Rulmentul ADAPT de la Timken pentru rolele de turnare a semifabricatelor în maşinile de turnare continuă (II)

Rulmentul ADAPT a fost proiectat special pentru a aborda limitările soluţiilor constructive existente şi reprezintă o configuraţie complet nouă de rulment.

Rulmentul asigură capacitatea de deplasare axială a unui rulment radial cu role cilindrice şi capacitatea de dezaliniere unghiulară a unui rulment radial oscilant cu role butoi.

O caracteristică cheie constă în aceea că acele capacități ale rulmentului de a permite deplasarea axială și dezalinierea unghiulară sunt independente una de cealaltă. Mai exact, poziția de lucru deplasată axial a inelelor rulmentului nu afectează capacitatea sa de dezaliniere unghiulară și invers. Aceasta se realizează prin intermediul unei configurații constructive specifice cu două inele și un set de role. Sarcina radială de bază nu este compromisă de interacțiunea dintre aceste două condiții de funcționare. Un avantaj suplimentar este că versiunea destinată utilizării în mașinile de turnare continuă are setul de role dimensionat pentru un rulment fără colivie, deși ansamblul conține o colivie a cărei construcție permite maximizarea dimensiunilor rolelor, simultan cu menținerea lor într-un ansamblu unitar.

Soluţia constructivă de bază

Soluția constructivă combină un inel interior cilindric cu role și cu un inel exterior având un profil inovator, figurile 7, 7a. Trebuie reținut că aceste profiluri sunt exagerate substanțial în imagine, pentru o mai bună ilustrare.

FIGURA 7, 7a. Rulmentul ADAPT

Prin combinația dintre aceste două profiluri se obține ceea ce poate fi descris, în termeni simpli, ca „un contact în trei puncte”. Mai exact, contactul dintre inelul interior și rolă se face într-o singură zonă, în timp ce contactul dintre rolă și inelul exterior se face în două zone separate.

Zonele de contact ale inelului exterior sunt dispuse simetric în ambele părți ale zonei de contact a inelului interior, ceea ce creează o stabilitate inerentă a rolei în regim dinamic. Mecanica funcționării fiecărei zone de contact respectă practica de proiectare consacrată în ceea ce privește interacțiunea dintre rolele profilate și căile de rulare și tensiunile de încărcare și cele de contact rezultante.

FuncţIonarea rulmentului

În timpul funcționării rulmentului cu inelele centrate și aliniate, forțele de încărcare și reacțiunile sunt în echilibru, așa cum se ilustrează în figura 8. Se poate vedea că deplasarea axială a inelului interior simplu nu afectează distribuția încărcărilor - la fel ca în cazul unui rulment radial cu role cilindrice de tip NU.

FIGURA 8. Încarcari și reacțiuni în echilibru

Atunci când este introdusă o dezaliniere unghiulară, reacțiunile inițiale dintre rolă și inelul exterior devin dezechilibrate – deoarece încărcarea crește la un capăt al rolei și scade la celălalt, așa cum se ilustrează în figura 9.

FIGURA 9. Încarcari și reacțiuni dezechilibrate în prezența dezalinierii unghiulare

Întrucât rola va încerca întotdeauna să se poziționeze de o manieră care să conducă la echilibrarea forțelor, componenta axială a încărcărilor mai mari va acționa asupra poziției rolei până   când forțele sunt din nou în echilibru [i este restabilit echilibrul dinamic. Aceste acțiuni sunt prezentate în figura 10.

Suprafețele rolei și ale căilor de rulare au o rugozitate îmbunătățită pentru a maximiza aria care preia încărcarea. De asemenea, gradul ridicat al finisării suprafețelor aflate în contact contribuie la mărirea grosimii relative a peliculei de lubrifiant [coeficientul lambda] în aplicațiile în care există o viteză de rotire suficient de mare pentru a se forma o peliculă elastohidrodinamică de lubrifiant.

 FIGURA 10. Echilibrul dinamic restabilit în prezenţa dezalinierii unghiulare

Colivia rulmentului este ghidată pe role și este fabricată din tablă de oțel ambutisat și tra­tat termic prin nitrurare, pentru îmbunătățirea rezistenței mecanice și a rezistenței la uzură.

Soluția constructivă a ansamblului inel exterior permite folosirea unui set complet de role pline, rolele având dimensiuni de gabarit similare celor dintr-un rulment fără colivie, în timp ce formează cu colivia un ansamblu nedemontabil. Atunci când este combinat cu inelul interior luat ca o componentă separată, se obține un rulment care este ușor de instalat, de demontat și de inspectat. În funcție de soluția constructivă aleasă pentru rolele mașinii de turnare continuă, inelul interior al rulmentului poate fi montat pe arbore separat de restul rulmentului, în timp ce ansamblul inel exterior este montat în carcasa sa. Montarea este ușurată și mai mult de faptul că inelele interioare sunt interschimbabile, astfel nefiind necesar să se păstreze împreună, ca seturi împerecheate, inele interioare și ansambluri inel exterior de rulment.

Distribuţia tensiunii de contact

Modelarea distribuției tensiunii de contact arată că nivelurile tensiunilor generate în rulmen­tul aflat în funcționare rămân în cadrul limitelor considerate în faza de proiectare. Trebuie remar­cat că limitele considerate în faza de proiectare sunt cele care se calculează pentru încărcarea rulmentului cu sarcina de bază statică, datorită vitezei de rotire mici neputându-se considera un regim de funcționare dinamic.

În figurile 11 și 12 este prezentată distribuția generală a tensiunii de contact dintre rolă și calea de rulare a inelului interior, pentru încărcări apli­cate echivalente cu 25 %, respectiv 50 % din sarcina de bază statică a rulmentului [Coț. În figurile 13 şi 14 este prezentată distribuția de tensiuni unică pe inelul exterior, pentru aceleași valori ale încărcărilor. Observați că nu există vârfuri de tensiuni spre marginile liniei de contact dintre rolă și calea de rulare a inelului exterior. În figurile 12 și 14 se poate vedea cum distribuția tensiunii de contact pe inelul exterior se repartizează pe lungimea rolei, pe măsură ce crește încărcarea în rulment. Această caracteristică permite o distribuție optimă a tensiunii de contact și menținerea unor valori maxime acceptabile ale acesteia, în ciuda încărcărilor mari aplicate rulmentului.

Contactul în trei puncte înseamnă că rola este supusă încovoierii, atunci când se află sub sarcină. Pentru a permite aceasta în condiții de funcționare sigură, rolele din rulmentul ADAPT sunt fabricate din oțel de cementare. Inelul interior și cel exterior sunt fabricate din oțel de călire pătrunsă.

Validarea soluţiei constructive

Rulmenții prototip pentru validarea soluției constructive au fost fabricați conform dimensiunilor de gabarit ISO 2212, la Timken Technology Center [TEC] din Canton, Ohio. Testele privind generarea de căldură și de durabilitate a rulmenților au fost efectuate de asemenea la TEC. Au fost utilizate mai multe standuri de probă, fiecare stand fiind prevăzut cu doi rulmenți ADAPT principali și doi rulmenți secundari, radiali oscilanți cu role butoi, de aceeași mărime cu rulmenții ADAPT. Testarea a presupus trecerea rulmenților printr-o matrice de combinații de încărcări și turații, turațiile fiind cuprinse între 1.200 și 4.800 rot/min, iar încărcările între 10 și 50 % din sarcina dinamică de bază C1, calculată conform ISO. Rezultatele testelor au arătat că soluția constructivă este robustă.

Rulmenții ADAPT au funcționat la temperaturi mai scăzute decât cei secundari folosiți pentru comparație și au depășit durabilitatea calculată L10. Efectuarea unei testări interne în vederea validării, în cadrul unui mediu simulat al unei mașini de turnare continuă, nu s-a justificat din punct de vedere practic, datorită turației de funcționare mici, care ar fi necesitat perioade ale testării de peste un an. Aceste rezultate pozitive au permis trecerea la etapa următoare a testării, folosind rulmenți de dimensiunile celor utilizați în mașinile de turnare continuă existente.

Testarea şi încercările de pe teren

Conceptul de rulment ADAPT a fost prezentat Diviziei de mașini de turnare continuă a Siemens VAI din Linz, Austria, care a fost de acord să coopereze cu Timken la organizarea desfășurării unor încercări pe teren, ce vor fi efectuate pe o mașină de turnare continuă aflată curent în producție. Dimensiunile rulmenților, stabilite de comun acord pentru aceste încercări, au fost versiuni fără colivie ale rulmenților 4024 și 4032, care urmau a fi instalați în ansamblurile de role ale mașinii de turnare continuă a Siemens VAI.

Simbolurile de catalog Timken pentru acești rulmenți ADAPT sunt TA4024VC4 și TA4032VC4. Rulmenții de testare au fost fabricați la o uzină de producție de rulmenți Timken, folosind procese de producție standard. Ulterior, Siemens VAI ne-a anunțat că voestalpine Stahl, tot din Linz, Austria a fost de acord să încerce rulmenții în noua lor mașină de turnare continuă #6. Această mașină a fost furnizată de Siemens VAI și poate produce brame cu grosimea de până la 235 mm și lățimea de 1.650 mm, la viteze de turnare de până la 2,0 m/min. Rulmenții 4024 vor fi instalați într-un segment al mașinii de îndreptat, iar rulmenț ii 4032 într-un segment din zona orizontală.

Rulmenții mai mici vor fi instalați primii, având ca reper inițial de performanță 1 milion tone turnate. Testele privind durabilitatea, generarea de căldură și dezalinierea exagerată a unor rulmenți de aceeași mărime vor fi efectuate simultan la TEC. Testarea la TEC privind durabilitatea și generarea de căldură a fost efectuată într-un mod similar cu cea pentru rulmenții prototip 2212, dar la turații diferite și cu o încărcare constantă echivalentă cu 40% din valoarea sarcinii dinamice de bază C1 calculată conform ISO. Turațiile au fost cuprinse între 400 și 1.600 rot/min. În plus, au fost efectuate teste de dezaliniere forțată la 0,2°, 0,35°și 0,55°, la sarcini cuprinse între 10 și 40% din valoarea sarcinii dinamice de bază C1 și la 600 rot/min.

Rezultatele testelor

Testele interne au dat rezultate similare cu cele din testarea rulmenților prototip 2212. ADAPT a funcționat la temperaturi mai reduse decât rulmenții radial oscilanți cu role butoi secundari, iar durabilitatea a depășit valoarea teoretică L10 cu o marjă substanțială. Funcționarea la temperaturi mai reduse sugerează o frecare de alunecare mai mică în interiorul rulmentului, iar raportul durabilitate/încărcare mai bun sugerează o fiabilitate îmbunătățită. Testarea dezalinierii a confirmat că nu apare fenomenul de ieșire a ansamblului rolă-colivie dincolo de fețele inelului exterior, până la dezalinierea maximă specificată, de 0,5°.

Rulmenții TA4024VC3 instalați în mașina de turnare continuă a voestalpine Stahl au reușit să ajungă la 1.000.000 tone de oțel turnat în ianuarie 2011. Rulmenții TA4032VC3 au reușit să ajungă până acum la 650.000 tone. Se estimează că rulmenții din seria 4024 vor reuși să atingă 2,7 milioane tone, iar cei din seria 4032 vor ajunge la 4,0 milioane tone de oțel turnat.

Concluzii

Obiectivul de a produce un rulment fiabil de mare capacitate, care să asigure simultan funcțiunile independente de dezaliniere și deplasare axială relativă a inelelor, alături de ușurința de montare, de demontare și de inspectare, a fost atins. Testările reușite de la Timken și, mai important, din mașina de turnare continuă aflată în producție au confirmat că rulmentul îndeplinește intenția și specificațiile pentru care a fost proiectat.

Mulţumiri

Autorul și coautorii doresc să-și exprime mulțumirile către Siemens VAI și voestalpine Stahl, datorită cooperării și participării la încercările de pe teren ale acestor rulmenți.

(Toate imaginile: The Timken Company)

NIGEL A. LOS  = The Timken Corporation

Co-autori: JOHN H. RHODES, GEORG DABERGER - The Timken Corporation