 19, for example a lock
  • the depth t of the profiling 40 or the size of the resulting cavity 12 between the pin bushing 20 and the roll neck 10 is adjusted in dependence on the maximum occurring bearing force F and the modulus of elasticity of the pin bushing 20 so that the volume of the cavity 12 is greater is formed, the greater the maximum bearing force F in the loaded state, the deformation of the pin bushing 20 remains exclusively in the elastic range.
  • the actual tread depths t are in the micrometer ( ⁇ m) range, preferably up to 1000 ⁇ m.
  • the wall thickness d of the cylindrical pin bushing is between 10 mm to 75 mm without consideration of an optional rotationally symmetric concave characteristic described below.
  • At least one chock 50 is provided with a bearing bushing 51 for receiving the pin bushing 20 with the roll neck 10, wherein between the bearing bush 51 of the chock 50 and the outer circumferential surface 22 of the pin bushing 20, a supporting oil film 30 is provided.
  • This arrangement is also referred to as oil film storage.
  • the inner circumferential surface of the bearing bush 51 is coated with a bearing metal lining, for example with white metal.
  • the roll neck 10 is frusto-conical.
  • the inner circumferential surface 21 of the pin bushing 20 is formed complementary to the ideal line (without profiling) of the frusto-conical roll neck 10. It is As described above, a profiling 40 on the inner circumferential surface of the pin bushing 21 and / or on the outer circumferential surface of the roll neck 13 is provided.
  • the pin bushing 20 is pushed onto the roll neck 10 until the radial clearance between the pin bushing 20 and roll neck 10 is eliminated. Subsequently, the pin bushing 20, as before for FIG. 1 described, biased and secured against displacement.
  • the wall thickness d of the conical bushing 20 is at its thin end between 10 mm and 75 mm.
  • a lubricating film 31 is disposed between the pin bushing 20 and the roll neck 10 to avoid micro-cold micro-welding.
  • the profiles 40 on the roll neck 10 or on the pin bushing 20 are in this conical embodiment as before to the FIG. 1 described, executed.
  • FIGS. 3a and 3b describe in principle the roller assembly 100 with the roller and at least one pin bushing 20 for play-free and rotationally fixed receiving one of the roll neck 10.
  • the lateral surface 13 of the roll neck 10 and the inner circumferential surface 21 of the pin bushing 20 may be cylindrical or frusto-conical, wherein the respective lateral surfaces 13th , 21 are complementary to each other and adjoin each other without radial play.
  • the profiles 40 of the inner circumferential surface 21 of the pin bushing 20 and / or the lateral surface 13 of the roll neck 10 as shown in the Figure 3c describe by way of example various possibilities of mathematical functions R (x) of the nth degree which, depending on the load case, can also be used in combination with other profilings.
  • R (x) mathematical functions of the nth degree which, depending on the load case, can also be used in combination with other profilings.
  • the profiling 40 in the transition region between two adjacent profile sections is formed continuously and differentially. It should be mentioned that in the Figure 3c shown curves do not describe the actually practicable profilings.
  • the illustrated plurality of curve or profile sections is merely a schematic representation of different possible Profiltechnikssectionn.
  • the at least substantially vertical upward rolling force F w is exerted on the upper (supporting) roll, while at the same time exerting an at least substantially vertically downward rolling force F w on the lower (supporting) roll becomes.
  • These rolling forces are transmitted from the roll bales half on the Rolling pin, which presses down the roll pins in the upper chock and down in the lower chock.
  • the rolling forces are transmitted according to an action chain from the roll neck on the journal, the bearing oil film between the journal and bearing bush and the bearing bush on the chock. From the chock, the rolling forces are further derived in the rolling mill, in which the chock is stored.
  • the chock and also mounted in the chock bearing bush should ideally be regarded as relentless and incompressible to the rolling forces. That is, the chock and the bushing catch the acting on them each half rolling forces F w / 2 (Aktio) completely by holding each the same amount, but oppositely directed bearing forces F L (Reactio).
  • the pin bushing 20 itself, in conjunction with the cavity 12 according to the invention, towards the roll neck 10, is the weakest link in the above-described chain of effects of the (rolling) force.
  • journal bushing 20 can not escape the rolling force, in the event of loading during elastic rolling operation, the journal bushing 20 elastically deforms.
  • the journal bushing 20 is replaced by the rolling force F w / 2 or the opposing bearing force F L into the original cavity 12 deformed into it and is flattened.
  • the flattening takes place at the maximum extent until the pin bushing 20 presses on the roll neck 10 and is supported by this.
  • the pin bushing 20 adapts locally elastically to the profiling 40 of the roll neck and deforms after discharge back into the original state.
  • the pressure-effective area between the pin bushing 20 and the bearing bush 51 is increased.
  • the supporting oil film 30 is arranged, which forms a so-called hydrodynamic oil film storage. Due to the enlargement of the pressure-effective surface, the roller arrangement according to the invention leads to an increase in the load bearing capacity of the hydrodynamic oil film bearing between the journal bush and the bearing bush.
  • the rolling force or the bearing force is not punctiform or linear, but in the form of a force mountain.
  • the power mountains have a surface extent in the circumferential direction and in the axial direction. Due to the flattening of the pin bushing and the associated enlargement of the pressure-effective surface a significant increase in load capacity of the roller assembly is achieved for the area extended power mountains.
  • the roller assembly according to the invention also carries significantly more compared to a roller assembly in which the pin bushing is already connected in the unloaded state non-positively with bias, for example by shrinking, with the roll neck.
  • the force required for the elastic flattening of the pin bushing force is lower due to the cavity according to the invention as in constructions with bias between Bearing bush and pin. For prestressed structures, greater forces are required to achieve the same deformation of the pin bushing.

Landscapes

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

Description

  • 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 Anstellzylindem 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 , US 2,955,002 (bildet die Basis fur der Oberbegriff von Anspruch 1) und FR 2 405 761 A beschreiben 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.
  • 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 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 Zapfenbuchse 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.
  • 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:
    • 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 11 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 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 11 und der Zapfenbuchse 20 ein Distanzring 28 mit einem Anschlag 25 angeordnet. Alternativ kann der Walzenballen 11 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 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 (µm)-Bereich, bevorzugt bis zu 1000µm.
  • 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, wie oben beschrieben, 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Walzenanordnung
    10
    Walzenzapfen
    11
    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
    R(x)
    Profilierung als mathematische Funktion
    x
    Koordinate in Achsrichtung
    FW
    Walzkraft
    FL
    Lagerkraft
    t
    Profiltiefe
    d
    Wandstärke der Zapfenbuchse

Claims (9)

  1. Walzenanordnung (100) zum Einsatz in der Hüttentechnik, aufweisend:
    eine Walze mit einem Walzenballen (11) 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mantelfläche (13) des Walzenzapfens (11) und die innere Mantelfläche (21) der Zapfenbuchse (20) zylinderförmig ausgebildet sind.
  8. 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.
  9. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiterhin aufweist:
    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.
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