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Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen Bandschwingungen („Flattern“) mit unterschiedlichen Frequenzen, abhängig von Bandzug, Bandbreite, freie Bandlänge und Schwingform, Eigenschwingungen des Walzgerüstes als vertikale Schwingungen des oberen gegen den unteren Walzensatz, z.B. durch Selbsterregung („Brummer“ oder „Gage-Chatter“ beim Quarto im Bereich 100...150 Hz), Eigenschwingungen des Walzgerüstes in höheren Starrkörpermoden und Biegeschwingungen der Walzen durch Selbsterregung (z.B. „Roll-Chatter“ bei Quarto- oder Sexto-Gerüsten), Fremderregung oder auch stochastische Anregung (bis 2000 Hz), Sprung- und Stoßanregungen durch Schließen bzw. Öffnen von Spielen im Antrieb und in den Lagerungen der Walzen, Anregungen durch Prozess-Unstetigkeiten (z.B. Anstich einer Bramme), Anregungen durch Einzeldefekte oder Eigenschaftsänderungen des Bandes, Sprunganregungen durch Unstetigkeiten der Regelung, stochastische Anregungen aus dem Getriebe, insbesondere bei verteilten Zahnradschäden, stochastische Anregungen durch Abwälzen der Walzen aufeinander, stochastische Anregungen aus den Lagern durch Gleit- und Rollreibung, stochastische Anregungen aus dem Umformprozess. Während des Walzen überlagern sich somit Anregungen unterschiedlichster Entstehungsmechanismen in einem weiten Frequenzbereich und führen zu einem komplexen Schwingungsverhalten der Anlage. Besonders kritisch sind Selbsterregungen, da hier das Schwingungssystem über die nichtlineare Umformkennlinie im Takt seiner Eigenschwingung selbstgeregelt Energie aus der Antriebsenergie entnimmt, wodurch sehr große Schwingungsamplituden je nach Stabilitätsverhalten sehr schnell aufklingen. Durch Variationen bei Produkt (Abmessungen, Material), Prozess (Geschwindigkeit, Kräfte, Bandzüge,...) und Anlage (Walzen, Lager) ändern sich sowohl Anregung als auch Schwingverhalten permanent – überlagert von eher langsamen Veränderungen durch einen allgemeinen Anlagenverschleiß. Auswirkungen von Schwingungen Wesentlich sind Schwingungen, die sich negativ auf die Produktivität auswirken, also auf a) das Produkt und/oder b) die Anlage und/oder c) den Prozess. Der Schwingungseinfluss auf das Produkt kann Minderqualität oder Ausschuss nach sich ziehen, der Einfluss auf die Anlage sind wachsender Verschleiß und Bauteildefekte, die Auswirkungen auf den Prozess sind reduzierte Walzgeschwindigkeiten sowie erhöhte Stillstandszeiten. Torsionsschwingungen im Antriebsstrang können z.B. einerseits zu Schädigungen der Anlage (Getriebedefekte, Spielvergrößerungen bis hin zum Bruch von Spindeln oder Treffern) und andererseits zu periodischen Banddicken- und Prozessschwankungen führen. Sowohl die Anlagen- als auch die Prozessänderungen tragen wiederum zu erhöhter Schwingungsanregung und Schwingungsfähigkeit bei. 31 November 2011
Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen Walzen mit Oberflächenfehlern können durch direkte Übertragung die Produktqualität vermindern und das gesamte Walzgerüst zu Schwingungen anregen. Dadurch werden die Bandfehler verstärkt, Bauteile im Gerüst und auch im Antrieb geschädigt und letztlich auch die Walzenfehler vergrößert. Neben diesem kritischen Rückkoppeleffekt von Ursache und Wirkung können sich die Fehler durch die Schwingungen nicht nur auf die relevanten Bauteile im jeweiligen Walzgerüst, sondern auch auf Anlagen der unterschiedlicher Prozessstufen fortpflanzen, z.B.: Stützwalze Arbeitswalze Band Walzensatz A Lager Walzensatz B ... Gerüst X Band Gerüst Y ... ... Warmwalzwerk Band Kaltwalzstraße Band Dressiergerüst ... Walzenschleifmaschine Walze Walzgerüst Band ... Eine bedeutende Fehlerklasse bei gewalztem Band, die von Schwingungen verursacht werden, sind quer zur Walzrichtung verlaufende periodische Produktfehler, die als „Querwellen“, „Riffel“, „Schläge“, „Streifen“, „Ratter-Markierungen“ bzw. „Chatter-Marks“ bezeichnet werden. Bild 6.1: zeigt schematisch die möglichen Entstehungsmechanismen und Bild 6.2: periodische Fehlerbilder. Im normalen Betrieb herrschen Mischformen mit unterschiedlichen Anteilen, Wellenlängen und Amplituden vor, die bei Unterschreitung bestimmter Grenzen nicht sichtbar oder nicht störend sind. Problematisch ist die Dominanz eines Fehlers, wenn die Amplituden z.B. durch Selbsterregung soweit anwachsen, dass entweder das Produkt minderwertig ist oder der Prozess unterbrochen werden muss. Die Wellenlänge der Fehler ist abhängig von der Schwingfrequenz und der Walzgeschwindigkeit (w = v w / f) und kann wenige Millimeter bis zu mehreren Metern betragen. Die Fehleramplitude liegt im Bereich „nicht sichtbar“ bis zu ca. 20 µm bei „Formwellen“ sowie bis ca. 200 µm bei „Dickenwellen“. w Walze w Band w Band Bild 6.1: Schema der Entstehung periodischer Bandfehler durch Walzensatzschwingungen sowie durch Übertragung von Walzenfehlern Die Ursache periodischer Bandfehlern ist meist eine Überlagerung verschiedenster direkter Einflussgrößen sowie indirekter begünstigender oder auslösender Faktoren, prinzipiell sind 32 November 2011
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