Gebiet der Erfindung Die Erfindung bewegt sich auf dem Gebiet der Walzenlager zur Lagerung eines Walzenzapfens einer Walze in einem Walzgerüst einer Stranggießanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie. Dabei werden in den Walzenlagern Sensoren zur Messung der Lagertemperatur und Sensoren zur Messung der Lagerkräfte, die aus einer Dehnungsmessung abgeleitet werden, vorgesehen.

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, Temperaturen an bestimmten Stellen eines Walzenlagers zu messen.

Die Veröffentlichung WO 2006/086154 A1 zeigt ein System zur Kontrolle der Schmierung eines ölgeschmierten Walzenlagers in einer Walzstraße. In diesem System werden an zwei Punkten, die sich in Breitenrichtung gesehen am äußeren Rand des Lagers befinden, Temperatursensoren vorgesehen. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Temperaturüberwachung nur an zwei diskreten Stellen des Lagers erfolgt. Eine Messung der Lagerkräfte ist weder vorgesehen noch möglich.

Das Patent US 4,944,609 offenbart ebenfalls ein ölgeschmiertes Lager für eine Walze in einem Walzwerk. In dieser Schrift sind zum einen Positionssensoren vorgesehen, die durch senkrecht zur Drehachse einer Walze verlaufende Öffnungen im feststehenden Walzenlager geführt werden. Zum anderen sind Sen- soren vorgesehen, die in Ölkanälen des Ölrücklaufs angeordnet werden und die Rücklauftemperatur des zur Schmierung verwendeten Öls messen. Die Tempe-

OKTATlQUNQSKOPfi ratursensoren werden durch Thermoelemente oder Widerstandsthermometer gebildet. Nachteilig an diesem System ist, dass die Temperatur des Lagermetalls nicht direkt gemessen werden kann, sondern nur die des rücklaufenden Öls. Zudem kann durch die vorgesehenen Temperatursensoren konstruktionsbedingt nur eine niedrig aufgelöste Temperaturmessung erfolgen, die nur eine Stelle innerhalb der Ölleitung abdeckt. Es erfolgt keine hochaufgelöste Temperaturerfassung über einen größeren Bereich des Lagers. Eine Messung der Lagerkräfte ist durch die offenbarten Sensortypen überhaupt nicht möglich.

Die technische Aufgabe, die sich aus dem Stand der Technik ergibt, ist es, zu- mindest einen der oben genannten Nachteile zu vermeiden.

Offenbarung der Erfindung Die technische Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, welche zunächst eine Lagerbuchse für ein Walzenlager zur Lagerung eines Walzenzapfens in einem Walzgerüst einer Stranggießanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie umfasst. Die Lagerbuche besteht aus einem Stahlmantel mit auf dessen Innenseite eingegossenem Lagermetall. Das Lagermetall bildet eine Lagerschale. In dem Lagermetall bzw. der Lagerschale ist mindestens ein Lichtwellenleiter zur Messung der Lagertemperatur und / oder der Lagerkräfte angeordnet. Durch die Anordnung eines Lichtwellenleiters im Werkstoff der Lagerschale, das heißt in dem Lagermetall, können Lagerkräfte oder - temperaturen indirekt über eine Dehnung des Lichtwellenleiters im Lagermate- rial gemessen werden. Es ist keine Messung über den Umweg des Öls im Walzenlager notwendig. Weiterhin kann mit den Lichtwellenleitern eine hochaufgelöste Messung erfolgen, die sich auch über einen größeren Flächenbereich der Lagerschale erstrecken kann. Die Verwendung von Lichtwelienleitern gegenüber anderen Sensortypen bietet weiterhin die Vorteile einer Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern und einer sehr langen Lebensdauer, wodurch Wartungsarbeiten am Sensor minimiert und Anlagenstillstände vermieden werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindestens eine Lichtwellenleiter im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Walzenzapfens im Lagermetall der Lagerschale angeordnet. Durch die Anordnung des Lichtleiters in Richtung der Drehachse des Walzenzapfens kann ein Temperaturprofil und oder ein Profil der Lagerkräfte in axialer Breitenrichtung der Lagerschale gemessen werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindestens eine Lichtwellenleiter über die gesamte Breite, das heißt über die gesamte axiale Tiefe, der Lagerschale angeordnet. Durch eine solche Anordnung kann ein Temperatur- und / oder Kraftprofil über die gesamte Breite des Lagers ermittelt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindestens eine Lichtwellenleiter mäanderförmig oder spiralförmig in der Lagerschale angeordnet. Durch eine solche Anordnung kann die Dichte der Messpunkte weiter erhöht und somit die Auflösung der Messung weiter verbessert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist mindestens ein Lichtwellenleiter zur Temperaturmessung und mindestens ein Lichtwellenleiter zur Dehnungsmessung vorgesehen. Durch das Vorsehen von je mindestens einem Lichtwellenleiter zur Kraft- und zur Temperaturmessung kann zum Bei- spiel eine Kalibrierung der ermittelten Kraft-Werte mit Hilfe der Messwerte des Temperatursensors erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist die Lager- schale im Wesentlichen in Form eines Rings ausgebildet und der mindestens eine Lichtwellenleiter in mindestens einem der im Betrieb in Winkelrichtung am stärksten belasteten Bereiche des Rings angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindestens eine Lichtwellenleiter in mindestens einer Bohrung angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindes- tens eine Lichtwellenleiter in dem Lagermetall vergossen. Durch diese Anordnung des Lichtwellenleiters ist eine größtmögliche Nähe des Sensors in Form des Lichtwellenleiters zum Lagermetall erreicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale ist der mindes- tens eine Lichtwellenleiter zur Temperaturmessung in einem Hüllrohr angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale weist das Lagermetall eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm auf und die Lichtwellenleiter eine Dicke zwischen 0,05 mm und 0,3 mm und ein eventuelles Hüllrohr einen Durchmesser von bis zu 1 mm.

Desweiteren umfasst die Erfindung ein Walzenlager zur Lagerung eines Walzenzapfens in einer Stranggießanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie, welches ein Lagergehäuse und eine Lagerbuchse umfasst, die in dem Lagergehäuse angeordnet ist, wobei die Lagerbuchse durch einen Stahlmantel und die vorbeschriebene erfindungsgemäße Lagerschale gebildet ist. Die Erfindung umfasst weitergehend auch ein Verfahren zur Messung der Lagertemperatur und / oder der Lagerkräfte als abgeleitete Dehnungsmessung in einem Walzenlager für Walzenzapfen in einer Stranggießanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie, wobei das Walzenlager eine Lagerbuchse mit Lagermetall und mindestens einen Lichtwellenleiter umfasst, der in dem Lagermetall angeordnet wird, so dass Lagerkräfte und Lagertemperatur in dem Lagermetall gemessen werden können. Die Vorteile des erfindungsge- mäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausführungsformen entsprechen im Wesentlichen denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird aus den durch den mindestens einen Lichtwellenleiter gemessenen Werten ein Temperatur- und / oder Kraftprofil erstellt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden in den mindestens einen Lichtwellenleiter Laserlicht eingeleitet und Signale des mindestens einen Lichtwellenleiters zu einer Auswertungseinrichtung geleitet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Lagermetall mindestens einen Lichtwellenleiter zur Temperaturmessung und mindestens einen weiteren Lichtwellenleiter zur Messung der Lagerkräfte durch Bestimmung der vorliegenden Dehnung, wobei die Werte der Temperaturmes- sung zur Kalibrierung der Werte der Lagerkräfte in der Auswertungseinrichtung verwendet werden.

Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerbuchse für ein Walzenlager zur Lagerung eines Walzenzapfens in einer Stranggießanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie, wobei bei der Herstellung der Lagerbuchse mindestens ein Lichtwellenleiter in der Lagerschale angeordnet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der mindestens eine Lichtwellenleiter beim Gießen der Lagerschale in das Lagermetall der Lagerschale mit eingegossen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst das Herstellungsverfahren zunächst den Schritt des Gießens des La- germetalls, darauffolgend das Erstellen von mindestens einer Bohrung im Lagermetall, dann das Einbringen des mindestens einen Lichtwellenleiters in die mindestens eine Bohrung und schließlich das Vergießen des mindestens einen Lichtwellenleiters in der Bohrung mit einem Vergussmittel.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Lagerbuchse, des Walzenlagers, des Verfahrens oder des Herstellungsverfahrens ist das Walzenlager als hydrodynamisches Gleitlager ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Figuren Im Folgenden werden die Figuren der Ausführungsbeispiele kurz beschrieben. Weitere Details sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen. Es zeigen:

Figur 1 : Eine schematische, perspektivische Teilansicht eines erfindungs- gemäßen Ausführungsbeispiels einer Lagerbuchse in einem Walzenlager;

Figur 2: Einen schematischen Teilquerschnitt durch ein erfindungsgemäßes Walzenlager mit einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse, der senkrecht zur Rotationsachse des Walzenzapfens liegt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Walzenlagers 10 für eine Walze bzw. einen Walzenzapfen in einem Walzgerüst einer Stranggussanlage, einem Walzwerk oder einer sonstigen Bandprozesslinie. Gezeigt ist das Walzenlager 10 mit einem Lagergehäuse 7, auch Einbaustück oder Baustück genannt, in dem sich eine erfindungsgemäße Lagerbuchse 1 befindet. Die Lagerbuchse 1 besteht aus einem Stahlmantel (4) auf dessen Innenseite eine Lagerschale in Form von Lagermetall (3) eingegossen ist; siehe Fig. 2. In der Lagerschale 3 sind Lichtwellenleiter 5 vorgesehen. Diese Lichtwellenleiter 5 können entweder direkt mit in das Lagermetall der Lagerschale eingegossen sein oder aber auch in Bohrungen in der Lagerschale angeordnet sein. Die schwarze Linie 5 verdeutlicht dabei lediglich schematisch die Lage der Lichtwellenleiter 5 innerhalb des Materials der Lagerschale 3. Im Ausführungsbeispiel sind die Lichtwellenleiter 5 über die gesamte Breite/Tiefe in Richtung der Lagerachse bzw. der Drehachse des Walzenzapfens angeordnet.

Im Allgemeinen ist die erfindungsgemäße Lagerbuchse .1 austauschbar und kann bspw. auch bei einer Reparatur oder Revision als Austauschteil bzw. Er- satzteil ausgetauscht werden. Im eingebauten Zustand bewegt sich die Lagerbuchse 1 auch während des Walzbetriebs relativ zum Lagergehäuse 7 nicht. Vorzugsweise handelt es sich, wie in Figur 1 gezeigt, bei dem erfindungsgemäßen Walzenlager 1 um ein hydrodynamisches Gleitlager. Bevorzugt wird in diesem Lager Öl als Schmiermittel zwischen dem Walzenzapfen (nicht gezeigt) und dem Lagermetall 3 eingesetzt, das über einen Ölzulauf in mehrere Kanäle des Lagers geleitet wird, in den Zwischenraum zwischen Lagermetall 3 und Zapfen gelangt und über einen Ölrücklauf das Lager 1 wieder verlässt.

Im Ausführungsbeispiel sind zudem zwei parallele Lichtwellenleiter 5 vorgese- hen, von denen vorzugsweise ein erster zur Druckmessung bzw. zur Messung der Lagerkräfte und ein zweiter zur Temperaturmessung dient. Durch diese Anordnung können Temperaturen und / oder Lagerkräfte, welche durch Lagerkräfte repräsentiert werden, direkt im Material der Lagerschalen gemessen werden. Vorzugsweise werden die Lichtwellenleiter 5 dabei an Orten maximaler Tempe- ratur- und Druckbelastung vorgesehen, also zum Beispiel im unteren oder im oberen Bereich der in das Lagergehäuse 7 eingebauten Lagerschale 3 bzw. des Lagerrings 3. Dabei können die Temperaturwerte, die mit Hilfe des Temperatursensors bzw. mit Hilfe eines ersten Lichtwellenleiters gewonnen werden, zur Kalibrierung des Drucksensors bzw. eines zweiten Lichtwellenleiters zur Messung der Lagerkräfte verwendet werden. Es kann auch eine Vielzahl von Lichtwellenleitern 5 zur Messung der Dehnungen und damit der Lagerkräfte und oder Temperaturen vorgesehen werden. Weiterhin muss die Anordnung der Lichtwellenleiter 5 nicht der Anordnung in Figur 1 entsprechen. Die Lichtwellenleiter 5 können, je nach Anwendung insbesondere auch mäanderförmig oder spiralförmig verlegt werden oder auch in Breitenrichtung nur über einen Teil der Breite der Lagerschale 3 angeordnet sein. Insbesondere können die Lichtwel- lenleiter 5 direkt mit dem Material der Lagerschalen 3 vergossen werden. Die Materialien solcher Lagerschalen 3 für den Betrieb in Stranggussanlagen oder Walzwerken sind dem Fachmann allgemein bekannt. Das Lagerschalenmetall erstarrt dabei unterhalb von 42O ⁰ C, bei einigen Materialien sogar bereits bei 360 ⁰ C. Die Lichtwellenleiter 5 können aber, ohne ihre Funktionsfähigkeit zu ver- lieren, zumindest für die Dauer des Eingießens in die Lagerschale 3, Temperaturen von 600 ⁰ C ertragen. Wird ein solches Vergießen mit dem Lagerschalenmetall durchgeführt, sind die Lichtwellenleiter in direktem Kontakt mit dem Lagermetall. Optional können die Lichtwellenleiter auch von einem Hüllrohr umgeben sein, welches bspw. aus Stahl gefertigt sein kann. Alternativ oder zusätzlich werden die Lichtwellenleiter 5 auch in Bohrungen in dem Lagermetall 3 vorgesehen. Vorzugsweise werden diese dann mit Gießharz oder einem anderen geeigneten Gießmittel in den Bohrungen vergossen. Ein erfindungsgemäßes Lagermetall kann dabei vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen, die Lichtwellenleiter eine Dicke zwischen 0,05 mm und 0,3 mm und ein eventuelles Hüllrohr einen Durchmesser von bis zu 1 mm. Zusätzlich können in der Lagerbuchse 1 auch Schmierstoffkanäle vorgesehen sein, die je nach konkretem Anwendungsfall innen angeordnet sind. Das Lagermetall 3 kann darüberhinaus auch mehrteilig ausgebildet sein, zum Beispiel zweiteilig, in Form von zwei Ringhälften, so dass jede Ringhälfte senkrecht zur Drehachse des Walzenzapfens einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Lagerbuchse 1. Sie besteht aus einem Stahlmantel 4 und dem auf der Innenseite des Stahlmantels aufgebrachten / eingegossenen Lagermetall. Die Lagerbuchse 1 ist in einem Lagereinbaustück, kurz Baustück genannt, hier nicht gezeigt, eingesetzt. In Fig. 2 ist die Positionierung des Lichtwellenleiters 5 in der bzw. innerhalb des Lagermetalls 3, das heißt des Lagerwerkstoffs, gezeigt ist. Die Lichtwellenleiter 5 können somit Temperatur und / oder Dehnung zur Ermittlung der Lagerkräfte direkt im Lagerwerkstoff bzw. im Lagerschalenmaterial messen.

Die Temperaturmessung kann zum Beispiel nach dem bekannten Faser-Bragg- Gitter-Verfahren (FBG-Verfahren) erfolgen. Bei diesem Verfahren werden geeignete Lichtwellenleiter 5 verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes, bzw. Gitter mit solchen Variationen, einge- prägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter 5 in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst. Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detaillierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter, sowie der entsprechenden Auswertungseinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann zum Beispiel im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.

Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das „Optical-Frequency- Domain-Reflectometry"-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das „Optical-Time- Domain-Reflectometry"-Verfahren (OTDR-Verfahren) verwendet werden. Diese beiden Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtwellenleiters 5 eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mithilfe der Auswertungseinheit, zum Bei- spiel einem Raman-Reflektometer, können dann die Temperaturwerte entlang eines Lichtwellenleiters 5 ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters 5 gemittelt wird. Diese Länge beträgt derzeit einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenlei- ters 5 erzeugen.

Zur Messung der Dehnung und damit der Bestimmung der Lagerkräfte kann ebenfalls das vorbeschriebene und bekannte Faser-Bragg-Gitter-Verfahren verwendet werden. Denn die Einwirkung eines Drucks bzw. einer Kraft auf den Lichtwellenleiter 5, verändert ebenfalls die Gitterkonstante des Materials und führt somit zu einer Veränderung der Bragg-Wellenlänge. Möglich ist es auch, die Lagerkräfte mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 5, durch das ebenfalls bekannte Brillouin-Verfahren zu bestimmen. Brillouin-Sensoren basieren auf der Bragg- Reflexion von Laserlicht an akustischen Gittern, die durch Elektronenschwin- gungen innerhalb eines Siliziummoleküls induziert werden. In Kombination mit einem optischen Rückstreuverfahren kann die Faserverformung lückenlos entlang der Faser bzw. des Lichtwellenleiters 5 bestimmt werden. Ein weiteres Verfahren zur Messung der Lagerkräfte verwendet sogenannte Micro-Bending- Sensoren, die auf dem optischen Micro-Bending-Effekt basieren und bei einer Faserkrümmung des Lichtwellenleiters 5 bzw. einer Biegung mit einer Lichtab- strahlung reagieren. Diese Abstrahlverluste können mit Hilfe eines Rückstreu- reflektometers ortsaufgelöst gemessen werden. Diese Methode zur Messung von Kräften ist an sich ebenfalls bekannt. Die Auflösung der Lichtwellenleiter 5 zur Temperatur- oder Lagerkraftmessung, die indirekt über die Dehnungsmessungen bestimmt wird, kann im Allgemeinen insbesondere dadurch vergrößert werden, dass mehrere Lichtwellenleiter 5 mit oder ohne Hüllrohr parallel zueinander angeordnet werden. Es können auch mehrere Lichtwellenleiter 5 nebeneinanderliegend versetzt in das Material einer Lagerschale 3 eingegossen werden oder im Wesentlichen parallel in Bohrungen vorgesehen werden. Mit Hilfe der Auswertungseinheit können somit vorzugsweise ein Temperaturprofil und ein Profil der Lagerkräfte aus dem Dehnungsprofil abgeleitet in Richtung der Lagerbreite oder für einen Teilbereich des Lagers gewonnen werden.

Wie gesagt, erfolgt sowohl die Messung der Temperatur wie auch die Messung der Lagerkräfte erfindungsgemäß auf Basis einer Dehnung der Lichtwellenleiter. Eine Dehnung der Lichtwellenleiter liegt allen oben genannten Verfahren zur Temperatur- oder Kraftmessung zugrunde.

Bei der Kraftmessung ist der Lichtwellenleiter fest mit der Struktur der Lagerbuchse, d.h. mit dem Lagermetall verbunden; eine Krafteinwirkung auf das Lager führt zu einer Biegung / Verformung des Lagers und damit zu einer Dehnung des mit dem Lagermetall fest verbundenen Lichtwellenleiters. Um bei der Kraftmessung den unerwünschten Einfluss einer Dehnung aufgrund einer Temperaturänderung auszuschließen, sollte die Kraftmessung vorzugsweise bei konstanter Temperatur erfolgen.

Bei der Temperaturmessung darf der Lichtwellenleiter nicht fest mit der Lager- Struktur, insbesondere nicht mit dem Lagermetall verbunden sein; vielmehr sollte er in einer Hülse spannungsfrei geführt sein, um sich bei einer erfolgten Temperaturänderung frei ausdehnen oder zusammenziehen zu können.

Das veränderte Verhalten des durch den Lichtwellenleiter geleiteten Lichts auf- grund der Dehnung kann mit einem der oben genannten Verfahren erfasst und ausgewertet werden.

Abschließend sei bemerkt, dass die sämtlichen oben genannten Merkmale in jeder Form miteinander kombiniert werden können. Zudem können konstruktive Details mit Hilfe des üblichen Fachwissens an vorliegende Bedürfnisse ange- passt werden. Bezugszeichenliste

1. Lagerbuchse

3. Lagerschale in Form von Lagermetall

4. Stahlmantel

5. Lichtwellenleiter

7. Lagergehäuse oder Baustücke zur Aufnahme der Lagerbuchse 1

10. Walzenlager