Modernizarea laminoarelor, îmbunătăţirea cilindrilor pentru încărcări extreme

Transmisii Mecanice

de Nicolae Tudor

Modernizarea laminoarelor, îmbunătăţirea cilindrilor pentru încărcări extreme

În prezent, piața laminoarelor din industria metalurgică este caracterizată de investiții scăzute în echipamente noi și cerințe pentru producții mărite. Laminoarele sunt din ce în ce mai vechi, dar pentru a crește productivitatea, încărcările operaționale pe cilindri sunt din ce în ce mai mari. Aceste condiții extreme, împreună cu soluțiile constructive vechi și depășite tehnic ale cilindrilor, contribuie la multe din defectele care apar în fusurile cilindrilor de lucru ai laminoarelor cu doi cilindri în cajă (2-HI) sau în fusurile cilindrilor de sprijin ai laminoarelor cu patru cilindri în cajă (4-HI). Drept consecință, piața cere o „înnoire” a laminoarelor pentru a atenua defectele care apar la fusurile cilindrilor de laminor, în zona inelului de racordare, în condiții severe de încărcare. Gama de rulmenți disponibili poate juca un rol important și benefic în stabilirea unei soluții de modernizare de succes.

Prezentare generală tehnică

Laminoarele reprezintă o aplicație extrem de dificilă atât pentru rulmenți, cât și pentru cilindri, care trebuie să funcționeze la încărcări, viteze și temperaturi de operare foarte ridicate.

 

  • Figura 1. Tensiunea de încovoierea cilindrului
 
În timpul procesului de laminare, cilindrii se rotesc și, în același timp, încărcarea este aplicată prin intermediul lagărelor pe semifabricatul supus laminării. Din punct de vedere mecanic, un punct de pe fusul cilindrului suportă o tensiune de întindere cu o valoare maximă ðmax, în timp ce punctul aflat în poziție diametral opusă suportă o tensiune de compresiune cu o valoare minimă ðmin. Când cilindrul se rotește cu 180°, aceste două puncte își modifică poziția și tipul de tensiune care acționează asupra lor, iar valoarea acestei tensiuni variază de la ðmax la ðmin = - ðmax. În timp, tensiunea materialului din care este fabricat cilindrul variază în aceste puncte, de un număr de ori, între aceste două limite de valoa­re (o variație completă per rotație), așa cum este prezentat în figura 1.Drept rezultat, zona fusului cilindrului, aflată între rulment și tăblie (zona razei de racordare) este supusă unei tensiuni de încovoiere simetrică, alternantă ciclic, care fluctuează odată cu rotirea cilindrului. Este necesară o evaluare atentă pentru a determina tensiunea de încovoiere maximă permisă și a gestiona caracteristicile geometrice ale tranziției între fusul cilindrului și diametrul tăbliei (de ex., teșiturile treptelor fusului și razele de racordare) pentru a controla efectul concentrației de tensiuni.
 

Soluţia propusă de compania Timken pentru modernizarea lagărelor pentru fusurile
cilindrilor de laminor supuşi la încărcări grele

Compania Timken oferă următoarele soluții de asistență tehnică pentru fusurile cilindrilor din laminoarele supuse modernizării:

1) Optimizarea soluției constructive de cilindru prin maximizarea diametrului fusurilor cilindrului

2) Suport pentru proiectarea unui cilindru cu o rază de racordare cu profil compus a fusurilor cilindrului

3) Selectarea unor rulmenți cu o secțiune de lucru redusă (alezaj mai mare, același diametru exterior*, aceeași lățime sau mai mică și caracte­ristici speciale de proiectare pentru a menține sau crește sarcina de bază a rulmentului)

* Soluția de modernizare presupune că vor fi folosite aceleași casete, lucru care necesită rulmenți cu același diametru exterior. 

 

A. Consideraţii teoretice pentru îmbunătăţirea cilindrilor supuşi la încărcări extreme

1. Optimizarea soluţiei constructive a cilindrului

a) Optimizarea diametrului fusului cilindrului 

În cazul cilindrilor supuși încărcărilor foarte mari, care rulează deseori la viteze mici, este necesar un diametru mai mare al fusului cilindrului pentru a rezista la tensiuni de încovoiere mai mari. Bazându-ne pe această nevoie, un rulment pentru sarcini grele cu dimensiuni de gabarit standard (reprezentat de rulmentul A în figura 2)ar putea să nu fie o alegere potrivită. Pentru aceste aplicații cu încărcări mari, sunt recomandați rulmenți cu secțiune de lucru redusă (reprezentați de rulmentul B) cu același diametru exterior ca rulmenții standard pentru sarcini grele, dar cu un alezaj mai mare. Acești rulmenți cu secțiune de lucru redusă oferă un raport diametral fus/tăblie crescut (d/D ~ 68%) și, atunci când e tehnic posibil, o lățime mai mică a rulmentului, care reduce distanța între axa de simetrie a șurubului de presiune și marginea tăbliei cilindrului.  Diametrul exterior mărit al fusului cilindrului și momentul de încovoiere micșorat, îmbunătățesc capacitatea de rezistență a fusului cilindrului în condiții de încărcări extreme.

Figura 2. Optimizarea diametrului fusului cilindrului

 

b) Înlocuirea razei de racordare existente cu o rază de racordare cu profil compus

Soluțiile constructive tradiționale de fusuri de cilindru folosesc o rază de racordare cu tăblia de formă simplă. Experiența de lungă durată a companiei Timken în industria producătoare de oțel arată că această soluție poate fi nepotrivită pentru laminoarele supuse la sarcini grele și recomandă înlocuirea razei simple cu o rază de racordare cu profil compus. Racordările cu profil compus - sau cu două raze - sunt recomandate pentru că oferă o distribuție îmbunătățită a tensiunii de încovoiere de-a lungul razei de racordare. Figura 3 arată determinarea unei raze de racordare cu profil compus, plecând de la o lungime și o înălțime predeterminate ale racordării ra și rb respectiv, cu scopul de a micșora tensiunea de încovoiere maximă a fusului de cilindru. Raza majoră rc și raza minoră rd pentru racordarea cu profil compus pot fi determinate folosind următoarele formule:

ra = Lungimea racordării (ra < 2.5 rb, din considerente de proiectare)

rb = Înălțimea racordării

rc = Rază majoră de racordare cu profil compus

rc = Rază minoră de racordare cu profil compus

2) Rulmenţi cu secţiune de lucru redusă

Figura 3. Rază de racordare cu profil compus

Inginerii Timken folosesc programe sofisticate de calculator, orientate pe aplicații, pentru a modela matematic mediul de lucru și aplicația, obținând rulmenți special concepuți, care au o durabilitate mai mare. Pentru a maximiza performanța rulmenților în condiții de operare dificile, Timken a dezvoltat rulmenții speciali DuraSpexx® Power Rating Series. Aceștia prezintă modificări ale soluției constructive, concretizate în îmbunătățiri pentru mărirea durabilității rulmentului în aplicațiile dificile, în medii dure de funcționare. Rulmenții DuraSpexx® Power Rating Series sunt ideali pentru aplicațiile industriale cu sarcini grele, precum laminoarele metalurgice și reductoarele grele. Caracteristicile de proiectare îmbunătățite și secțiunea de lucru redusă ale acestor rulmenți converg într-o sarcină de bază mai mare a rulmentului. DuraSpexx® Power Rating Series utilizează cunoștințele tehnice de proiectare constructivă ale companiei Timken pentru a obține o creștere de 23% a sarcinii dinamice de bază a rulmentului, rezultând o mărire a durabilității față de rulmentul Timken standard, așa cum este prezentat în figura 4.

 

Figura 4. Rezultate comparative ale durabilității rulmentului DuraSpexx® Power Rating Series versus rulmenții standard Timken cu aceleași dimensiuni de gabarit

Atribute de proiectare DuraSpexx® Power Rating Series

  • Reţete de oţel îmbunătăţite pentru a mări gradul de puritate și a ajusta forma geometrică a incluziunilor în scopul micșorării incidenței defectelor rulmentului datorate incluziunilor nemetalice din microstructură
  • Opțiuni de finisare superioară a su­­pra­fețelor căilor de rulare pentru a reduce microexfolierea și uzura de oboseală în medii de lucru caracterizate prin temperaturi ridicate și pelicule de lubrifiant subțiri.
  • Geometrie profilată a căilor de rulare pentru a optimiza distribuția tensiunilor de contact în cazul sarcinilor grele sau/și dezalinierilor.

 

B. Studiu de caz – Soluţia existentă şi descrierea problemei

Această aplicație este realizată pe cilindri de laminoare cu doi cilindri pe cajă (2-HI), dar ar putea fi extinsă la cilindrii de sprijin de laminoare cu patru cilindri pe cajă (4-HI). Figura 5 arată schema de încărcare a cilindrului și reprezentarea în detaliu a razei de racordare existente.

Figura 5. Schema de încărcarea cilindrului șidetaliul razeide racordare

 

Atribute de proiectare a laminorului:

  • Tip laminor: laminor 2-HI
  • Diametru tăblie cilindru: 990 mm
  • Lățime tăblie: 2180 mm
  • Diametru fus cilindru: 595 mm
  • Raport fus/tăblie cilindru: 60%
  • Distanță axe șuruburi de presiune: 2980 mm
  • Material cilindru: Oțel
  • Modulul lui Young: 210000 MPa
  • Coeficientul lui Poisson: 0,3
  • Rezistența la alungire: 250 MPa
  • Rezistența limită la rupere la întindere: 460 MPa
  • Proiecția izometrică a cilindrului este arătată în figura 6.

Figura 6. Soluţie constructivă racordare fus de cilindru: Proiectare izometrică

 

Condiţii de operare:

  • Forța maximă de laminare din cilindru: 

2200 tone (= 21582 kN)

Viteza maximă de laminare: 220 m/min la linia de laminare

Rulment Timken

Figura 7 arată imaginea explodată a componentelor rulmentului cu role conice pe patru rânduri, alcătuit din două inele duble interioare, patru inele simple exterioare, un inel distanțier interior și trei inele distanțiere exterioare.

Figura 7. lmagine explodatăa unui rulmentcu role conice

  • Rulment: cu role conice, pe patru rânduri, simbol de catalog  M280049DW-M280010
  • Dimensiuni de gabarit: 595.312 x 844.550 x 615.950 (alezaj x diam. exterior x lățime în mm)
  • Sarcina dinamică de bază Timken pentru 90 milioane de rotații: C90(4) = 4400 kN

 

Model computerizat

Figura 8 arată proiecția izometrică a modelului computerizat. Aplicația modelată de calculator este prezentată în figura 9.

Figura 8. Model computerizat: Proiecţie izometrică

 

Figura 9. Model aplicaţie computerizat

 

Durabilitatea ajustată L10A a rândului din rulment cu încărcare maximă, prezentată în figura 10 este de 2800 de ore.

FIGURA 10. Durabilitatea ajustată a rulmentului L10a:

 

Inelele exterioare ale rulmenților, fiind staționare în casete, au doar o porțiune care preia încărcarea cilindrului, în orice moment. Această porțiune din inelul exterior se numește „zonă de încărcare”. Inelele exterioare ale rulmenților de cilindri de laminor sunt marcate pe fețele laterale, cu cifre de la 1 la 4, pentru a fi împărțite în patru cadrane. Marcajele fețelor inelelor exterioare permit utilizatorului să țină evidența cadranelor care au lucrat în zona de încărcare.

O procedură bună este ca montajul rulmentului să înceapă cu cadranul numărul 1 al fiecărui inel exterior în zona de încărcare, urmând ca, în timpul următoarelor inspecții ale rulmentului, să fie rotit inelul exterior la fiecare dintre celelalte cadrane, în secvență succesivă, până ce procedura se repetă din nou cu cadranul 1. Rotirea inelelor exterioare la fiecare inspecție va extinde durabilitatea rulmentului prin distribuția incrementală a încărcării pe întreaga cale de rulare a inelului.

Tensiunea maximă de încovoiere în zona de racordare a fusului cu tăblia, de 352N/mm2 și durabilitatea cilindrului, de 4400 de ore, sunt prezentate în figura 11.

Figura 11. Evaluarea fusului cilindrului înainte de îmbunătățire: Tensiunea de încovoiere și durabilitatea maxime

 

Descrierea problemei - Fisurarea fusului ci­lindrului

Cilindrul s-a fisurat în zona de racordare, așa cum este arătat în foto 12. Clientul a cerut asistența Timken pentru soluții de a crește rezistența fusului cilindrului și a păstra durabilitatea noului rulment propus în limite acceptabile. Nu au fost raportate probleme de funcționare, care să ridice semne de întrebare legate de selecția rulmenților existenți.

Foto 12. Fisurarea fusului cilindrului

 

Figura 13.Desen ansamblu rulment nou Timken

 

C. Studiu de caz - Soluţia Timken de îmbunătăţire a cilindrului

Compania Timken a recomandat o optimizare a soluției constructive a cilindrului prin mărirea diametrului fusului de la Ø595 la Ø610 mm și înlocuirea razei de racordare existente cu o rază de racordare cu profil compus. Lățimea și diametrul exterior ale rulmentului înlocuitor propus au fost menținute la valorile rulmentului inițial. Etanșările și capacele casetelor laminorului au fost înlocuite datorită măririi alezajului rulmentului înlocuitor propus.

a) Mărirea diametrului fusului cilindrului (de la 595 la 610 mm)

Atribute de proiectare laminor

  • Diametru tăblie cilindru: 990 mm
  • Lățime tăblie: 2240 mm
  • Diametru fus cilindru: 610 mm
  • Raport fus/tăblie cilindru: 62%

Noul rulment Timken propus

Rulment: cu role conice, pe patru rânduri, simbol de catalog NP825343-NP205014 (prezentat în figura 13)

  • Dimensiuni de gabarit: 610.000 x 844.550 x 615.950 (alezaj x diam. exterior x lățime în mm)
  • Sarcina dinamică de bază Timken pentru 90 milioane de rotații: C90(4) = 5020 kN pentru rulment Timken standard
  • Sarcina dinamică de bază Timken pentru 90 milioane de rotații: C90(4) = 6175 kN pentru rulment DuraSpexx® Power Rating Series

 

b) Înlocuirea razei de racordare existente cu o rază de racordare cu profil compus

Figura 15. Durabilitatea ajustatăa rulmentului L10 pentrusoluția constructivăexistentă versus soluțiilede rulmenți Timkenstandard și TimkenDuraSpexx® PowerRating Series

Durabilitatea ajustată L10a, prezentată în figura 15, este de 4500 ore pentru rulmentul Timken standard și de 9000 de ore pentru rulmentul Timken DuraSpexx® Power Rating Series.

Tensiunea maximă de încovoiere în zona de racordare a fusului cu tăblia, de 318N/mm2 și durabilitatea cilindrului, de 6000 de ore, sunt prezentate în figura 16.

Rezultatele îmbunătăţirii cilindrului

1. Scăderea tensiunii de încovoiere maxime a cilindrului de la 352 N/mm2 la 318 N/mm2, o scădere procentuală de 9,6%.

2. Creșterea durabilității cilindrului de la 4400 de ore la 6000 de ore, o creștere procentuală de 36%.

3. Creșterea durabilității L10a a rulmentului standard Timken de la 2800 de ore la 4500 de ore, o creștere procentuală de 60%.

4. Creșterea durabilității L10a a noului rulment Timken DuraSpexx® Power Rating Series de la 2800 de ore la 9000 de ore, o creștere procentuală de 120%.

Figura 16. Evaluarea fusului cilindrului după îmbunătățire: Tensiunea de încovoiere și durabilitatea maxime

 

D. Rezumat şi concluzii

Piața cere acum îmbunătățiri ale laminoarelor datorită opririlor neprevăzute frecvente cauzate de fisurarea fusului cilindrului în zona inelului de racordare. Compania Timken are o expertiză cuprinzătoare în acest domeniu și oferă atât asistență tehnică pentru optimizarea soluției constructive a cilindrului, cât și rulmenți cu secțiune de lucru redusă. Aceste măsuri îmbunătățesc performanța cilindrilor prin scăderea tensiunii de încovoiere maxime a cilindrului și prin creșterea durabilității cilindrilor și rulmenților.

Autorii doresc să mulțumească companiei Timken pentru permisiunea de a publica acest studiu.


Bibliografie

1. Harris, T. și Kotzalas, M. (2007), „Rolling Bearing Analysis – Advanced Concepts of Bearing Technology”

2. Association of Iron and Steel Engineers (1985), „The Making, Shaping and Treating of Steel,” 10th Edition

3. The Metals Society (1978), „Flat Rolling: A Comparison of Rolling Mill Types”

4. ISO 281 (2007), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life

Toate imaginile: The Timken Company


Nicolae Tudor este Principal Application Engineer Timken Europe Customer Engineering



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord