Tandwielkoppelingen in de hoofdaandrijfsystemen van walserijen: technische precisie onder extreme belasting

Het walsen van staal – of het nu gaat om het warmwalsen van plakken tot rollen of het koudwalsen van stroken tot de uiteindelijke dikte – is een van de mechanisch meest belastende processen in de industriële productie. Een enkele voorwalsstand op een warmwalserij kan een continu nominaal koppel van meer dan 3000 kN·m vereisen, met piekbelastingen die twee tot drie keer zo hoog kunnen zijn tijdens het aangrijpen van de wals. Geen enkele flexibele koppeling ter wereld kan dat soort energie absorberen met alleen rubberen of elastomere elementen. De oplossing waar de industrie decennia geleden voor koos en waar ze tot op de dag van vandaag op vertrouwt, is de tandwielkoppeling – specifiek ontworpen voor omgevingen met een hoog koppel, grote uitlijningsafwijkingen en schokbelastingen.

Wat walserijen bijzonder uitdagend maakt, is de combinatie van gelijktijdig optredende spanningsfactoren. De hoofdmotor accelereert vanuit stilstand naar volle snelheid onder belasting. De walsopening wordt tussen de walsgangen aangepast, waardoor er hoek- en parallelle uitlijningsfouten ontstaan ​​tussen de verbonden assen. Koelwater overspoelt de walstafel, waardoor een zeer corrosieve omgeving ontstaat. Schaaldeeltjes van de hete plaat migreren door het gebied. Elke koppeling die al deze omstandigheden – tegelijkertijd – niet kan weerstaan, wordt een knelpunt in de productie. Ongeplande koppelingsstoringen in een Britse staalfabriek kosten routinematig tienduizenden ponden per uur aan verloren productie, herverwarmingskosten en onderhoudskosten.

De tandwielkoppeling voldoet aan deze eisen dankzij het fundamentele ontwerp: de bolvormige evolvente tandwielen brengen koppel over via metaalcontact, terwijl het bolvormige tandprofiel een gecontroleerde hoekafwijking van 1° tot 1,5° per koppelingshelft mogelijk maakt zonder randbelasting. De buitenste huls kan axiale speling opvangen en absorbeert thermische uitzetting als gevolg van warmwalsbewerkingen. Met de juiste afdichting en smering – meestal circulerende olie of hogedrukvet – functioneren deze koppelingen jarenlang betrouwbaar onder omstandigheden die elk alternatief zouden vernietigen.

In essentie bestaat een tandwielkoppeling uit twee binnenste naven – elk voorzien van naar buiten gebogen tandwielen – en een buitenste huls met bijpassende rechte tanden aan de binnenzijde. Het koppel wordt van de naaf naar de huls overgebracht via de in elkaar grijpende tandwielen. Omdat de buitenste tanden van de naaf gebogen zijn (tonvormig in de axiale richting), verschuift het contactpatroon mee met de hoek van de as, waardoor spanningsconcentratie aan de rand wordt voorkomen. Dit is geen softstartmechanisme; het is een stijf maar flexibel krachtpad dat het volledige nominale koppel bij elke toegestane uitlijningshoek tegelijkertijd aankan.

Materiaalkeuze is van het grootste belang bij toepassingen in walserijen. Bij Ever Power worden onze standaard koppelingsnaven vervaardigd van 42CrMo4 gelegeerd staal (equivalent aan EN 1.7225), gehard en getemperd om een ​​kernhardheid van 280–320 HB en een oppervlaktehardheid van 58–62 HRC te bereiken na carboneren of inductieharden van de tandflanken. Deze combinatie van een sterke kern en een hard oppervlak is bestand tegen zowel vermoeiingsbreuken onder cyclische buigbelastingen als oppervlaktecorrosie door de hoge contactspanningen bij de tandwieloverbrenging. De buitenste hulzen zijn vervaardigd van 34CrNiMo6 staal voor extra taaiheid bij de boutverbinding. Alle kritische afmetingen – tandprofiel, steek, kroonradius – worden vóór verzending gecontroleerd met Zeiss CMM-apparatuur.

Het smeersysteem is essentieel voor de levensduur van de koppeling. Bij warmwalsen adviseren wij circulerende oliesmering met filtratie, waarbij onder alle snelheids- en belastingsomstandigheden een positieve oliefilm op de tandwieloverbrenging wordt gehandhaafd. Voor koudwalsen of aandrijvingen met lagere snelheden, waar geen centraal smeersysteem beschikbaar is, biedt hoogwaardig lithiumcomplexvet in een afgesloten huls acceptabele onderhoudsintervallen. Labyrintafdichtingen en O-ringafdichtingen voorkomen het binnendringen van aanslag, water en procesverontreiniging die slijtage zouden versnellen en voortijdige storingen zouden veroorzaken.

Bij de keuze van een koppeling voor walserijaandrijvingen gaat het niet alleen om het opzoeken van een koppelwaarde in een catalogus. Je hebt het berekende equivalente koppel nodig, rekening houdend met de servicefactor die geschikt is voor de belastingsclassificatie van de walserijaandrijvingen (doorgaans K)._A = 2,0 tot 3,5 (afhankelijk van het type walserij en de aanwezigheid van een keerkoppeling), vermenigvuldigd met de overbrengingsverhouding om de belasting op elke as te bepalen. Het piekkoppel tijdens het aangrijpen moet worden geschat op basis van het blokkeerkoppel van de motor of een dynamische analyse van het aandrijfsysteem, en mag niet worden aangenomen gelijk te zijn aan het nominale koppel. Een ondergedimensioneerde tandwielkoppeling in een walserij leidt tot voortijdige slijtage van de tanden, aantasting van het smeervet door hitte en uiteindelijk een catastrofale koppelstoring op het slechtst mogelijke moment.

Voor walserijen en omkeerbare voorwalsinstallaties in de Britse staalindustrie adviseert Ever Power de WGZ-H-serie (boogvertanding, zware uitvoering) of de SWC-DH-spindelkoppeling voor directe wals-tandwielverbindingen. Het boogvertandingsprofiel van de WGZ-H-koppelingen vermindert de axiale krachtontwikkeling bij verkeerde uitlijning in vergelijking met rechte vertanding. Dit is met name waardevol wanneer het budget voor lagerbelastingen beperkt is bij oudere walserijbehuizingen. Voor nieuwbouwprojecten werken we rechtstreeks samen met aandrijfsysteemintegratoren en EPC-aannemers om de koppelingsspecificatie te optimaliseren in combinatie met de selectie van motor en tandwielkast. Zo wordt de veelvoorkomende valkuil vermeden van het afzonderlijk specificeren van elk onderdeel en het ontdekken van incompatibiliteit tijdens de inbedrijfstelling.

Een minimale veiligheidsfactor van 2,5 op het nominale koppel is verplicht bij gebruik in walserijen. Voor walserijen met bekende blokkeringsproblemen of die onder belasting in omkeerbewegingen draaien, is een factor van 3,0 aan te raden. Ever Power levert volledige documentatie van de berekeningen van de veiligheidsfactor en materiaalcertificering die traceerbaar is naar EN 10204 3.1. Hiermee wordt voldaan aan de eisen van de Britse en Europese richtlijnen voor industriële machines en wordt de CE-markering voor nieuwe walserijinstallaties ondersteund.

Klant: Middelgrote onafhankelijke producent van staalplaten, Zuid-Wales, VK · Toepassing: 4-hoog omkeerbare walserij voor staalplaten, 3200 mm walsbreedte · Uitdaging: Herhaalde koppelingsfouten om de 10-14 weken bij de verbindingen tussen rondsel en walsas

De klant betrok generieke tandwielkoppelingen van een Europese distributeur. Inspectie na elke storing bracht consistent afbrokkeling van de tandflanken aan het licht, beginnend bij de steeklijn – een klassiek teken van onvoldoende hardingsdiepte in combinatie met een kroonradius die niet overeenkwam met de werkelijke uitlijningshoek tijdens gebruik. Het walsprogramma van deze walserij omvatte het walsen van roestvrijstalen platen, die een aanzienlijk hoger koppel per eenheid breedte genereren dan koolstofstaal, en dit was niet meegenomen in de oorspronkelijke specificaties van de koppeling. Storingen traden gemiddeld elke 11,5 week op bij vier koppelingsposities, waarbij elke vervanging een stilstand van de walserij van 14 uur vereiste.

Het engineeringteam van Ever Power voerde een onderzoek ter plaatse uit, waarbij de werkelijke asuitlijningsafwijking onder bedrijfsbelasting werd gemeten met behulp van laseruitlijnapparatuur en de volledige inertieberekening van de aandrijflijn werd gecontroleerd. De bevinding: de bestaande koppelingen waren gedimensioneerd op het nominale koppel zonder rekening te houden met de servicefactor van roestvrij staal, en de kroonradius was 15% te agressief voor de gemeten werkingshoek van 0,95°, waardoor de spanning zich concentreerde aan de tandpunt. Onze aanbeveling was om WGZ-H-serie koppelingen te gebruiken met een koppelwaarde van 40% boven de nominale waarde, een overeenkomende kroongeometrie, een grotere vetcapaciteit en een nieuwe afdichting om de kalkaanslag aan te pakken die het bestaande smeermiddel had verontreinigd.

Na de installatie van vier Ever Power WGZ-H koppelingen in het eerste kwartaal van 2023 heeft de fabriek tot op het moment van schrijven 18 maanden onafgebroken zonder één enkele storing als gevolg van een koppelingsprobleem gedraaid. De klant schat de jaarlijkse besparing op onderhoudskosten, productieverlies en kosten voor het opnieuw opwarmen van de plakken op ongeveer £ 240.000, die direct toe te schrijven is aan de upgrade van de koppelingen. De onderhoudsmanager van de fabriek merkte op dat de verbeterde afdichting alleen al – die kalkaanslag in het smeervet voorkomt – net zo belangrijk leek te zijn als de verhoogde koppelwaarde voor het verlengen van de levensduur.

Ever Power beschikt over een verticaal geïntegreerde productiefaciliteit die is uitgerust met CNC-machines. tandwielhobbenOnze tandwielslijpmachine, die slijp- en profielinspectie uitvoert, is in staat om tandwielkoppelingen te produceren met een nominale boringdiameter van 100 mm tot een buitendiameter van de huls van 1400 mm. De nauwkeurigheid van ons tandprofiel voldoet aan ISO 1328-1 Klasse 5, wat essentieel is voor toepassingen in hogesnelheidswalserijen waar balans en profielprecisie direct van invloed zijn op de trillingsniveaus van de aangesloten motor en tandwielkast.

Onze mogelijkheden voor productaanpassing vormen een echt concurrentievoordeel voor onze klanten in de walserijsector. Standaard catalogusmaten dekken de meeste toepassingen, maar walserijen stellen vaak niet-standaard eisen: ongebruikelijke asafstanden, oude walserijbehuizingen met imperiale boringafmetingen, integratie met koppelmeetsensoren of specifieke oppervlaktecoatings voor agressieve procesomgevingen. Ons engineeringteam levert regelmatig koppelingen met conische boringen met interferentiepassing voor QD-busmontage, flensspindelontwerpen voor gecombineerde axiale en koppeloverdracht en gesplitste hulsconfiguraties die vervanging ter plaatse mogelijk maken zonder de as te hoeven verwijderen. Alle maatwerkontwerpen worden vergezeld van volledige FEA-analyserapporten, die op aanvraag beschikbaar zijn voor klanten.

Voor Britse en Europese staalproducenten bieden we consignatievoorraadovereenkomsten aan voor standaard koppelingsseries. Hierdoor zijn vervangende onderdelen binnen 48 uur beschikbaar in geval van nood, wat cruciaal is voor walserijen met een continu productieproces, waar weken wachten op de levering van koppelingen simpelweg geen optie is.

Wat is het meest geschikte type tandwielkoppeling voor de hoofdaandrijving van een warmwalserij in het Verenigd Koninkrijk, en wat zijn de gemiddelde kosten voor een dergelijke koppeling voor een voorwalsinstallatie?

Hoe bereken ik het juiste koppel bij het selecteren van een tandwielkoppeling voor een aandrijfsysteem van een staalwalserij in het Verenigd Koninkrijk?