BINDERNAGEL, Ali (Bismarckstrasse 75, Solingen, 42659, DE)
| "Patentansprüche"
1. Verfahren zur Messung der Zugkraft, die auf ein Rohr oder einen Stab wirkt, das/der sich in eine Bewegungsrichtung bewegt, mit den folgenden Schritten: - Ermittlung der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohrs oder Stabs in die Bewegungsrichtung an einer ersten Messvorrichtung (erster Messwert) und
- Ermittlung der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohrs oder Stabs in die Bewegungsrichtung an einer zweiten, in der Bewegungs- richtung nach der ersten Messvorrichtung angeordneten Messvorrichtung
(zweiter Messwert) und
- Ermittlung der Geschwindigkeitsdifferenz durch Vergleich des ersten Messwerts mit dem zweiten Messwert. ,
- Ermittlung der in dem Werkstoff des Rohrs, bzw. des Stabs wirkenden Zug- kraft aus der Geschwindigkeitsdifferenz.
2. Regelungsverfahren für ein Walzwerk zum Walzen eines Rohrs oder eines Stabs, das/der sich in eine Bewegungsrichtung bewegt, mit den folgenden Schritten: - Ermittlung der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohrs oder Stabs in die Bewegungsrichtung an einer ersten Messvorrichtung (erster Messwert) und
- Ermittlung der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohrs oder Stabs in die Bewegungsrichtung an einer zweiten, in der Bewegungs- richtung nach der ersten Messvorrichtung angeordneten Messvorrichtung
(zweiter Messwert) und
- Ermittlung einer Eingangsgröße für einen Regler auf Grundlage eines Vergleichs des ersten Messwerts mit dem zweiten Messwert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Messwert auf Grundlage optischer Messverfahren ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Messwert auf Grundlage von Laser-Doppler-Messungen ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der ersten und/oder der zweiten Messvorrichtung außerdem eine Bewegung des Rohrs oder des Stabs in eine zweite Bewegungsrichtung ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit zumindest einer der beiden Messvorrichtungen alternierend die Bewegung des Rohrs oder des Stabs in die eine Bewegungsrichtung und dann in die zweite Bewegungs- richtung gemessen wird.
7. Walzverfahren zum Walzen eines Rohrs oder eines Stabs mit einem ersten Walzwerk und einem in Walzrichtung darauffolgenden zweiten Walzwerk, bei dem durch das Zusammenspiel des Antriebs der Walzen des ersten Walzwerks und des Antriebs der Walzen des zweiten Walzwerks eine Zugkraft auf das
Rohr oder den Stab ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraft durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6 gemessen wird.
8. Walzverfahren zum Walzen eines Rohrs oder eines Stabs mit einem ersten
Walzwerk und einem in Walzrichtung darauffolgenden zweiten Walzwerk, bei dem durch das Zusammenspiel des Antriebs der Walzen des ersten Walzwerks und des Antriebs der Walzen des zweiten Walzwerks eine Zugkraft auf das Rohr oder den Stab ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des ersten Walzwerks und/oder der Antrieb des zweiten Walzwerks mit einem
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 geregelt wird.
9. Vorrichtung zur Messung der Zugkraft, die auf ein Rohr (6) oder einen Stab wirkt, das/der sich in eine Bewegungsrichtung bewegt, mit einer ersten Mess- Vorrichtung (8), die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs (6) oder Stabs in die Bewegungsrichtung ermitteln kann, und einer zweiten in der Bewegungsrichtung nach der ersten Messvorrichtung (8) angeordneten Messvorrichtung (9), die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs (6) oder Stabs in die Bewegungsrichtung ermitteln kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Messvorrichtung (8, 9) die Bewegung der Oberfläche des Rohrs (6) oder Stabs mittels optischer Messverfahren ermittelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Messvorrichtung (8, 9) die Bewegung der Oberfläche des Rohrs (6) oder Stabs mittels eines Laser-Doppler-Verfahrens ermittelt.
12. Walzanlage zum Walzen eines Rohrs (6) oder eines Stabs mit einem ersten Walzwerk (20) und einem in Walzrichtung darauffolgenden zweiten Walzwerk (25), bei dem durch das Zusammenspiel des Antriebs der Walzen des ersten Walzwerks (20) und des Antriebs der Walzen des zweiten Walzwerks (25) eine Zugkraft auf das Rohr (6) oder den Stab ausgeübt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Messung der Zugkraft nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
13. Walzanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Planeten- Schrägwalzwerk (20).
14. Walzanlage nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Steuerung oder einer Regelung für einen Antrieb der Walzen des ersten Walzwerks (20) und/oder einen Antrieb der Walzen des zweiten Walzwerks (25), die als Eingangsgröße eine auf Grundlage der gemessenen Zugkraft gebildete Größe aufweist. |
"Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Zugkraft, die auf ein bewegtes Rohr oder einen bewegten Stab wirkt"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Zugkraft, die auf Rohr oder einen Stab wirkt, das/der sich in eine Bewegungsrichtung bewegt.
Ebenso betrifft die Erfindung ein Regelungsverfahren für ein Walzwerk, ein Walzverfahren und eine Walzanlage zum Walzen eines Rohrs oder eines Stabs, die sich dieses Verfahren und diese Vorrichtung zur Messung der Zugkraft zu Nutze machen und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 019 856.8 in Anspruch.
Es gibt verschiedene Anwendungen, bei denen ein Rohr oder ein Stab bewegt werden und einer Zugkraft ausgesetzt sind. Häufig ist sogar die Zugkraft zumindest teilweise für die Bewegung des Rohrs oder des Stabs ursächlich. Vornehmlich wird eine Rohr oder ein Stab unter gleichzeitiger Einwirkung einer Zugkraft bewegt, wenn das Rohr oder der Stab hergestellt werden, also gewalzt oder gezogen werden.
Bei diesen Anwendungen, insbesondere bei der Herstellung eines Rohrs oder Stabs und hier vor allem beim Walzen eines Rohrs oder Stabs ist es von Interesse, die auf das Rohr oder den Stab wirkende Zugkraft zu messen. Diese Aufgabe liegt der
Erfindung zugrunde.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Zugkraft aus einer Geschwindigkeitsdifferenz der Bewegung des Rohrs oder des Stabs zwischen zwei Messvorrichtungen zu ermitteln. Dabei macht sich die Erfindung das physikalische Grundprinzip zunutze, dass die Geschwindigkeitsdifferenz abhängig von der Kraft ist, die die der Geschwindigkeitsdifferenz zugrunde liegende Beschleunigung hervorruft (Zugkraft). Der Begriff Zugkraft schließt dabei auch eine „negative Zugkraft", also auch Druckkräfte ein. Der Begriff "Zugkraft" bezieht sich dabei auf die in dem Werkstoff des zu bearbeitenden Produkts wirkende Zugkraft.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die Geschwindigkeit der Bewegung der
Oberfläche des Rohrs oder Stabs (im nachfolgenden wird stellvertretend für die beiden Objekte lediglich der Begriff „Rohr" verwendet) in die Bewegungsrichtung an einer ersten Messvorrichtung zu ermitteln. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohrs wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner an einer
zweiten, in der Bewegungsrichtung nach der ersten Messvorrichtung angeordneten, Messvorrichtung ermittelt. Anschließend wird die Geschwindigkeitsdifferenz durch Vergleich des ersten, an der ersten Messvorrichtung ermittelten Messwerts mit dem zweiten, an der zweiten Messvorrichtung ermittelten Messwert ermittelt und aus dieser Geschwindigkeitsdifferenz unter Zuhilfenahme mathematischer oder physikalischer Modelle die Zugkraft ermittelt. Dabei können in einer bevorzugten Ausführungsform die für die Ermittlung der Zugkraft benötigten Konstanten, wie beispielsweise Materialkennwerte, einer Datenbank entnommen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine einfache Ermittlung der Zugkraft, da sie beispiels- weise den Einsatz optischer Messverfahren ermöglicht, und somit kontaktlos durchgeführt werden kann.
Der Grundgedanke der Erfindung ist jedoch nicht nur auf ein Verfahren zum Messen der Zugkraft anwendbar, sondern auch auf ein Regelungsverfahren für ein WaIz- werk. Bei Walzwerken ist es häufig nicht notwendig, die Zugkraft als absoluten
Zahlenwert zu ermitteln. Für die Regelung wird lediglich eine Eingangsgröße für den Regler benötigt, die von der Zugkraft abhängt. Deshalb wird zu dem Verfahren zur Messung der Zugkraft auch ein Regelungsverfahren vorgeschlagen. Dieses unterscheidet sich von dem Verfahren zur Zugmessung dadurch, dass kein Zugkraft-Wert ermittelt, sondern eine von der Zugkraft abhängige Eingangsgröße. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezieht sich sowohl auf das Messverfahren als auch auf das Regelungsverfahren.
Hierdurch lässt sich eine besonders gute Verfahrensführung erreichen, so dass Rohre mit gleichmäßiger Wandstärke gewalzt, sogenannte "Stecker" vermieden und sogenannte "Rohrabrisse" vermieden werden können.
Besonders bevorzugt wird das Rohr frei zwischen der ersten Messvorrichtung und der zweiten Messvorrichtung geführt. Darunter wird verstanden, dass keine wesent- liehe Kräfte auf das Rohr ausübenden Vorrichtungen zwischen der ersten Messvorrichtung und der zweiten Messvorrichtung angeordnet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Geschwindigkeitsdifferenz allein auf die zu ermittelnde Zugkraft zurückzuführen ist. Zwar ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, Korrekturwerte vorzusehen, die eine zwischen den Messvorrichtungen erfolgenden Krafteinbringung in das Rohr korrigieren. Bevorzugt wird das Rohr jedoch frei geführt.
Der erste und der zweite Messwert werden durch die erste und die zweite Messvorrichtung ermittelt. Dabei kann die Messvorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie die Bewegung der Oberfläche in die Bewegungsrichtung unmittelbar mißt. Die
Ermittlung des ersten und des zweiten Messwerts kann jedoch auch die Umrechnung der Messergebnisse der ersten und der zweiten Messvorrichtung beinhalten. Beispielsweise kann das Messergebnis einer Messvorrichtung die Geschwindigkeit der Oberflächengesamtbewegung und die Richtung der Ober- flächengesamtbewegung sein, die von der zu betrachtenden Bewegungsrichtung
(beispielsweise der Bewegung in Längsachsenrichtung) unterschiedlich sein kann. Durch vektorielle Zerlegung kann aus der Geschwindigkeit der Oberflächengesamtbewegung und der Relation der Richtung der Oberflächengesamtbewegung zur zu betrachtenden Bewegungsrichtung die Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Rohres in die zu betrachtende Bewegungsrichtung ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ersten und/oder der zweite Messwert auf Grundlage optischer Messverfahren ermittelt. Insbesondere bevorzugt wird dabei ein Laser-Doppler-Verfahren ein- gesetzt. Das Laser-Doppler-Verfahren eignet sich besonders gut für den Einsatz in
Walzanlagen, da es trotz der dort vorherrschenden Umgebungsbedingungen gute Messergebnisse liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit der ersten und/oder der zweiten Messvorrichtung außerdem eine Bewegung des
Rohrs in eine zweite Bewegungsrichtung gemessen. Insbesondere bevorzugt wird eine Rotation des Rohrs um die in die erste Bewegungsrichtung weisende Achse gemessen. Eine derartige Messung der Bewegung des Rohrs in eine zweite Bewegungsrichtung erlaubt die Ermittlung von Zugkräften in diese zweite Bewegungs- richtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mit zumindest einer der beiden Messvorrichtungen alternierend die Bewegung des Rohrs in eine Bewegungsrichtung und dann in die zweite Bewegungsrichtung gemessen. Dieser alternierende Einsatz einer Messvorrichtung zur Messung der Bewegung in eine ersten und dann in eine zweite Bewegungsrichtung erlaubt einen effizienten Einsatz der Messvorrichtung. So kann beispielsweise eine einzige Messvorrichtung dazu eingesetzt werden, zum einen Messwerte für die Ermittlung der Zugkraft in die erste Bewegungsrichtung des Rohres zu liefern und zum anderen eine Rotation des Rohres um die in die erste Bewegungsrichtung weisende Rotationsachse zu ermitteln.
Bei einem erfindungsgemäßen Walzverfahren zum Walzen eines Rohres mit einem ersten Walzwerk und einem in Walzrichtung darauf folgenden zweiten Walzwerk, bei dem durch das Zusammenspiel des Antriebs der Walzen des ersten Walzwerks
und des Antriebs der Walzen des zweiten Walzwerks eine Zugkraft auf das Rohr ausgeübt wird, wird die Zugkraft durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Zugkraft ermittelt. Bei dem erfindungsgemäßen Walzverfahren befindet sich das Rohr sowohl im Walzspalt von Walzen des ersten Walzwerks als auch im Walzspalt von Walzen des zweiten Walzwerks. Je nach Antrieb der Walzen des ersten und des zweiten Walzwerks kann eine Zugkraft auf das Rohr ausgeübt werden. Beispielsweise kann durch ein schnelleres Walzen im Walzspalt des zweiten Walzwerks eine Zugkraft auf das Rohr ausgeübt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Walzverfahrens wird der Antrieb der Walzen des ersten Walzwerks und/oder der Antrieb der Walzen des zweiten Walzwerks auf Grundlage der gemessenen Zugkraft gesteuert oder geregelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Zugkraft, die auf ein Rohr wirkt, das sich in eine Bewegungsrichtung bewegt, weist eine erste Messvorrichtung, die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs in die Bewegungsrichtung messen kann, und eine zweite in der Bewegungsrichtung nach der ersten Messvorrichtung angeordneten Messvorrichtung auf, die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs in die Bewegungsrichtung messen kann. Dadurch wird eine einfach herzustellende Vorrichtung bereitgestellt, die zudem den Einsatz optischer Messverfahren ermöglicht, und somit kontaktlos durchgeführt werden kann.
Besonders bevorzugt wird das Rohr frei zwischen der ersten Messvorrichtung und der zweiten Messvorrichtung geführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt die erste und/oder die zweite Messvorrichtung die Bewegung der Oberfläche des Rohrs mittels optischer Messverfahren. Besonders bevorzugt ermittelt die erste und/oder die zweite Messvor- richtung die Bewegung der Oberfläche des Rohrs mittels eines Laser-Doppler-Ver- fahrens.
Bei der erfindungsgemäßen Walzanlage zum Walzen eines Rohrs, die ein erstes Walzwerk und ein in Walzrichtung darauffolgendes zweites Walzwerk aufweist und bei der durch das Zusammenspiel des Antriebs der Walzen des ersten Walzwerks und des Antriebs der Walzen des zweiten Walzwerks eine Zugkraft auf das Rohr ausgeübt wird, wird zur Messung der Zugkraft die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Zugkraft eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Walzanlage ein Planeten-Schräg-
walzwerk auf. Für einen bevorzugten Aufbau eines Planeten-Schrägwalzwerk wird auf die DE 195 10 715 C2 verwiesen, deren Beschreibung eines Aufbaus für ein Planeten-Schrägwalzwerks zum Bestandteil dieser Beschreibung gemacht wird. Das Planeten-Schrägwalzwerk weist vorzugsweise drei oder mehr Planetenwalzen, insbesondere vier Planetenwalzen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Walzanlage eine Steuerung oder eine Regelung für einen Antrieb der Walzen des ersten Walzwerks und/oder einen Antrieb der Walzen des zweiten Walzwerks auf, die als Eingangsgröße eine auf Grundlage der gemessenen Zugkraft gebildete Größe aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Walzanlage mit einem Planeten-Schrägwalzwerk und einem Längswalzwerk mit einem zu walzenden Walzgut und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Walzanlage.
In Fig. 1 ist eine Walzanlage, bestehend aus einem Planeten-Schrägwalzwerk 20 und einem Längswalzwerk 25 gezeigt. Zwischen dem Planeten-Schrägwalzwerk 20 und dem Längswalzwerk 25 sind eine erste Messvorrichtung 8, die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs in die Walzrichtung messen kann, und eine zweite in der
Walzrichtung nach der ersten Messvorrichtung 8 angeordneten Messvorrichtung 9, die die Bewegung der Oberfläche des Rohrs in die Bewegungsrichtung messen kann, vorgesehen. Die Messvorrichtungen 8,9 nutzen optische Messverfahren.
Das Planeten-Schrägwalzwerk 20 besteht aus mehreren Planetenwalzen 1 , die mit ihren unteren Abschnitten auf dem Walzgut 6 abrollen. Dabei sind die Planetenwalzen 1 in Bezug zur Längsachse des Walzguts 6 sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Ebene geneigt.
Die Planetenwalzen 1 sind an ihrem hinteren Ende in einem Rotor 2 drehbar gelagert, dessen Drehachse mit der Längsachse des Walzguts übereinstimmt. Der Rotor 2 wird über ein Getriebe von der Abtriebswelle 3 eines Hauptantriebs ange- trieben. Der Rotor 2 und die in ihm gelagerten Planetenwalzen 1 führen eine Drehbewegung um das Walzgut 6 aus.
Weiterhin befindet sich an den Planetenwalzen 1 Zahnräder 4, welche mit einem
Sonnenrad 5 kämmen. Durch dieses Kämmen mit dem Sonnenrad 5 werden die Planetenwalzen 1 infolge der Rotation des Rotors 2 in eine Drehung um die eigene
Achse gezwungen.
Das Sonnenrad 5 wird über ein Getriebe von der Abtriebswelle 7 eines überlagerungsantriebs (Zusatzantriebs) angetrieben. Diese Drehbewegung des Sonnen- rads führt zu einer überlagerten Rotation der Planetenwalzen 1 , welche aus der
Summe der beiden Rotationsbewegungen resultiert.
Durch die überlagerung der Drehungen der Planetenwalzen 1 und des Rotors 2 kann ein Walzen ohne eine Drehbewegung des Walzguts 6 erfolgen. Das hierfür notwendige Verhältnis zwischen den Drehzahlen des Rotors 2 und der Planetenwalzen 1 ändert sich während des Walzfortschritts aufgrund variierender Parameter, wie beispielsweise bereichsweiser änderungen der Materialeigenschaften des Walzgutwerkstoffs, Temperaturschwankungen, Zunderablagerungen oder änderungen der Oberflächenreibwerte. Das am Auslaß des Schrägwalzwerks vorge- sehen Messgerät 8 ist derart augebildet, dass es alternierend die Bewegung des
Rohr in Walzrichtung und die Rotation des Rohrs um seine Längsachse messen kann. Das Messgerät 8 kann somit die möglicherweise durch Parameteränderungen hervorgerufene Drehbewegungen n Rθhr des Walzguts 6 erfassen und an einen Rechner weiterleitet, der die Antriebe des Planeten-Schrägwalzwerks 20 so regelt, dass eine Drehung des Rohrs vermieden wird.
Das erste Messgerät 8 und das zweite Messgerät 9 ermitteln die Geschwindigkeit der Oberfläche der Rohrs in Walzrichtung an ihrem jeweiligen Messort. Aus dem so ermittelten ersten Messwert (erstes Messgerät 8) und zweiten Messwert (zweites Messgerät 9) wird eine Geschwindigkeitsdifferenz ermittelt. Aus dieser
Geschwindigkeitsdifferenz kann unter Berücksichtigung von in einer Datenbank hinterlegten Konstanten, insbesondere von Materialwerten, die an dem Rohr anliegende Zugkraft ermittelt werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass das erste Messgerät 8 und das zweite Messgerät 9 einen größeren Abstand zueinander aufweisen. Es wird bevorzugt, dass das erste Messgerät 8 so nah wie möglich an das Planeten-Schrägwalzwerk 20 und das zweite Messgerät 9 so nah wie möglich an das Längswalzwerk 25 angeordnet wird. Ferner zeigt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eine Dornstange 100 mit einer
Länge auf, die größer ist als der Abstand zwischen dem Planeten-Schrägwalzwerk 20 und dem Längswalzwerk 25. Das Walzgut 6 wird auf einer Dornstange sowohl im Planeten-Schrägwalzwerk 20 als auch im Längswalzwerk 25 gewalzt.