Modernizarea laminoarelor, îmbunătăţirea cilindrilor de lucru pentru operare la viteze extreme (II)

Operatorii de laminoare din industria metalurgică se află sub presiunea constantă de reducere a costurilor de producție în contextul unei piețe globale caracterizată prin fluctuații ale cererii. O modalitate obișnuită de a obține costuri competitive este creșterea productivităţii laminoarelor.

Această aplicație este modelată pe cilindri de lucru din laminoare cu patru cilindri (de tip 4-HI).

• IMAGINEA 11. Cilindrul de lucru - reprezentare izometrică

Atribute de proiectare pentru laminor

• Tip laminor: laminor cu patru cilindri (4-HI)
• Diametru nominal tăblie cilindru de lucru: Ø 254 mm
• Diametru minim tăblie cilindru de lucru: Ø 228,6 mm
• Lungime tăblie: 1612,9 mm
• Diametru fus cilindru: Ø 139,7 mm
• Raport diametru fus/tăblie cilindru: 55%
• Poziție șuruburi de presiune: 2184,4 mm

Reprezentarea izometrică a cilindrului de lucru se regăsește în Imaginea 11.

Condiții de operare ale cilindrului de lucru

• Forța maximă de încovoiere: 167.4 kN (per rulment)
• Sarcină axială maximă: 60 kN
• Viteză liniară maximă: 1036 m/min (= 1443 rpm viteza cilindrului pentru diametrul minim al cilindrului)

Inel de racordare fus cilindru:

• Material inel de racordare: Oțel
• Duritate de 58-60 HRC (comparabilă cu duritatea rulmentului)

Lubrifiere

Sistem aer-ulei

Reprezentarea izometrică a inelului de racordare este în imaginea 12. Soluția constructivă a inelului de racordare are frezări de lubrifiere cu muchii ascuțite (raza de 0,5 mm) - Detaliu A.

• IMAGINEA 12. Inelul de racordare a fusului cilindrului - reprezentare izometrică

Rulment Timken

Imaginea 13 arată desenul rulmentului pentru cilindri de lucru folosit în aplicație – rulment radial-axial cu role conice, pe patru rânduri, tip TQOGW: 48680DGW-902A3.

• Dimensiuni de gabarit: Ø139.700x Ø200.025x160.340 (alezaj x diametru exterior x lățime în mm)
• Sarcină de bază dinamică Timken, pentru 90 milioane rotații: C90(4) = 240 kN

• IMAGINEA 13. Desen rulment cu role conice pe patru rânduri, tip TQOGW: 48680DGW-902A3

Model computerizat

Aplicația, modelată cu ajutorul computerului, este prezentată în Imaginea 14.

• IMAGINEA 14. Aplicația modelată cu ajutorul computerului

Modelul computerizat este echivalent cu condițiile limită de operare ale cilindrului de lucru, descrise anterior. Calculele pentru determinarea durabilității L10 sunt efectuate pentru condiții de operare de 75% din încărcarea maximă și 75% din viteza maximă:

• Forța de încovoiere: 0,75 x 167,4 kN = 125,55 kN per rulment
• Forța axială: 0,75 x 60 kN = 45 kN
• Viteza cilindrului de lucru 0,75 x 1443 rpm = 1082,3 rpm

• IMAGINEA 15. Imagine durabilitatea ajustata a rulmentului L10a

Durabilitatea ajustată L10A a rândului cu încărcare maximă (rândul 3), prezentată în imaginea 15, este de 8800 de ore. Este calculată pentru condiții de operare de 75% din forța maximă și 75% din viteza maximă și prezentată pentru situația în care forța axială acționează în ambele direcții. Datorită, în primul rând, încovoierii fusului cilindrului, distribuția încărcării, deci și durabilitatea, nu va fi egală pe cele patru rânduri ale rulmentului.

Descrierea problemei - uzură rapidă a fețelor inelelor interioare ale rulmentului

Clientul nostru a mărit provocarea pentru rulmenții de cilindri atunci când a decis să îmbunătățească productivitatea laminorului, mărind viteza liniară cu 20%. O viteză liniară mărită astfel, fără alte îmbunătățiri sau modificări aduse laminorului, generează uzura masivă a fețelor inelelor interioare ale rulmentului, precum este ilustrat în imaginea 16. Clientul a cerut asistența inginerilor de service Timken. Nu au fost raportate alte probleme de performanță la rulmenții existenți.

• IMAGINEA 16. Uzura masivă a inelului interior al rulmentului. Uzură de aderență severă, fisurare de la caldura și coroziune

Zonele de tensiune von Mises maximă (Imaginea 17) sunt indicate pe suprafața de contact a inelului de racordare (valori peste 150 MPascal local). Acestea sunt calculate în condiții maxime de operare (forță de încovoiere maximă de 167,4 kN per rulment și forță axială maximă de 60 kN).

• IMAGINEA 17. Tensiunile von Mises pe inelul de racordare al fusului cilindrului (înainte de îmbunatațirile aduse cilindrului)

C. Studiu de caz - Soluþia Timken de îmbunătăþire a cilindrilor de lucru

O acțiune de îmbunătățire a laminorului a fost efectuată respectând îmbunătățirile tehnice recomandate de Timken:

1. Plasarea frezărilor de ungere pe fețele inelelor interioare ale rulmentului (Imaginea 18).

Utilizarea soluției constructive Timken, cu muchii rotunjite pentru frezările de ungere ale inelelor interioare (raza de racordare a muchiilor fețelor de 3 mm), pentru micșorarea uzurii între piesele adiacente. Înjumătățirea numărului de frezări de ungere (8 frezări pe inelul interior al rulmentului, comparativ cu 16 frezări pe inelul de racordare a fusului cilindrului), pentru a scădea presiunea de contact pe fețele pieselor adiacente. Scăderea numărului frezărilor de ungere se bazează pe standardele interne Timken.

• IMAGINEA 18. Frezari de ungere cu muchii rotunjite, prevazute pe fețele inelului interior al rulmentului 

2.Îndepărtarea frezărilor de ungere de pe fața inelului de racordare al fusului cilindrului de lucru și mărirea diametrului umărului de reazem al rulmentului pe cât de mult este posibil.

3.Micșorarea durității inelului de racordare a fusului cilindrului, la 55-58 HRC, de la 58-60 HRC (sub duritatea rulmentului).

4.Adăugarea unui nou ajutaj pentru a lubrifia contactul între fața inelului interior și fața inelului de racordare (Imaginea 19).

• IMAGINEA 19. Adăugarea unui nou ajutaj de lubrifiere

• IMAGINEA 20. Tensiunile von Mises pe inelul de racordare al fusului cilindrului (dupa acțiunea de îmbunatațire)

5. Creşterea vâscozității cinematice a uleiului de lubrifiere, de la ISOVG220, la ISOVG320

Tensiunile von Mises maxime, du pă această acțiune de îmbunătățire, au avut valori aproape de 60 MPa, atât pe inelul de racordare al fusului cilindrului (Imaginea 20), cât și pe inelele interioare ale rulmentului. Tensiunile au fost calculate sub aceleași încărcări ca în imaginea 17.

Rezultatele îmbunătățirii cilindrului de lucru al laminorului pentru viteze extreme:

1. A scăzut tensiunea maximă de contact între inelul interior al rulmentului și fața adiacentă a inelului de racordare al fusului cilindrului, dela 150 MPa până la 60 MPa - o scădere de 60%.

2. Respectând recomandările Timken, a scăzut considerabil uzura fețelor inelelor interioare ale rulmentului. Clientul a avut nevoie să înlocuiască doar 6 rulmenți în anul de după îmbunătățire, în loc de 25 înlocuiți în anul precedent îmbunătățirii.

3. Operatorul laminorului a reușit să crească productivitatea laminorului cu 20%, așa cum a fost planificat.

D. Rezumat şi concluzii

Operatorii de laminoare trebuie să rămână competitivi în contextul unei piețe globale fluctuante și să își mărească viteza liniară de laminare. Mărirea vitezei aduce cu sine provocări tehnice care trebuie rezolvate. Compania Timken are o expertiză cuprinzătoare în acest domeniu și oferă atât asistență tehnică pentru optimizarea proiectului laminorului, cât și rulmenți pentru cilindri de laminor cu caracteristici îmbunătățite pentru o viteză mai mare. Astfel de măsuri asigură performanț a laminorului în aceste condiții de operare solicitante.

Materialul prezentat aici se concentrează pe uzura fețelor dintre inelele interioare al rulmentului și componentele de îmbinare (inelele de racordare și siguranță). Alte aspecte, precum uzura fusului cilindrului, trebuie luate de asemenea în considerare în cadrul selecției și validării rulmenților cilindrului de lucru.

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. Zygmunt Wusatowski (1969), “Fundamentals of Rolling”

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 Metals Product Catalog, (2014) - The Timken Company / Order No. 10675

Sorin Tudor este Inginer principal aplicații - Departamentul inginerie pentru clienți - Timken Europe

Octavian Konnerth este  Manager inginerie de service - Departamentul inginerie pentru clienți - Timken Europe (colaborator)