Modernizacja walcowni – zmodernizowane walce przystosowane do ekstremalnych obciążeń

Timken Company, walec © Timken Company

Udostępnij:

Dzisiejsze walcownie borykają się z niskim poziomem inwestycji w nowe wyposażenie oraz wyższymi wymaganiami w zakresie produkcji. Walcownie starzeją się, ale w celu podwyższenia produktywności ich obciążenia użytkowe stale się zwiększają. Tak ekstremalne warunki, w połączeniu z przestarzałą konstrukcją walców, stanowią przyczynę wielu uszkodzeń czopów walców roboczych walcowni 2-HI czy też walców oporowych walcowni 4-HI. W rezultacie na rynku powstał popyt na usługi modernizacji walcowni mający na celu zmniejszenie ryzyka pękania czopów w obszarze pierścienia labiryntowego przy pracy pod dużym obciążeniem.

Walcownie, z uwagi na pracę w bardzo wysokich temperaturach, obciążeniach i prędkościach, stanowią niezwykle wymagające zastosowanie zarówno dla łożysk, jak i walców.

 

Rys. 1. Naprężenie przy rozciąganiu walca

Podczas procesu walcowania, obciążenie na walcowany produkt jest przenoszone poprzez łożyska. Jeden obszar na czopie walca jest poddany głównie naprężeniu rozciągającemu o maksymalnej wartości σmax, podczas gdy obszar przeciwległy jest poddany naprężeniu ściskającemu o minimalnej wartości σmin. Gdy walec obróci się o 180°, wspomniane dwa obszary zmieniaja pozycję i wielkość naprężenia powierzchniowego, a siła rozciągająca ulega zwiększeniu z σmax do σmin = -σmax. Po pewnym czasie naprężenia materiału w tych punktach wielokrotnie ulegają zmianie, oscylując między dwoma progami (jedna pełna zmiana na obrót), jak pokazano na wykresie na rysunku 1. W rezultacie obszar czopu walca znajdujący się pomiędzy łożyskiem a beczką walca (promień podtoczenia) jest poddany naprzemiennemu symetrycznemu cyklicznemu naprężeniu rozciągającemu, którego wartość oscyluje wraz z obrotem walca. Zawsze należy dokładnie ocenić maksymalne dopuszczalne naprężenie w celu uzyskania jak najlepszej geometrii podcięcia pomiędzy czopem a beczką walca (tj. podcięcia i promieni podtoczenia), aby zapewnić kontrolę koncentracji naprężeń.


Rozwiązanie firmy Timken Company w zakresie modernizacji wysoko obciążonych łożysk walcowniczych

Firma Timken oferuje następujące rozwiązania w zakresie modernizacji walców:
1) Optymalizacja konstrukcji walca pod kątem średnicy czopu walca
2) Wsparcie konstrukcyjne w zakresie zmiennego promienia podtoczenia czopu walca
3) Wybór łożysk o zmniejszonym przekroju (większy otwór przy takiej samej średnicy zewnętrznej*, taka sama lub mniejsza szerokość całkowita oraz specjalne cechy pozwalające na zachowanie lub zwiększenie nośności)

*Rozwiązanie w zakresie modernizacji zakłada, że wykorzystywane będą te same obudowy wymagające łożysk o tej samej średnicy zewnętrznej.

 


TOP w kategorii


#Utrzymanie ruchu

modernizacja walcowanie walcownia



I. Zagadnienia teoretyczne związane z modernizacją walców pod kątem ekstremalnych obciążeń

1. Optymalizacja konstrukcji czopu walca

a) Optymalizacja średnicy czopu walca
Mocno obciążone walce, które często pracują przy niewielkich prędkościach, wymagają większej średnicy czopu, celem przenoszenia wyższych naprężeń rozciągających. Z uwagi na ten wymóg standardowy rozmiar łożysk walcowniczych (łożysko A na rys. 2) może nie być odpowiedni. W przypadku zastosowań o wysokim obciążeniu zaleca się łożyska o mniejszym przekroju (łożysko B) mające tę samą średnicę zewnętrzną, co łożyska do zastosowań ciężkich, ale za to większy otwór. Łożyska o mniejszym przekroju zapewniają większy stosunek średnicy czopa do średnicy walca (d/D ~ 68%) oraz, gdy jest to możliwe, mniejszą szerokość łożyska, która skraca także odległość wzdłużną pomiędzy środkim podparcia łożysk a powierzchnią czołową beczki walca. Większa średnica zewnętrzna czopu i obniżony moment ugięcia walca zwiększa wydajność czopu walca przy ekstremalnych obciążeniach.

 

Rys. 2. Optymalizacja średnicy walca

b) Zastąpienie istniejącego promienia podtoczenia zmiennym promieniem podtoczenia

Tradycyjne konstrukcje czopu walca często wykorzystują jeden promień podtoczenia. Bogate doświadczenie firmy Timken w przemyśle stalowym sugeruje, że rozwiązanie to może nie być odpowiednie dla walcowni pracujących przy wysokich obciążeniach i wskazane jest zastąpienie jednego promienia zmiennym promieniem podtoczenia. Podtoczenia wielopromieniowe są zalecane, z uwagi na korzystniejszy rozkład naprężeń podtoczenia. Rys. 3 pokazuje zmienny promień podtoczenia złożony z odpowiednio dwóch ustalonych długości i wysokości podtoczenia ra i rb, mający na celu obniżenie maksymalnego naprężenia czopu walca. Długość i wysokość promieni podtoczenia rc i rd można obliczyć według następującego wzoru:

rc = r+ (ra–rb)2/2(rb–rd)   r= (4rb–ra )/3

ra = długość podtoczenia (z praktycznych powodów zakładamy, że ra jest mniejszy niż 2,5 rb),
rb = wysokość podtoczenia,
rc = większy promień podtoczenia zmiennego,
rd = mniejszy promień podtoczenia zmiennego.

 

 

Rys. 3. Zmienny promień zaokrąglenia

 

2. Łożyska o mniejszym przekroju

Inżynierowie firmy Timken używają zaawansowanych, dedykowanych programów komputerowych do tworzenia modeli różnych zastosowań i środowisk pracy, co pozwala na produkcję specjalnie zaprojektowane łożyska o większej trwałości. Aby zmaksymalizować wydajność łożysk w trudnych warunkach pracy, firma Timken opracowała serię łożysk DuraSpexx Power Rating. Łożyska DuraSpexx cechują się modyfikowaną konstrukcją, zwiększającą trwałość łożysk w wymagających zastosowaniach i trudnych środowiskach pracy. Łożyska DuraSpexx idealnie nadają się do zastosowań przemysłowych o dużym obciążeniu, takich jak walcownie czy przekładnie. Wprowadzone ulepszenia oraz mniejszy przekrój łożysk przekładają się na większą nośność. Seria DuraSpexx wykorzystuje wiedzę firmy Timken z zakresu projektowania łożysk, aby zapewnić 23% większą dynamiczną nośność łożysk, a co za tym idzie – większą trwałość zmęczeniową niż w przypadku standardowych łożysk Timken, jak pokazano na rysunku 4.

 

Rys. 4. Porównanie trwałości łożysk z serii DuraSpexx Power Rating oraz standardowych łożysk Timken przy tej samej średnicy obudowy

Cechy konstrukcji DuraSpexx 
• Lepsze materiały o większej czystości zmniejszające ryzyko uszkodzeń związanych z wtrąceniami
• Opcje wykończenia powierzchni zmniejszające mikrołuszczenie i zmęczenie przy pracy łożysk w wysokich temperaturach i granicznych warunkach smarowania
• Specjalna geometria wewnętrzna optymalizująca rozkład naprężeń powierzchniowych przy pracy w wysokich obciążeniach i/lub niewspółosiowości

 

II. Studium przypadku – opis istniejącego problemu i jego rozwiązania

Niniejsze rozwiązanie jest stosowane w walcach walcownii 2-HI, ale jego zastosowanie można poszerzyć o walce oporowe w walcowaniach 4-HI. Rysunek 5 pokazuje obciążenie walca oraz szczegóły dotyczące bieżącego promienia podtoczenia.

 

Rys. 5. Obciążenie walca i szczegóły dotyczące promienia zaokrąglenia

 

Cechy konstrukcji walcowni:

  • Typ walcowni: Walcownia 2-HI
  • Średnica beczki walca: 990 mm
  • Szerokość beczki: 2180 mm
  • Średnica czopu walca: 595 mm
  • Stosunek czopu walca do beczki: 60%
  • Odległość podpacia łożysk: 2980 mm
  • Materiał walca: stal
  • Moduł Younga 210000 MPa
  • Współczynnik Poissona: 0,3
  • Granica sprężystości przy rozciąganiu: 250 MPa
  • Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie: 460 MPa
  • Widok izometryczny walca pokazano na rysunku 6.

 

Rys. 6. Konstrukcja zaokrąglenia czopu walca: widok izometryczny Rys. 7. Szczegółowy widok łożyska stożkowego 4-rzędowego

  

Warunki pracy

Maksymalne obciążenie podczas walcowania: 2200 ton (= 21582 kN)
Maksymalna prędkość walcowania: 220 m/min - 1 przejście

 

Łożysko Timken

Rysunek 7 pokazuje przekrój łożyska stożkowego 4-rzędowego, złożonego z dwóch podwójnych pierścieni wewnętrznych, czterech pojedynczych pierścieni zewnętrznych, jednego wewnętrznego pierścienia dystansowego oraz trzech zewnętrznych pierścieni dystansowych.

Łożysko: 4-rzędowe łożysko TRB M280049DW-M280010
Obudowa: 595,312 x 844,550 x 615,950 (otwór x śr. zewn. x szerokość w mm) 
Nośność wg Timken: C90(4) = 4400 kN

Model komputerowy 

Rysunek 8 przedstawia izometryczny widok komputerowego modelu, natomiast rysunek 9 przedstawia model zastosowania.

Rys. 8. Komputerowy model widok izometryczny Rys. 9. Komputerowy model

 

Rys. 10. Widok skorygowanej trwałości łożyska L10a

 

Obliczeniowa trwałość zmęczeniowa L10a jednego rzędu pod maksymalnym obciążeniem, przedstawiona na rys. 10, wynosi 2800 godzin.

Ponieważ pierścienie zewnętrzne łożysk są stacjonarne wewnątrz obudów, obciążeniu podlega tylko pewna część pierścienia. Ta część zwana jest „strefą obciążenia”. Na czołach tych pierścieni oznaczono ich cztery strefy. Oznaczenia te pozwalają użytkownikowi sprawdzić, które obszary łożyska zostały wykorzystane w strefie obciążenia.

Dobrą praktyką jest montaż łożyska tak, aby na początku w strefie obciążenia znajdowała się strefa nr 1 każdego pierścienia, a następnie przy kolejnych zabudowach następowało obracanie pierścienia, aż do powrotu do numeru 1. Obracanie pierścieni przy każdej inspekcji wydłuży trwałość łożyska poprzez stopniowe rozkładanie obciążenia na całej bieżni pierścienia. Maksymalne naprężenie 352 N/mm2 na powierzchni podtoczenia oraz trwałość zmęczeniową walca rzędu 4400 godzin przedstawiono na rys. 11.

 

Rys. 11. Ocena czopu walca przed modernizacją: Maksymalne naprężenie i trwałość zmęczeniowa

 

Opis problemu – pęknięcie czopu walca

W wyniku pęknięcia czopa walca w obszarze promienia podtoczenia, (rys. 12), klient poprosił firmę Timken o znalezienie rozwiązania, które zwiększyłoby wytrzymałość czopu walca, utrzymując trwałość zmęczeniową nowego łożyska w akceptowalnym zakresie. Nie zanotowano problemów z bieżącym wyborem łożysk.

 

Rys. 12. Złamanie czopu walca

 

III. Studium przypadku – rozwiązanie Timken z zakresu modernizacji walców

Firma Timken zaproponowała optymalizację konstrukcji walca polegającą na zwiększeniu średnicy czopu z Ø595 do Ø610 mm i zastąpieniu bieżącego promienia podtoczeniazaokrągleniem wielopromieniowym. Zachowano przy tym pierwotną średnicę zewnętrzną i szerokość łożysk. Z uwagi na większy otwór łożyska, konieczna była wymianapokrywy i uszczelnienia .

1) Zwiększenie średnicy czopu walca (z 595 do 610 mm)

Cechy konstrukcji walcowni 
Średnica beczki walca: 990 mm
Szerokość beczki: 2240 mm
Średnica czopu walca: 610 mm
Stosunek czopu walca do beczki: 62%

 

Nowe łożysko Timken

Łożysko: 4-rzędowe łożysko TRB NP825343-NP205014 (pokazane na rys. 13)
Obudowa: 610,000x844,550x615,950 [otwór x średn. zewn. x szerokość w mm]
Nośność wg klasyfikacji Timken: C90(4) = 5020 kN ze standardowym łożyskiem Timken
Nośność wg klasyfikacji Timken: C90(4) = 6175 kN z łożyskiem DuraSpexx®

Rys. 13. Schemat łożyska


2) Zastąpienie istniejącego podtoczeniapodtoczenia, podtoczeniem wielopromieniowym podtoczenia

 

Obliczeniowa trwałość zmęczeniowa L10a, pokazana na rys. 15, wynosi 4500 godzin w przypadku standardowego łożyska Timken oraz 9000 godzin w przypadku łożyska DuraSpexx®.

Rys. 14. Zoptymalizowane zaokrąglenie czopu walca

 

 

Rys. 15. Obliczeniowa trwałość łożysk L10 w przypadku bieżących rozwiązań w porównaniu ze standardowymi łożyskami i łożyskami DuraSpexx

Maksymalne naprężenie walca 318 N/mm2 na powierzchni podtoczenia oraz trwałość zmęczeniową walca rzędu 6000 godzin przedstawiono na rys. 16.

Rys. 16. Ocena czopu walca po modernizacji: Maksymalne naprężenie i trwałość zmęczeniowa

 

Wyniki modernizacji walca
1. Maksymalne naprężenie walca obniżone z 352 N/mm2 do 318 N/mm2, spadek o 9,6%.
2. Trwałość zmęczeniowa walca zwiększona z 4400 godzin do 6000 godzin, wzrost w wysokości 36%.
3. Trwałość zmęczeniowa L10a standardowego łożyska Timken zwiększona z 2800 godzin do 4500 godzin, wzrost o 60%.
4. Trwałość zmęczeniowa L10a nowego łożyska DuraSpexx® zwiększona z 2800 godzin do 9000 godzin, wzrost o 120%.

 

IV. Podsumowanie i wnioski

Ze względu na częste awarie spowodowane pęknięciami czopów walca w obszarze pierścienia labiryntowego, na rynku istnieje popyt na usługi z zakresu modernizacji walcowni. Firma Timken ma rozległą wiedzę w tej dziedzinie i oferuje zarówno wsparcie techniczne w zakresie optymalizacji konstrukcji walców, jak i łożyska o mniejszym przekroju. Rozwiązania te zwiększają wydajność walców poprzez obniżenie maksymalnego naprężenia na powierzchni walca oraz zwiększenie trwałości zmęczeniowej łożysk.

 

Bibliografia:
1. Harris, T. and 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
5. Timken Engineering Manual – Metals Industry Edition
6. Timken Metals Product Catalog

 

>>Zobacz więcej informacji na temat łożysk z serii DuraSpexx<<

 

Źródło: Timken Company

Udostępnij:

Drukuj





MM



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również