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Dokumentenidentifikation DE10147046C2 02.10.2003
Titel Antriebssystem für ein Walzwerk
Anmelder SMS Meer GmbH, 41069 Mönchengladbach, DE
Erfinder Stinnertz, Horst, 47877 Willich, DE;
Baensch, Michael, Dr.-Ing., 41069 Mönchengladbach, DE
Vertreter Patentanwälte Valentin, Gihske, Große, 57072 Siegen
DE-Anmeldedatum 25.09.2001
DE-Aktenzeichen 10147046
Offenlegungstag 24.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse B21B 35/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Walzwerk, insbesondere für ein Kaltpilgerwalzwerk, mit mindestens einem hin- und herbewegbaren Walzgerüst, mindestens einem Kurbeltrieb, der einen Kurbelarm mit Ausgleichsgewicht zum zumindest teilweisem Ausgleich der vom Walzgerüst erzeugten Massenkräfte, einen Antrieb und eine Schubstange aufweist, die Walzgerüst und Kurbelarm gelenkig miteinander verbindet, und mindestens einer zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten exzentrisch drehbar angeordneten Gegenmasse.

Ein gattungsgemäßer Antrieb für ein Kaltpilgerwalzwerk ist beispielsweise aus der DE 43 36 422 C2 bekannt. Zur Durchführung des Kaltpilgerprozesses ist ein mit einem Kaltpilgerwalzenpaar ausgestattetes Walzgerüst erforderlich, das oszillierend angetrieben wird. Hierzu wird ein Kurbeltrieb eingesetzt, der von einem Motor angetrieben wird. Der Kurbeltrieb ist zum Ausgleich der Massenkräfte des Walzgerüsts mit einem Ausgleichsgewicht versehen. Allerdings reicht dieses Gewicht nicht für einen hinreichenden Ausgleich der Massenkräfte und Massenmomente aus.

Die Produktivität eines Kaltpilgerwalzwerks ist direkt von der Hubzahl des Walzgerüsts pro Zeiteinheit abhängig, weshalb aus Wirtschaftlichkeitsgründen eine möglichst große Anzahl an Arbeitshüben pro Minute angestrebt werden muss. Dies bedeutet jedoch auch große Massenkräfte, die sowohl das Antriebssystem und namentlich dessen Lager sowie auch das Fundament und damit die Umgebung belasten.

In der DE 43 36 422 C2 ist daher vorgesehen, dass der Kurbeltrieb über eine Verzahnung eine weitere Welle antreibt, auf der eine Gegenmasse hinsichtlich des Schwerpunkts exzentrisch angeordnet ist. Diese Gegenmasse läuft bei Drehung des Kurbeltriebs gegensinnig um und ist so in der Lage, ausgleichende Massenkräfte bzw. Massenmomente zu erzeugen, so dass sich insgesamt ein Massenkraftausgleich im gesamten Antriebssystem ergibt.

Nachteilig ist bei der bekannten Ausgestaltung, dass sich insgesamt eine recht aufwendige Konstruktion des gesamten Antriebssystems ergibt, weil eine Vielzahl von Maschinenelementen - über Verzahnungen ineinander eingreifend - erforderlich sind. Damit steigen auch die Kosten des Antriebssystems und damit des Kaltpilgerwalzwerks, wobei hierunter nicht nur die Investitionskosten für die Anlage selber zu verstehen sind, sondern auch die Kosten für das Anlagenfundament, für Ersatz- und Verschleißteile und für Wartung und Reparatur.

Aus der DE 962 062 C ist ein Antriebssystem für ein Kaltpilgerwalzwerk bekannt, bei dem der Kurbelarm zum Antrieb des Walzgerüsts mit Fliehgewichten und einem vertikal oszillierenden Ausgleichsgewicht zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung sowie der Massenmomente im Antrieb ausgestattet ist.

Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass das Fundament des Walzwerks sehr aufwendig und damit teuer ausgestaltet ist, da für das vertikale Eintauchen des Ausgleichsgewichts in das Fundament gesorgt werden muss. Es wird hierbei ein großer und tiefer Keller benötigt, was die Kosten des Walzwerks entsprechend steigen lässt.

Die DE 36 13 036 C1 offenbart einen Antrieb für das Walzgerüst eines Kaltpilgerwalzwerks, wobei ein Planetkurbeltrieb zum Antrieb und Ausgleich von Massenkräften und Massenmomenten zum Einsatz kommt.

Wenngleich mit dieser Lösung ein optimaler Massenausgleich erfolgen kann, eignet sich dieser Antrieb nur bei kleineren Kaltpilgerwalzwerken, weil bei größeren Anlagen die Baugröße eines solchen Antriebsystems überproportional steigt und damit hohe Kosten verursacht.

Alle bekannten Antriebssysteme für Kaltpilgerwalzwerke haben daher gravierende Nachteile, sei es die ungenügende Reduzierung der Massenkräfte bzw. Massenmomente, hohe Investitions- bzw. Fundamentkosten und/oder eine aufwendige Montage bei der Fertigung bzw. bei der Reparatur und Instandhaltung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein gattungsgemäßes Kaltpilgerwalzwerk so zu gestalten, dass bei möglichst einfachem und damit kostengünstigem Aufbau die Massenkräfte auf ein zulässiges Maß beschränkt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gegenmasse von einem vom Antrieb des Kurbeltriebs unabhängigen, separaten Antrieb rotatorisch antreibbar ist.

Die Gegenmassen zum Ausgleich der Massenkräfte bzw. Massenmomente werden also unabhängig vom Antrieb des Kurbeltriebs mit einem eigenen Motor angetrieben, was zu besonderen Vorteilen führt:

Zunächst einmal wird ein hinreichender Ausgleich der Massenkräfte und Massenmomente des Walzgerüsts erzielt, so dass das Antriebssystem relativ erschütterungsfrei arbeiten kann, wodurch das Fundament und die Umgebung geschont werden. Das Antriebssystem arbeitet zuverlässig und hat eine hohe Lebensdauer; die Kosten für Wartung und Reparatur sind gering.

Durch den Massenkraft- und Massenmomentausgleich erfolgt auch eine gleichförmigere Bewegung des Kurbelantriebs und damit des Walzgerüsts, was bei vorbekannten Antrieben nicht immer gegeben ist.

Die Investitionskosten für das Kaltpilgerwalzwerk sind vergleichsweise gering, weil das Antriebssystem einfach aufgebaut ist. Auch die Montagekosten des Antriebssystems sind daher niedrig. Gleichermaßen werden keine besonderen Ansprüche an das Fundament gestellt. Der Fundamentklotz unter dem Kurbeltrieb und das Maschinenbett können unterstützend gleichwohl so ausgelegt werden, daß sich Fundamentmomente auffangen lassen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der unabhängige Antrieb bzw. die unabhängigen Antriebe zum Antreiben der Gegenmasse bzw. Gegenmassen im zur Drehrichtung des Kurbelarms gegenläufigen Drehsinn geeignet ist bzw. sind.

Für einen optimalen Massenausgleich ist es weiter von Vorteil, dass die Massen des Walzgerüsts, des Ausgleichsgewichts und der Gegenmasse bzw. Gegenmassen - unter Einbeziehung der Massen der zum Einsatz kommenden Kurbeln bzw. Zugstangen - so gewählt sind, dass die Gerüstmassenkräfte erster Ordnung im Betrieb des Antriebssystems zumindest weitgehend, vorzugsweise vollständig, ausgeglichen werden. Hierzu trägt in vorteilhafter Weise bei, wenn eine die Gegenmasse aufnehmende Ausgleichswelle in Walzrichtung hinter dem Kurbelarm im wesentlichen in gleicher Höhe mit dem Kurbelarm angeordnet ist.

Hinsichtlich des Massenkraft- bzw. Massenmomentausgleichs ist es weiterhin vorteilhaft, wenn je zwei Gegenmassen spiegelbildlich zur Mittelebene des Antriebssystems angeordnet sind; hinsichtlich dieser Ebene ergibt sich dadurch in einfacher Weise ein Ausgleich von Massenmomenten.

Der separate Antrieb für die Gegenmassen ist mit Vorteil ein Elektromotor. Insbesondere kann ein Servomotor zum Einsatz kommen, also ein Motor, der nach Vorgabe von Drehgeschwindigkeit und Drehwinkel diese Parameter selbsttätig einhält, d. h. regelt. Zwischen dem Antrieb des Kurbelarms und dem oder den separaten Antrieben sind vorzugsweise Mittel zum Steuern oder zum Regeln des oder der separaten Antriebe angeordnet; die separaten Antriebe werden also durch diese Mittel in Abhängigkeit vom Drehwinkel und/oder von der Drehgeschwindigkeit des Antriebs des Kurbelarms gesteuert bzw. geregelt.

Durch die Mittel kann sichergestellt werden, dass der Antrieb des Kurbelarms und der Antrieb der Gegenmasse bzw. der Gegenmassen mit derselben Drehgeschwindigkeit erfolgen. Ferner kann ein phasengenaues Betreiben des Antriebs des Kurbelarms und des oder der separaten Antriebe erfolgen. Mit besonderem Vorteil ist vorgesehen, dass die Mittel zum drehgeschwindigkeits- und winkelsynchronen Betreiben des Antriebs des Kurbelarms und des oder der separaten Antriebe geeignet sind. Auf diese Weise wird ein optimaler Massenausgleich erreicht.

Zum Ausgleich von Massenmomenten kann schließlich in vorteilhafter Weise vorgesehen werden, dass der Drehpunkt der Gegenmasse bzw. der Gegenmassen so gewählt ist, dass unter Einbeziehung der Massenkräfte des Walzgerüsts und/oder des Ausgleichsgewichts - unter weiterer Einbeziehung der Massen der zum Einsatz kommenden Kurbeln bzw. Zugstangen - die Massenmomente aller Massen des Antriebssystems zumindest weitgehend ausgeglichen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt schematisch die Seitenansicht eines Antriebssystems für ein Kaltpilgerwalzwerk.

Die Figur zeigt den Aufbau eines Antriebssystems 1 eines Kaltpilgerwalzwerkes, das als solches nicht dargestellt ist. In einem Walzgerüst 2 ist ein ebenfalls nicht dargestelltes Kaltpilgerwalzenpaar angeordnet, mittels dem der bekannte Kaltpilgerwalz-Prozess durchgeführt wird.

Zum Durchführen dieses Prozesses muss das Walzgerüst 2 eine oszillierende Bewegung - also eine hin- und hergehende Bewegung - ausführen. Um dies zu bewerkstelligen, ist ein Kurbeltrieb 3 vorgesehen, der einen Kurbelarm 4 mit mindestens einer Kröpfung und mit einem in Bezug auf den Lagerpunkt exzentrisch angeordneten Ausgleichsgewicht 5 aufweist. Kurbelarm 4 und Walzgerüst 2 sind mit einer Schubstange 7 verbunden, die sowohl am Kurbelarm 4 als auch am Walzgerüst 2 gelenkig angeordnet ist. Zum oszillatorischen Antrieb des Walzgerüsts 2 wird der Kurbeltrieb 3 mittels eines Antriebs 6 (als Elektromotor ausgeführt) bewegt. Dabei dreht der Antrieb 6 den Kurbelarm 4 sowohl mit einem Drehwinkel φ6 als auch mit einer Drehgeschwindigkeit ≙6.

Das Ausgleichsgewicht 5 sorgt bereits für einen teilweisen Ausgleich der Massenkräfte, die bei oszillierender Bewegung des Walzgerüsts 2 von diesem verursacht werden; im vorliegenden Falle wird etwa die Hälfte der Massenkraft des Walzgerüsts 2 durch diejenige des Ausgleichsgewichts 5 ausgeglichen. Wie schematisch in der Figur gesehen werden kann, ist nämlich die Massenkraft F2 des Walzgerüsts 2 entgegengerichtet zur Massenkraft F5 des Ausgleichsgewichts 5, so dass es zu der teilweisen Kompensation dieser Kräfte kommt.

Allerdings reicht dieser Teil-Ausgleich der Massenkräfte für einen akzeptablen Betrieb des Antriebssystems 1 nicht aus.

Dies wird erst durch die Gegenmassen 8 und 9 erreicht. Diese Massen 8, 9 sind in Bezug auf ihren jeweiligen Drehpunkt 13 bzw. 14 - der mit der Exzenterwelle zusammenfällt bzw. von dieser definiert wird - exzentrisch an Kurbeln 15 bzw. 16 gelagert. Die Rotation der Gegenmassen 8 und 9 wird durch Antriebe 10 bzw. 11 bewerkstelligt.

Es sei angemerkt, dass die Gegenmassen 8 bzw. 9 in Teilmassen aufgeteilt sein können, die normal zur Zeichnungsebene der Figur versetzt angeordnet sind. Die Gegenmassen 8 und 8' bzw. 9 und 9' sind dann spiegelbildlich zur Mittelebene des Kaltpilgerwalzwerks positioniert. Weiterhin ist ein Antriebssystem mit nur einer Ausgleichswelle möglich, auf der die Gegenmassen 8 bzw. 8 und 9 angeordnet sind.

Bei Drehung der Gegenmassen 8 bzw. 9 verursachen diese in ihren Drehpunkten 13 bzw. 14 Massenkräfte F8 bzw. F9. Bei richtiger phasenorientierter Drehung der Gegenmassen 8, 9 relativ zur Bewegung des Kurbelarms 4 summieren sich diese beiden Massenkräfte mit denjenigen des Walzgerüsts 2 (F2) und dem Ausgleichsgewicht 5 (F5) zu Null, so dass ein optimaler Massenkraftausgleich erzielt wird.

Wesentlich ist dabei die hinsichtlich der Phase und der Drehgeschwindigkeit richtige Ansteuerung der Antriebe 10 und 11. Hierfür ist eine elektronische Steuerung bzw. Regelung 12 (Mittel zum Steuern oder zum Regeln) vorgesehen, die als Eingangssignal den Drehwinkel φ6 des Antriebs 6 sowie dessen Drehgeschwindigkeit ≙6 erhält. Die Mittel zum Steuern oder zum Regeln 12 steuern - als "elektrische Welle" - ausgehend von diesen empfangenen Daten die Antriebe 10 und 11 so an, dass sich für beide Antriebe 10 und 11 dieselbe Drehgeschwindigkeit ≙10 bzw. ≙11ergibt. Weiterhin werden die Gegenmassen 8, 9 so angetrieben, dass sich für den Drehwinkel φ10 des Antriebs 10 bzw. für den Drehwinkel φ11 des Antriebs 11 eine phasenrichtige Lage zum Drehwinkel φ6 des Antriebs 6 ergibt: Der Kurbelarm 4 auf der einen Seite und die Kurbeln 15 und 16 auf der anderen Seite drehen gleich schnell, jedoch gegensinnig (s. eingezeichnete Drehrichtungspfeile), wobei die Gegenmassen 8, 9 ihren tiefsten Punkt erreicht haben, wenn das Ausgleichsgewicht 5 seine höchste Stellung erreicht.

Die Lagerungen der drei Drehmassen 5, 8 und 9 sind dabei so auf dem Antriebsgerüst 17 positioniert, dass sich nicht nur die Massenkräfte ausgleichen, sondern auch die Massenmomente. In an sich bekannter Weise werden die Höhenposition y2 des Schwerpunkts des Walzgerüsts 2, die Position x5 und y5 des Drehpunkts des Ausgleichsgewichts 5, die Position x8 und y8 des Drehpunkts 13 der ersten Gegenmasse 8 und die Position x9 und y9 des Drehpunkts 14 der zweiten Gegenmasse 9 so gewählt, dass sich die Massenmomente, also die Produkte aus Massenkräften mit ihren jeweiligen wirksamen Hebelarmen, insgesamt saldieren.

Das Antriebssystem 1 hat damit einen sehr einfachen Aufbau, was nur geringe Investitionskosten verursacht. Andererseits ist ein guter Ausgleich von Massenkräften und Massenmomenten möglich, so dass ein schwingungsarmer Betrieb des Kaltpilgerwalzwerks möglich ist.

Das Erfindungskonzept eignet sich auch für den Einsatz nur einer einzigen Gegenmasse. Andererseits kann es vorteilhaft sein, zwei und auch mehrere Ausgleichsmassen in der beschriebenen Weise einzusetzen. Bezugszeichenliste 1 Antriebssystem

2 Walzgerüst

3 Kurbeltrieb

4 Kurbelarm

5 Ausgleichsgewicht

6 Antrieb

7 Schubstange

8, 8' erste Gegenmasse

9, 9' zweite Gegenmasse

10 Antrieb der ersten Gegenmasse

11 Antrieb der zweiten Gegenmasse

12 Mittel zum Steuern oder zum Regeln

13 Drehpunkt bzw. Ausgleichswelle

14 Drehpunkt bzw. Ausgleichswelle

15 Kurbel

16 Kurbel

17 Antriebsgerüst

φ6 Drehwinkel des Antriebs 6

6 Drehgeschwindigkeit des Antriebs 6

φ10 Drehwinkel des Antriebs 10

10 Drehgeschwindigkeit des Antriebs 10

φ11 Drehwinkel des Antriebs 11

11 Drehgeschwindigkeit des Antriebs 11

y2 Höhenposition des Schwerpunkts des Walzgerüsts 2

x5, y5 Position des Drehpunkts des Ausgleichsgewichts 5

x8, y8 Position des Drehpunkts der ersten Gegenmasse 8

x9, y9 Position des Drehpunkts der zweiten Gegenmasse 9

F2 Massenkraft des Walzgerüsts

F5 Massenkraft des Ausgleichsgewichts

F8 Massenkraft der ersten Gegenmasse 8

F9 Massenkraft der zweiten Gegenmasse 9


Anspruch[de]
  1. 1. Antriebssystem (1) für ein Walzwerk, insbesondere für ein Kaltpilgerwalzwerk, mit

    mindestens einem hin- und herbewegbaren Walzgerüst (2),

    mindestens einem Kurbeltrieb (3), der einen Kurbelarm (4) mit Ausgleichsgewicht (5) zum zumindest teilweisem Ausgleich der vom Walzgerüst (2) erzeugten Massenkräfte, einen Antrieb (6) und eine Schubstange (7) aufweist, die Walzgerüst (2) und Kurbelarm (4) gelenkig miteinander verbindet, und

    mindestens einer zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten exzentrisch drehbar angeordneten Gegenmasse (8, 9),

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die mindestens eine Gegenmasse (8, 9) von einem vom Antrieb (6) des Kurbeltriebs (3) unabhängigen, separaten Antrieb (10, 11) rotatorisch antreibbar ist.
  2. 2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unabhängige Antrieb (10, 11) zum Antreiben der Gegenmasse (8, 9) im zur Drehrichtung des Kurbelarms (4) gegenläufigen Drehsinn geeignet ist.
  3. 3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen des Walzgerüsts (2), des Ausgleichsgewichts (5) und der Gegenmasse bzw. Gegenmassen (8, 9) so gewählt sind, dass die Gerüstmassenkräfte erster Ordnung im Betrieb des Antriebssystems (1) zumindest im wesentlichen ausgeglichen werden.
  4. 4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Gegenmassen (8, 8', 9, 9') spiegelbildlich zur Mittelebene des Antriebssystems (1) angeordnet sind.
  5. 5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Gegenmasse (8, 9) aufnehmende Ausgleichswelle (13, 14) in Walzrichtung hinter dem Kurbelarm (4) im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Kurbelarm (4) angeordnet ist.
  6. 6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Antrieb (10, 11) ein Elektromotor ist.
  7. 7. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Servomotor ist.
  8. 8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch, Mittel (12) zum Steuern oder zum Regeln des separaten Antriebs (10, 11) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (φ6) und/oder einer Drehgeschwindigkeit ( ≙6) des Antriebs (6) des Kurbelarms (4).
  9. 9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) zum Betreiben des Antriebs (6) des Kurbelarms (4) und des separaten Antriebs (10, 11) mit derselben Drehgeschwindigkeit ( ≙6, ≙10, ≙11) geeignet sind.
  10. 10. Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) zum phasengenauen Betreiben des Antriebs (6) des Kurbelarms (4) und des separaten Antriebs (10, 11) geeignet sind.
  11. 11. Antriebssystem nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) zum drehgeschwindigkeits- und winkelsynchronen Betreiben des Antriebs (6) des Kurbelarms (4) und des separaten Antriebs (10, 11) geeignet sind.
  12. 12. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehpunkt (x8, y8; x9, y9) der Gegenmasse (8, 9) so gewählt ist, dass unter Einbeziehung der Massenkräfte des Walzgerüsts (2) und/oder des Ausgleichsgewichts (5) die Massenmomente aller Massen des Antriebssystems (1) zumindest weitgehend ausgeglichen werden.






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