EP4728203A1

EP4728203A1 - Vorrichtung zum abdichten eines walzenlagers

Info

Publication number: EP4728203A1
Application number: EP24723048.5A
Authority: EP
Inventors: Johannes Alken; Daniel Knie; Andrej TUCAK
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2023-06-19
Filing date: 2024-04-26
Publication date: 2026-04-22
Also published as: CN121399385A; DE102023205727A1; KR20260015903A; WO2024260615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abdichten eines Walzenlagers gegenüber verschmutztem Kühlwasser, das während des Betriebs der Walze (1) auch an deren Stirnseite herabläuft. Abgedichtet wird insbesondere ein Spalt (15) für Schmiermittel zwischen einer Zapfenbuchse, die auf dem Zapfen der Walze angeordnet ist und einer koaxial dazu angeordneten Lagerbuchse eines Lagergehäuses (5), in dem die Walze (1) drehbar gelagert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abdichten ist mehrteilig aufgebaut; unter anderem gibt es einen Spalt (15) zwischen einem Ringansatz (7) als Teil der Abdichtung und einem zweiten Schenkel (13) eines L-förmigen Ringprofils (11). Der Ringansatz (7) besitzt an seiner Peripherie eine Abflussnut (9) zum Ableiten des von der Walze (1) abfließenden Kühlwassers. Um zu verhindern, dass dieser Spalt (15) und ein diesem Spalt (15) nachgeordneter Bereich mit verschmutztem Kühlwasser kontaminiert und das dort angeordnete L-förmige Ringprofil (11) aufgrund der Verschmutzung funktionsunfähig wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abflussnut (9) nicht nur eine Mindesthöhe haben muss, sondern auch das Verhältnis aus Höhe und Breite der ringförmigen Abflussnut zum Durchmesser des Bodens der Abflussnut innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen muss.

Description

Vorrichtung zum Abdichten eines Walzenlagers

Die Erfindung betrifft eine Walzenlagerdichtungsvorrichtung zum Abdichten eines Lagers für eine Walze zum Walzen insbesondere von Metallband gegenüber verschmutztem Kühlwasser, was während des Betriebs der Walze auch an deren Stirnseite herabläuft. Abgedichtet wird insbesondere ein Spalt für Schmiermittel zwischen einer Zapfenbuchse, die auf dem Zapfen der Walze angeordnet ist und einer koaxial dazu angeordneten Lagerbüchse eines Lagergehäuses bzw. Einbaustückes, in dem die Walze drehbar gelagert ist.

Derartige Walzenlagerdichtungsvorrichtungen sind dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 2005/061139 A1 . Die dort offenbarte Walzenlagerdichtungsvorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Sie ist vorgesehen für eine Anordnung zwischen der Stirnseite 10 einer Walze 1 und einem Einbaustück 5, auch Lagergehäuse genannt, mit zugehöriger Lagerbüchse 6, in dem/der die Walze 1 mit ihrem Walzenzapfen 2 drehbar gelagert ist. Die Walzenlagerdichtungsvorrichtung ist mehrteilig ausgebildet. Sie umfasst eine ringförmige Zapfendichtung 4, der walzenballenseitig einer Ringdichtung 8 vorgeordnet ist. Die Ringdichtung ist fest mit einem Ringansatz 7 des Lagergehäuses 5 verbunden. Eine Dichtungslippe 18 der Ringdichtung liegt an der Stirnseite der Walze mit Dichtungskontakt auf. Ein ringförmiges und im Querschnitt L-förmiges Ringprofil 11 ist mit seinem ersten Schenkel 12 mit der Stirnseite der Walze 1 fest verbunden. An diesem ersten Schenkel liegt die besagte Dichtungslippe 18 der Ringdichtung an. Ein zweiter ringförmiger Schenkel 13 des L-förmigen Ringprofils umschließt die Ringdichtung 8 und Bereiche des Ringansatzes 7 radial weiter außen. Der Ringansatz 7 weist an seinem äußeren Umfang eine nach außen offene Abschlussnut 9 auf, die nicht oder zumindest nur teilweise von dem zweiten Schenkel 13 des L-förmigen Ringprofils 8 überdeckt wird.

Insofern offenbart die WO 2005/061139 A1 den Oberbegriff des Patentan- spruchs 1 .

In der WO 2005/061139 A1 wird ein Abstand, d.h. eine Höhe des Spaltes 15 zwischen dem Ringansatz 7 und dem zweiten Schenkel 13 des L-förmigen Profils 11 von 0,5mm bis 1 ,5mm als vorteilhaft bezeichnet. Mit dieser Spaltgröße lasse sich auch der von der Walze im Betrieb aufzubringende Offset noch bewerkstelligen. Außerdem werde dadurch der Spalt (das Labyrinth) so eng gehalten, dass dem ggf. verschmutzten Kühlwasser nur ein möglichst eingeengter Weg in den Bereich der Dichtlippe 18 zur Verfügung steht. Das hat die positive bzw. vorteilhafte Wirkung, dass dieser Bereich nicht so schnell verschmutzt und damit länger funktionstüchtig bleibt.

Diese beschriebene verengte Ausgestaltung des Spaltes mag zwar notfalls die besagte Wirkung haben, sie bekämpft aber nicht das zugrunde liegende Problem. Dieses besteht darin, dass sich während des Walzbetriebs überhaupt verschmutztes Kühlwasser in der Abflussnut bis auf die Höhe des Spaltes staut, weil es nicht in ausreichender Menge abfließen kann. Wenn dies der Fall ist, wird das verschmutzte Kühlwasser unerwünschterweise an der der Abflussnut zugewandten Öffnungsseite des Spaltes in diesen hineingezogen bzw. angesaugt und bewirkt dort das besagte Problem.

Für das Ansaugen des Kühlwassers in den (Ring-)Spalt 15 sind die beiden nachfolgend beschriebenen, physikalischen Effekte ursächlich:

1 . Der Strömungszustand, der sich zwischen dem zweiten Schenkel des L- förmigen Profils und der Ringdichtung bzw. des Ringansatzes einstellt, wird in der Literatur als Couette-Strömung bezeichnet. Eine Couette-Strömung ist eine Strömung in einem engen Spalt, die durch eine bewegte Wand angetrieben wird. Im laminaren Fall stellt sich dabei ein lineares Geschwindigkeitsprofil zwischen den beiden, den Spalt begrenzenden Wänden, ein. Die in der WO-Schrift beschriebene Spaltgeometrie wird durch zwei ineinander liegende Zylinder gebildet, wobei eine Zylinderwand rotiert. Hier tritt ein Sonderfall der Couette-Strömung auf, die sogenannte Taylor-Couette-Strömung. Durch die Zentrifugalkräfte (Rotation) bilden sich sogenannte Taylor-Wirbel, die senkrecht zur Drehachse stehen. Durch die sich bildende Wirbeltopologie wird ein Transport des Kühlwassers von der einen Öffnungsseite des Spaltes zur anderen Seite bzw. hier in den Bereich der Dichtlippe 18 aufgebaut. Das ggf. verschmutze Kühlwasser wird sozusagen einseitig angesaugt und nachteilig durch den Spalt zur Dichtung hin transportiert.

Eine untere Grenze, bei der sich die Taylor-Wirbel ausbilden, lässt sich durch die Reynoldszahl Re angeben:

R ne = — ^v'^d

V mit: v = Geschwindigkeit im Spalt', d = Spalthöhe', v = kinematische Viskosität des Mediums

Die Reynoldszahl muss größer als ein bestimmter Wert sein:

Re > 41,3 E wobei r den mittleren Drehradius beschreibt. Ist diese Bedingung gegeben, stellen sich die oben beschriebenen Taylor-Wirbel ein.

Betrachtet man die hier bekannte Vorrichtung zur Walzenabdichtung und bestimmt mit diesen Randbedingungen die Reynoldszahlen, so ergeben sich für nahezu alle Fälle in der Praxis Reynoldszahlen, die oberhalb der Grenze gemäß der rechten Seite der Formel (2) liegen. Das bedeutet, man kann davon ausgehen, dass sich die oben beschriebenen Taylorwirbel einstellen und das verschmutzte Kühlwasser unerwünschterweise durch den Spalt in den Bereich der Dichtungslippe 18 angesaugt wird. 2. Ein zweiter Aspekt, der zu der gleichen Problematik führt, dass ggf. verschmutztes Wasser durch den Spalt transportiert wird, liegt in den geometrischen Veränderungen der Spaltgeometrie, wenn man diese entlang des Umfangs betrachtet. Da die Walzenzapfenlagerachse im Betriebszustand nie exakt zentrisch zur Stützwalzenachse, sondern aufgrund der äußeren Belastung in Richtung dieser versetzt liegt (Offset), ist der sich bildende Spalt zwischen dem zweiten Schenkel des L-förmigen Profils und der Ringdichtung bzw. des Ringansatzes nicht gleich hoch am Umfang verteilt. Es gibt einen Umfangsbereich, in dem der Spalt enger wird und es gibt einen Umfangsbereich, in dem sich der Spalt erweitert. Im Bereich, wo sich der Spalt erweitert, wird ggf. verschmutztes Wasser eingesaugt und im gegenüberliegenden Bereich des verengenden Spaltes wieder rausgedrückt. Das Verhalten ist ähnlich einem Gleitlager. Beim Herausdrücken wird das ggf. verschmutzte Wasser in den Bereich der Dichtung gepresst, der nach der Offenbarung der WO 2005/061179 A1 eigentlich nicht kontaminiert werden soll.

Um zu verhindern, dass ggf. verschmutztes Wasser überhaupt in die Nähe des Spaltes zwischen dem zweiten Schenkel des L-förmigen Profils und der Ringdichtung bzw. des Ringansatzes kommt, empfiehlt die WO 2005/061139 A1 selber, die dort offenbarte Abflussnut 9 an der Peripherie des Ringansatzes zu nutzen.

Allerdings haben Untersuchungen ergeben, dass die periphere Abflussnut die ihr zugedachte besagte Wirkung nur dann entfalten kann, wenn sie bestimmte Abmessungen erfüllt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Abflussnut an der Peripherie des Ringansatzes derart zu dimensionieren, dass eine Kontamination des Spaltes, insbesondere an seiner der Abflussnut zugewandten Eingangsöffnung, und eines dem Spalt nachgelagerten Bereiches zwischen der Stirnseite des Walzenballens und der Ringdichtung mit verschmutztem Kühlwasser möglichst weitgehend verhindert wird. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach beträgt die Mindesthöhe der Abflussnut Hmin = 1 ,55 mm und außerdem liegt das Verhältnis aus Höhe H und Breite B der Abflussnut zum Durchmesser D des Bodens der Abflussnut innerhalb der Grenzen 0,1 120, mit dem Abflusskoeffizienten KA=0, 00985 mm³/mm² und allen Größen in [mm]; und mit H>Hmin

Dieser beanspruchte physikalische Zusammenhang wurde aus theoretischen Untersuchungen und praktischen Erfahrungen ermittelt. Der so dimensionierte Abflusskanal gilt als optimal, insbesondere als ausreichend groß dimensioniert, um einem Anstauen des verschmutzten Kühlwassers bis auf die Höhe der Eingangsöffnung des Spaltes entgegenzuwirken und damit ein Ansaugen des Kühlwassers aufgrund der beiden obengenannten Effekte in den Spalt wirksam zu verhindern.

Der Beschreibung sind drei Figuren beigefügt, wobei

Figur 1 die erfindungsgemäße Abflussnut in vergrößerter Querschnittsansicht;

Figur 2 eine Veranschaulichung der Untergrenze und der Obergrenze für das beanspruchte Verhältnis; und

Figur 3 eine Walzenlagerdichtungsvorrichtung gemäß dem Stand der

Technik zeigt. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von einem Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Walzenlagerdichtungsvorrichtung basiert auf der aus auf dem Stand der Technik bekannten Walzenlagerdichtungsvorrichtung gemäß Figur 3. Für deren Beschreibung wird auf die obigen Ausführungen zum Stand der Technik sowie auf die internationale Patentanmeldung WO 2005/061139 A1 verwiesen. Bis auf die nachfolgend beschriebenen Abweichungen und Ergänzungen gilt die besagte Beschreibung auch für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung eine besondere Ausgestaltung der Abschlussnut 9, die in Figur 1 im Querschnitt und in vergrößerter Ansicht gezeigt ist. Zu erkennen ist dort der ringförmige Ringansatz 7, an dessen Peripherie die Abflussnut 9 ausgebildet ist. Der Boden der Ringdichtung hat einen Abstand in Höhe des Durchmessers D von der Mittelachse des Ringansatzes 7, die, wenn der Ringansatz 7 auf den Walzenzapfen 2 aufgezogen ist, auch der Mittelachse des Walzenzapfens 2 entspricht. Es ist zu erkennen, dass die linke Begrenzungswand der Abschlussnut 9 von dem zweiten Schenkel 13 des L-förmigen Ringprofils 11 überlagert wird, wobei zwischen diesen beiden Elementen ein Spalt 15 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet den ersten Schenkel des L- förmigen Ringprofils 11 , der fest an der Stirnseite des Walzenballens montiert ist. Die Höhe H der Abflussnut bezeichnet genauer gesagt beispielsweise den Abstand zwischen dem Boden der Abflussnut 9 und der Unterseite des zweiten Schenkels 13. Die Mindesthöhe Hmin ist das Minimum dieses Abstandes; es gilt H>Hmin. Das Bezugszeichen B bezeichnet die Breite der Abflussnut 9.

Es ist der Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, dass neben der Mindesthöhe Hmin der Abflussnut das Verhältnis aus Höhe H und Breite B zum Durchmesser D in einem bestimmten Bereich liegen muss, damit die erfindungsgemäße Walzenlagerdichtungsvorrichtung die ihr zugedachte Wirkung entfalten kann. Ist das Verhältnis zu klein, staut sich das ggf. verschmutzte Kühlwasser am Spalt 15 zwischen dem zweiten Schenkel 13 des L-förmigen Profils 11 und der Ringdichtung 8 auf und kann durch die beiden oben beschriebenen Effekte in den Spalt angesaugt werden. Die mitangesaugten Verschmutzungen führen in dem Spalt zu unerwünschten Verstopfungen und in dem nachgelagerten Bereich zu Hemmnissen bei der Funktionsfähigkeit der Dichtlippe.

Ist das Verhältnis von Breite B und Höhe H zum Durchmesser D zu groß, wird die Fließgeschwindigkeit der Gerinne-Strömung des ablaufenden Kühlwassers in der Abflussnut 9 so gering, dass Zunder- bzw. Schmutzrückstände aus dem Walzprozess nicht weggespült werden. Diese Rückstände haften („backen“) dann aufgrund ihrer Reaktionsfähigkeit (Korrosion etc.) in der Abflussnut 9 an und führen nach kurzer Betriebszeit dazu, dass die Abflussnut verstopft, also einen zusätzlichen Abflusswiderstand erhält; die Abflussnut kann dann ihre eigentliche Aufgabe, dem ggf. verschmutzen Kühlwasser einen ausreichend großen Ablaufbereich zu bieten, nicht mehr erfüllen. Auch in diesem Fall kommt es dazu, dass das ggf. verschmutzte Kühlwasser bis auf Höhe des Spaltes 15 zwischen dem zweiten Schenkel 13 des L-förmigen Profils 11 und der Ringdichtung bzw. des Ringansatzes 7 gestaut wird und aufgrund der beiden oben beschriebenen Effekte in den Spalt 15 eingesaugt und dem Dichtungssystem nachteilig zugeführt wird.

Aus theoretischen Untersuchungen und praktischen Erfahrungen hat sich ergeben, dass eine Mindesthöhe von Hmin=1 ,55mm gegeben sein muss und dass das Verhältnis aus Höhe H und Breite B zum Durchmesser D innerhalb folgender Grenzen liegen muss: B-H)

0,1 < < 120 (K_A-D-n) (1 ) mit dem Abflusskoeffizienten KA=0, 00985 mm³/mm² und allen Größen in mm; und mit H>Hmin. Damit gilt die Abflussnut 9 als optimal, d.h. weder zu klein noch zu groß gestaltet im Sinne der vorherigen Ausführungen.

Figur 2 veranschaulicht den Wertebereich, in dem das beanspruchte Verhältnis gemäß Formel (1 ) mit der Untergrenze 0,1 und der Obergrenze 120 liegen darf.

Bezugszeichenliste

1 Walze

2 Walzenzapfen

3 Zapfenbuchse

4 Zapfendichtung

5 Einbaustücke

6 Lagerbüchse

7 Ringansatz (Lageransatz)

8 Ringdichtung

9 Abflussnut

10 Stirnseite

11 L-förmiges Ringprofil

12 erster Schenkel

13 zweiter Schenkel

15 Spalt

18 Dichtungslippe

B Breite

D Durchmesser der ringförmigen Abflussnut an deren Boden

Hmin Mindesthöhe; entspricht dem Minimum von H

H Höhe der Abflussnut

Claims

Patentansprüche:

1 . Vorrichtung zum Abdichten eines Walzenlagers, das ein Lagergehäuse (5) aufweist, in dem eine Walze (1 ) mit einem Walzenzapfen (2) drehbar gelagert ist, mit einer Zapfendichtung (4); einer Ringdichtung (8), die walzenballenseitig der Zapfendichtung (4) vorgeordnet ist, und die eine Dichtungslippe (18) aufweist; einem Ringansatz (7), der dem Lagergehäuse (5) in axialer Richtung vorgeordnet ist, mit dem die Ringdichtung (8) fest verbunden ist, und der an seiner Peripherie eine um laufende nach außen offene Abflussnut (9) aufweist; wobei ein im Querschnitt L-förmiges Ringprofil (11 ) mit einem ersten Schenkel (12) und einem zweiten Schenkel (13) vorgesehen ist; wobei das Ringprofil (11 ) mit seinem ersten Schenkel (12) mit der Stirnseite(IO) der Walze (1 ) fest verbunden ist; wobei die Dichtungslippe (18) der Ringdichtung (8) mit Dichtungskontakt an der dem Walzenballen abgewandten Seite des ersten Schenkels (12) anliegt; und wobei der zweite Schenkel (13) des L-förmigen Ringprofils (11 ) Bereiche des Ringansatzes (7) und der Ringdichtung (8) unter Ausbildung eines Spaltes (15) überdeckt und umschließt und zu dem Walzenballen hin abdichtet; dadurch gekennzeichnet, dass für die Mindesthöhe Hmin der Abflussnut (9) gilt: Hmin= 1 ,55mm; und dass das Verhältnis aus Höhe H und Breite B der Abflussnut (9) zum Durchmesser D des Bodens der ringförmigen Abflussnut innerhalb der Grenzen B-H)

0,1 < < 120 (K_A-D-n) (1 ) liegt, mit dem Abflusskoeffizienten KA=0, 00985 mm³/mm² und allen Größen in [mm]; und mit H>Hmin.