Articolul din numărul trecut s-a încheiat cu începutul capitolului 3, Evoluţia aplicaţiei, din care au fost trecute în vedere subcapitolele 3.1 - Utilizarea rulmenţilor radiali axiali cu role conice pe patru rânduri tip TQO şi 3.2 - Utilizarea rulmenţilor radiali axiali cu role conice pe două rânduri tip TDO. În acest număr vom continua prezentarea soluţiei inovatoare dezvoltată de Timken, plecând de la subcapitolul 3.3.

3.3. Utilizarea rulmenţilor radiali axiali cu role conice pe un rând, în montaj indirect, tip 2TS-IM

Pentru a permite centrarea rulmentului în rola cilindru, inginerii au adăugat un guler central în alezajul rolei. Rulmentul de tip TDO a fost apoi înlocuit cu un rulment de tip 2TS-IM. Construcţia tip 2TS-IM este prezentată în figura 14. Ansamblul este compus din două conuri simple, asamblate cu role conice şi colivii, două cupe simple şi un inel distanţier între conuri.

• Figura 14: Construcția rulmentului tip 2TS-IM

Figura 15 prezintă imaginea unei role cilindru verticale utilizând un rulment tip 2TS-IM. Cupele rulmentului sunt montate cu ajustaj cu strângere în alezajul rolei cilindru.

• Figura 15: Imaginea unei role cilindru verticale, echipată cu rulment tip 2TS-IM

Blocarea axială a cupelor nu este necesară deoarece montajul indirect nu induce o sarcină axială care să le separe. Rulmentul este centrat în rolă cu ajutorul gulerului central, astfel încât este eliminată şi necesitatea unor capace laterale de reazem masive. Astfel, a fost câştigat spaţiul vertical necesar selectării unui rulment mai greu. Această soluţie constructivă este cel mai des utilizat model de proiectare în prezent.

Jocul axial al rulmentului este controlat şi reglat la faţa locului, unde inelul distanţier dintre conuri este prelucrat la o anumită lăţime în timpul montării rulmentului, pentru a obţine o rigiditate mai mare a lagărului. Rola cilindru trebuie încălzită pentru a permite montarea cupelor rulmentului cu ajustaj cu strângere mare. Ajustajele de montaj adecvate sunt definite în Manualul tehnic al companiei Timken. Diametrele interne şi externe ale rulmentului, diametrul alezajului şi diametrul axului trebuie măsurate şi comparate cu toleranţele desenelor de execuţie înainte de montarea rulmentului.

4. Soluţia inovatoare propusă de Timken: rulmenţi radiali axiali cu role conice pe două rânduri, tip TDOH, în role cilindru verticale

Soluția inovatoare propusă de compania Timken pentru aplicaţiile cu role cilindru verticale reprezintă o extensie naturală în evoluţia dezvoltării soluţiilor tehnice de rulmenţi descrise mai sus. Însă, în loc de tipurile de rulmenţi utilizate în mod tradiţional în aceste aplicaţii, această soluţie beneficiază de rulmentul TDOH (conic, cu inel exterior dublu, cu secţiune groasă), care integrează rola cilindru în cupa rulmentului.

Soluţia constructivă a rulmentului TDOH este prezentată în figura 16. Rulmentul constă din două conuri simple asamblate cu role conice şi colivii, o cupă dublă cu secţiune groasă şi un inel distanţier între conuri. Suplimentar, în rulment pot fi incluse etanşări.

• Figura 16: Construcția rulmentului tip TDOH

Imaginea de ansamblu a unei role cilindru verticale, cu rulment tip TDOH, este prezentată în figura 17.

• Figura 17: Imaginea ansamblului unei role cilindru verticale cu rulment tip TDOH

Avantajele constructive ale rulmenţilor tip TDOH includ:

1. Cupa dublă, cu secţiune groasă, acţionează ca o rolă, integrând două funcţii într-o singură componentă.
2.  Elimină operaţia de asamblare a unei cupe în alezajul rolei cilindru şi pericolul uzării diametrului exterior al cupei
3.  Diametrul de dispunere a rolelor în rulment poate fi mărit, obţinându-se o sarcină de bază mai bună şi o robusteţe mai mare a rulmentului.
4.  Jocul axial al rulmentului este prereglat la o valoare specifică, personalizată pentru aplicaţie, calculată de către inginerii de aplicaţie Timken şi menţinută sub un control strâns în procesul de fabricaţie al rulmentului.
5.  Rulmentul este livrat ca unitate preasamblată, ambalată, reducând astfel timpul de montaj şi costurile (nu este nevoie ca rulmentul să mai fie montat în rolă).
6. Soluţii personalizate pentru a satisface nevoile specifice – de exemplu, livrarea restului componentelor rolei cilindru verticale (ax, flanşe, garnituri, etc.) – sunt, de asemenea, disponibile.

5. Studiu de caz — Descrierea problemelor existente şi a soluţiilor

În acest studiu de caz, aplicaţia a constat într-o linie de laminare a produselor lungi, pe rolele cilindru verticale ale unei caje de laminor universal. Producătorul de laminor (OEM) şi operatorul laminorului au selectat rulmenţii acestei caje fără asistenţă de la Timken. Secţiunea şi vederea tridimensională ale rolei cilindru verticale sunt prezentate în figura 18.

• Figura 18: Rolă cilindru verticală - secțiune și vedere tridimensională

Aspecte de proiectare a rolelor cilindru verticale

Tipul de laminor: rolă cilindru verticală; diametru nominal al rolei cilindru: 550 mm; lungime rolă: 280 mm

Condiţii de funcţionare

Sarcina radială maximă: 1800 kN; viteza maximă a liniei de laminare: 270 m/min (= 156 rot/min viteza maximă a rolei)

Lubrifiere: Sistemul ulei-aer

Etanşare: Sistemul de etanşare existent constă dintr-un labirint şi o manşetă de rotaţie cu buză de etanşare radială. Clientul a reclamat funcţionarea necorespunzătoare a etanşării după ce a găsit uleiul de lubrifiere contaminat cu emulsia de răcire a laminorului.

Rulmenţi Timken (selecţie făcută de client): rulment tip TDOCD, simbol: H242649-H242610CD (figura 19)

• Figura 19: Rulment H242649-H242610CD, desenul soluției constructive tip TDOCD

Dimensiuni de gabarit: 206,375 x 336,660 x 211,138 x 169,862 mm

Sarcina radială dinamică de bază Timken: C90(2) = 612 kN, C1(2) = 2360 kN

Jocul axial al rulmentului înainte de montaj = 0,610 mm, profil standard al generatoarei rolei

Model computerizat al aplicaţiei

Aplicaţia modelată pe calculator este prezentată în figura 20.

• Figura 20: Aplicație modelată pe calculator​

Ipoteze:

• Modelul computerizat este echivalent cu condiţiile- limită ale rolei verticale descrise anterior.
• Calculele duratei de viaţă ajustate L10 sunt efectuate pentru condiţii de funcţionare de: 75% din sarcina maximă şi 75% din viteza maximă.
• Sarcină radială: 0,75 x 1800 kN = 1350 kN pentru fiecare rulment; viteza rolei: 0,75 x 156 rpm = 117 rot/min. 
• Durata de viaţă la oboseală ajustată a rulmentului L10a este de 700 de ore pe fiecare rând de rulment. Tensiunea maximă de contact între rolă şi calea de rulare a inelului interior este de 3951 MPa (la capetele rolei), iar tensiunea maximă de contact între rolă şi calea de rulare a inelului interior, măsurată la mijlocul generatoarei rolei, este de 2547 MPa (figura 21).
• Selecţia rulmentului a fost efectuată de client fără asistenţa Timken

• Figura 21: Zona de încărcare şi tensiunea maximă de contact rolă – cale de rulare inel interior al rulmentului, pentru cea mai încărcată rolă

Descrierea problemei

Clientul a reclamat faptul că rolele cilindru verticale se defectează prematur, în general prin blocarea rolei cilindru sau prin fi surarea rolei cilindru (figura 22).

• Figura 22: Deteriorarea rolei cilindru verticale

Clientul a cerut asistenţa inginerilor de service Timken. Nu au fost raportate alte probleme cu performanţa rulmenţilor existenţi.

6. Studiu de caz – Soluţia Timken de îmbunătăţire a performanţei rolelor cilindru verticale

Analiza aplicaţiei:

A fost remarcată imediat soluţia tehnică de blocare axială a cupei folosind inel elastic de blocare, soluţie inacceptabilă în acest caz, suplimentar diametrul umărului de reazem pentru cupă a fost incorect dimensionat în ambele părţi (consultaţi semnele roşii din figura 18). Această situaţie poate conduce la o dezaliniere a rulmentului şi la supraîncărcarea rolelor, înspre capătul acestora. Pentru a elimina problema reazemului insuficient al cupei, a fost încorporat un nou rulment, tip TDOH, urmare a soluţiei inovatoare Timken (rola cilindru verticală devine integrată în cupa rulmentului, conform descrierii din partea 4).

Etanşare: Manşeta de rotaţie cu buză de etanşare radială existentă a fost înlocuită cu un sistem de garnituri de etanşare îmbunătăţit. O manşetă de rotaţie cu buză de etanşare radială suplimentară a fost integrată în noul rulment TDOH.

Proiectarea noului rulment tip TDOH

Desenul noului rulment integrat TDOH, simbol NP880812-NP862889, este prezentat în figura 23.

• Figura 23: Rulment NP880812-NP862889, desenul soluției constructive tip TDOCD

Sarcina radială dinamică de bază Timken: C90(2) = 662 kN, C1(2) = 2560 kN

Notă: este posibilă o îmbunătăţire suplimentară a soluţiei constructive de rulment, în care diametrul de dispunere a rolelor este mărit, pentru a creşte la maximum sarcina radială dinamică de bază a rulmentului (aşa cum este explicat la pagina 9, avantajul constructiv #3 al soluţiei tip TDOH).

Figura 24 este o vedere tridimensională a rulmentului integrat NP880812-NP862889, tip TDOH.

• Figura 24: Vederea tridimensională a rulmentului NP880812-NP862889, tip TDOH

O dispunere verticală a rolei cu rulmentul NP880812-NP862889, tip TDOH, poate fi văzută în figura 25.

• Figura 25: Imaginea ansamblului unei role cilindru verticale cu noul rulment NP880812-NP862889, tip TDOH

Model computerizat

Aplicaţia modelată pe calculator este prezentată în figura 26.

• Figura 26: Aplicație modelată pe calculator

Rezultatele îmbunătăţirii soluţiei constructive pentru rolele cilindru verticale ale laminorului de profile

Durata de funcţionare la oboseală ajustată a rulmentului L10a s-a îmbunătăţit, de la 700 ore la 1.900 de ore pe fiecare rând al rulmentului, o creştere de 63%. Tensiunea maximă de contact a scăzut de la 3.951 MPa la 2.613 Mpa, iar tensiunea maximă de contact în mijlocul generatoarei rolei, de la 2.547 la 2.501 MPa (figura 27).

• Figura 27: Zona de încărcare și tensiunea maximă de contact role – căi de rulare ale inelului interior, pentru rola cea mai încărcată

7. Rezumat şi concluzii

1. Producţia de grinzi cu profil I implică o serie de procese care includ încălzirea blumului, apoi laminarea la conturul şi dimensiunile corespunzătoare, tăierea la cald până la lungimi care pot fi manipulate, răcirea la temperatura atmosferică, îndreptarea, tăierea la lungimi ordonate, inspectarea şi transportul.
2. Operaţia de laminare este, de obicei, distribuită între mai multe caje de laminor. Semifabricatul ţaglă cu profil I este obţinut într-o cajă de laminare semifabricate. Forma finală este obţinută în cajele DPF (degroşare, profilare şi finisare) ale laminorului de profile. Fiecare cajă DPF este alcătuită din cilindri orizontali şi role cilindru verticale.
3. Din punct de vedere istoric, mai multe tipuri de rulmenţi au fost utilizate în rolele cilindru verticale, începând cu TQO şi progresând la tipurile TDO şi 2TS-IM. Soluţia constructivă 2TS-IM este cel mai frecvent utilizată în prezent.
4. Propunerea inovatoare Timken pentru aplicaţiile role cilindru verticale vine ca o continuare logică a evoluţiei istorice a aplicaţiei; utilizează rulmentul tip TDOH (rulment conic, cu inel exterior dublu cu secţiune groasă), care integrează rola cilindru şi cupa rulmentului.
5. Rulmentul tip TDOH oferă avantaje importante. Diametrul de dispunere a rolelor rulmentului poate fi mărit, conducând la o sarcină radială dinamică de bază şi o robusteţe mai mari. Sunt eliminate instalarea cupei rulmentului în rola cilindru şi posibilitatea de uzare a diametrului exterior al cupei. Jocul axial în rulment, prereglat la o anumită valoare, este menţinut sub control strict în cadrul procesului de producţie al Timken. De asemenea, rulmentul este livrat ca unitate preasamblată, ambalată, reducând astfel timpul de montaj şi costurile.
6. Pentru a creşte rezistenţa împotriva contaminanţilor, rulmentul tip TDOH poate încorpora garnituri de etanşare suplimentare, un lucru pe care rulmenţii de construcţie standard nu îl pot realiza.
7. Soluţia cu rulmenţi TDOH poate fi adaptată pentru a răspunde nevoilor specifice; de exemplu, pot fi livrate şi restul componentelor rolei cilindru

Mulţumiri

Autorul doreşte să mulţumească companiei Timken pentru permisiunea de a publica această lucrare.

Referinţe

1. The Making, Shaping and Treating of Steel, 10th Edition/Latest Technology, AISE Foundation, USA
2. Harris, T. and Kotzalas, M. (2007), “Rolling Bearing Analysis – Advanced Concepts of Bearing Technology”
3. Metal Making Handbook, The Timken Company
4. Section and Billet Mills, SMS Group GMBH (eDocument)
5. ISO 281 (2007), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life
6. Timken Engineering Manual – Metals Industry Edition (2013), The Timken Company, Order No. 10688
7. Timken Engineering Manual (2011), The Timken Company, Order No. 10424 8. Timken Metals Product Catalog (2014), The Timken Company, Order No. 10675