WO2024121271A1 - Verfahren und system zur computerimplementierten gestaltung und/oder (weiter)entwicklung und/oder auslegung und/oder lebendaueroptimierung von maschinenelementen einer hüttenechnischen anlage - Google Patents

Verfahren und system zur computerimplementierten gestaltung und/oder (weiter)entwicklung und/oder auslegung und/oder lebendaueroptimierung von maschinenelementen einer hüttenechnischen anlage Download PDF

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WO2024121271A1
WO2024121271A1 PCT/EP2023/084623 EP2023084623W WO2024121271A1 WO 2024121271 A1 WO2024121271 A1 WO 2024121271A1 EP 2023084623 W EP2023084623 W EP 2023084623W WO 2024121271 A1 WO2024121271 A1 WO 2024121271A1
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WO
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machine element
load
machine
design
measurement data
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PCT/EP2023/084623
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Inventor
Joachim Ohlert
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Sms Group Gmbh
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing

Definitions

  • the invention relates to a method and system for computer-implemented design and/or (further) development and/or layout and/or service life optimization of machine elements of a metallurgical plant.
  • machine elements in rolling mill drive trains are wearing parts whose wear is based on numerous continuous and discontinuous, regular and sporadic, avoidable and unavoidable phenomena that are related to the rolling process. Examples are maximum torques when threading and unthreading the strip, alternating gripping and slipping of the strip, but also the continuous load as a result of the deformation of the rolled material. When a critical amount of wear is finally reached, the machine element must be replaced.
  • repair or maintenance can extend the service life of the machine element while maintaining or improving performance.
  • the designer When designing machine elements, the designer usually has no information about how the continuous reduction in functionality due to wear and tear occurs. It is often the case that the exact load on the machine element during operational use and in particular the load history as well as the current condition of the component are not known or only insufficiently known, so that targeted Improvement or further development of the product or machine element cannot therefore be carried out.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a system for the computer-implemented design and/or (further) development and/or design and/or service life optimization of machine elements of a metallurgical plant, which takes this disadvantage into account.
  • a method for the computer-implemented design and/or configuration and/or (further) development and/or for service life optimization of machine elements of a metallurgical plant which comprises calculating and/or providing at least one first data set, comprising structural characteristics of the machine element based on an assumed load and service life expectancy of the machine element in an operational use, recording the actual load and/or the production history of the machine element during manufacture and the load history of the machine element in the metallurgical plant in the form of application-related measurement data and information from the manufacturing process and the operational use of the machine element, and returning and using the measurement data to calculate at least one second modified data set with structural characteristics that are optimized taking into account the installation situation of the machine element and/or the production and/or application-related measurement data.
  • the method according to the invention comprises an improvement in the static design of the machine element, in particular the method according to the invention provides more and improved target values for the manufacture of the machine element, which are taken into account in the design and in particular make the comparison of permissible and actual stress more precise.
  • the additional recording of actual values during production enables the calculation or determination of correlations between these values and a load during operational use.
  • the influence of the variation in the actual values of the machine element can be immediately recognized in this way, so that the method according to the invention provides additional security in the design and/or layout of the machine element.
  • design or layout in the sense of the present invention is to be understood to mean that the method includes both a design of the component in the narrowest sense, i.e. with regard to material selection, dimensioning, surface design, heat treatment, etc., as well as a complete redesign of the component, for example in the sense of contour optimization or the like.
  • a further aspect of the invention includes the dynamic design of the component or machine element in the sense that operational data is recorded and evaluated and compared with the assumptions of the original, static design and in particular with the manufacturing data. This enables the possibility of adapting process variables and limit values during operational use of the component or machine element, as well as the possibility of adapting the manufacturing process, particularly due to the determination of an actual service life and a currently remaining service life.
  • One aspect of the invention relates to automatic component optimization or automatic/automated further development of the machine element.
  • the method provided according to the invention can be summarized as providing, from one point of view, a quasi-dynamic design and/or service life optimization and/or (further) development and/or design of machine elements of a metallurgical plant with feedback and appropriate use of information and measurement data relating to the machine element from production and/or operational use.
  • the design and other characteristics of the machine element are preferably adapted and optimized automatically using the measurement data from operational use and/or the data from the manufacture of the machine element. This can also be done repeatedly and iteratively, for example, with regard to a specific machine element.
  • the method according to the invention relates both to the computer-implemented design and/or redesign of the machine element in the sense of new production and to the service life optimization of the machine element in the sense of repair, maintenance or restoration.
  • Computer-implemented in the sense of the present invention means that the method is carried out at least partially automatically with the aid of computer hardware and software.
  • the manufacture of mechanically highly stressed machine elements typically includes numerous steps up to the production of the raw part, e.g. melting, casting, forming, heat treatment, and finally to the production of the finished machine element, e.g. by machining with a geometrically defined cutting edge, machining with a geometrically undefined cutting edge, welding, heat treatment.
  • the specified Parameters which often characterize the quality of the machine element (e.g. geometry and surface finish), and the actually achieved values (actual values) are documented in detail and the usually extensive, often continuously occurring measured values (process parameters such as forces, moments or feed rates) are recorded and stored.
  • the exact geometry and surface shape influence the load that occurs during operation.
  • the actual material composition and the heat treatment state influence, for example, the permissible load or load-bearing capacity.
  • the data can be used, preferably after it has been checked for plausibility and validated and converted into relevant information, to evaluate the performance of the machine element, taking into account the structural design on the one hand and the assumed load during operation on the other, and to quantitatively determine important related static parameters such as the expected service life. This improves the accuracy and quality of the load prediction during design compared to the standard procedure, which usually only takes into account a few target values from the manufacturing process.
  • static parameters are those that are calculated using load variables that are based on assumptions or that are specified by system limits or process restrictions and that are not compared and adjusted with the actual load during operation. Once the static parameters have been calculated, they no longer change.
  • dynamic parameters take into account the actual loads in operation, which deviate from the forecast or which can only be imprecisely represented by the assumptions made during design, and possibly also the load history, which leads, for example, to only a remaining service life remaining instead of the calculated service life.
  • the collection and evaluation of the measurement data using suitable methods and models and the comparison with the parameters and measurement data from the production of the machine element allow the static parameters from the production phase to be converted into dynamic and current parameters that are valid for the respective operation and thus the specific application.
  • the method according to the invention comprises changing the boundary conditions assumed for calculating and/or providing the design characteristics both during production and during operation if a deviation is detected between the assumed boundary conditions and information obtained from the measurement data and/or from information regarding the actual parameters and loads during the production process and operation, and calculating and/or specifying optimized design characteristics taking the actual load into account.
  • optimized characteristics were also referred to above as dynamic characteristics or characteristics.
  • the measurement data are checked for plausibility and/or validated on the basis of physical models and/or artificial intelligence.
  • the method may further comprise the step of contour optimization of the machine element based on the recorded actual load and/or load history of the machine element during operational use.
  • the method may further additionally or alternatively comprise one or more of the steps of optimizing the machine element with regard to the surface, the material used, and a heat treatment of the machine element.
  • the method according to the invention can include the method step of deliberately varying the load on the machine element during operational use in order to increase the database of the measurement data.
  • a targeted exceeding of limit values/load limit values of the machine element during operational use can be provided in order to achieve process optimization with regard to the component, process and product (rolled product).
  • the plausibility check and/or validation of the measurement data and/or the contour optimization process step and/or the further optimization steps are preferably carried out using procedures based on machine learning methods.
  • modified design parameters can also be carried out using procedures based on machine learning methods.
  • the method according to the invention includes the possibility of making changes to the machine element by recording comprehensive data and converting it into relevant information, thereby increasing its performance and expanding its functionality.
  • Linking data from production and operation with data that characterizes the current state of the machine element can allow not only a more precise design of the machine elements but also an optimization of the structural design.
  • contour optimization is carried out on the basis of a measurement, the stresses acting on the machine element can be reduced.
  • An example of such a measurement is the determination of the wear-related material removal in the area of a gear spindle sleeve that is in direct contact with a roll neck.
  • the geometry of a functional surface of the gear spindle sleeve can be changed, for example.
  • the complexity of the procedure increases if, instead, several or even numerous measurements are evaluated together using suitable methods and several or even numerous measures for machine element optimization are derived from them using suitable methods.
  • process variables and system settings on the machine element load during operation can be verified and specified on the basis of physical models and/or artificial intelligence.
  • process models for example a rolling mill, such as a pass schedule model or the profile, contour and flatness model, such as rolling force or temperature
  • other variables are preferably measured or determined that allow direct conclusions to be drawn about the load on the machine element. This can be, for example, a current measurement of geometry and/or surface or a local measurement of forces or stresses.
  • the relationship between the above-mentioned influencing variables and the correlated load on the one hand and the machine element condition and safety or service life on the other hand can also be determined using methods and calculation procedures based on physical models and/or artificial intelligence. These two types of measurements also improve the quality of the design and enable the verification of important assumptions, such as the relationship between load variables and wear of the machine element, and the establishment of new correlations.
  • the relationship between the average or maximum torque transmitted by a machine element, such as a gear spindle sleeve, on the one hand, and the wear of the inner surfaces of the gear spindle sleeve, which are in contact with the journal of the work roll, on the other hand, is a relationship that can initially be estimated using assumptions. This wear can lead to failure and thus the end of the service life of the gear spindle sleeve.
  • the method according to the invention makes it possible to verify these assumptions by comparing the to improve recorded and/or measured data.
  • the relationship between characteristic quantities and parameters during the manufacture of the machine element and its subsequent loading during operation enables, according to the invention, the improvement of assumptions already made or the provision of new relationships or assumptions.
  • characteristic quantities and parameters during the manufacture of the machine element and its subsequent load during operation which is often not known to the same extent as the relationship between characteristic quantities and parameters during operation and the load during operation, can also be analyzed using methods and calculation procedures based on physical models and/or artificial intelligence and verified analogously to the procedure described above.
  • Examples of such artificial intelligences are neural networks, adaptive algorithms, evolutionary algorithms, genetic algorithms, or the like.
  • Examples known from the state of the art include: Bayesian belief networks, decision trees, so-called hidden Markov models, case-based reasoning, k-nearest neighbors, self-organizing maps, instance-based learning, support vector machines, artificial neural networks (ANN), recurrent neural networks (RNN), deep neural networks (DNN) or convolutional neural networks (CNN). Any conceivable combination of such designs can also be used.
  • the comprehensive data and the evaluation of the data using analytical and numerical methods allow process optimization with regard to the machine element, but to the same extent also with regard to the process, e.g. stability, yield, use of alloying elements and Energy, use of input materials, and product, e.g. properties, quality, reproducibility.
  • Plant limits and process-related limit values can be shifted if the current permissible load on the machine element is known, which can give the plant operator more freedom in production or increase the quality of the product. This can be the case in a hot rolling mill, for example, if larger (or smaller) pass reductions and/or higher or lower temperatures are used, thereby saving alloying elements or achieving better product properties.
  • the information measured directly or obtained through evaluation can be used according to the invention to further develop a component.
  • component optimization can also be carried out automatically by initiating the necessary changes to the component with the help of suitable rules and algorithms or highly complex dynamic and iterative models. While changes to the process for changing the load can be made immediately, changes to the component to reduce the load that occurs or to increase the permissible load must be made by or at the manufacturer of the component and system. However, they can be triggered automatically, and the ordering process and the actual development process can also be carried out automatically if the infrastructure and suitable development tools are available.
  • the method according to the invention can be used to design and manufacture customer-specific components based on the actual load. These take into account the actual driving style of the customer's operational application and thus the actual load on the components and are individual solutions that are difficult to implement by other suppliers of mechanical components.
  • the characteristics or parameters of the production are selected from a group of data comprising material characteristics and/or Material composition, surface texture, as well as the geometric dimensions and contours of the machine element.
  • the measurement data from the operational use of the machine element are selected from a group of data comprising the tribological characteristics of the machine element in the specific installation situation, temperatures, torques, speeds and static loads.
  • the measurement data are fed back at least partially from a process control and guidance system of a steelworks plant or a continuous casting plant or an annealing furnace or a hot-dip galvanizing line or a rolling mill or a strip processing plant or a forging plant or a casting-rolling plant to a device for the computer-aided design of machine elements and used to optimize the characteristics or parameters of the machine element.
  • a process control and guidance system of a steelworks plant or a continuous casting plant or an annealing furnace or a hot-dip galvanizing line or a rolling mill or a strip processing plant or a forging plant or a casting-rolling plant to a device for the computer-aided design of machine elements and used to optimize the characteristics or parameters of the machine element.
  • the machine element is selected from a group of machine elements comprising the rolls of a rolling mill, roller table rollers of a rolling mill, linear guides of roller tables, rolling stands and edging stands as well as drive shafts and gear parts and toothed spindles of rolling stands
  • the invention further comprises a system for designing and/or optimizing the service life and/or further developing machine elements of a metallurgical plant, comprising at least one device for the computer-aided design of machine elements and means for measuring, recording and storing operating data from the operational use of the machine element, wherein the system is set up to carry out the method described above.
  • Figure 1 is a perspective view of a finishing train of a rolling mill as a metallurgical plant
  • Figure 2 is a perspective view of the drive side of a rolling stand with parts of the drive as machine elements to be designed according to the method
  • Figure 3a shows a cross section through a gear spindle sleeve as a machine element
  • Figure 3b shows a perspective longitudinal section through the gear spindle sleeve.
  • the invention is described below based on a further development of gear spindle sleeves 1 as machine elements of drive trains for rolling stands F1-Fn of a finishing train 2 of a hot rolling mill for steel.
  • the finishing train 2 comprises, in a known manner, a plurality of individual rolling stands F1 - FN, which are part of the hot rolling mill as a metallurgical plant.
  • Such a finishing train 2 can, for example, comprise up to eight rolling stands F1-Fn, each of which is driven by drives 3 via gear spindles 4 as drive shafts.
  • the gear spindle shafts 4 are each laterally connected to a gear 5 via gear spindle sleeves 1 and are part of the drive train for the rolling stands F1-Fn.
  • an upper work roll 6 and a lower work roll 7 are connected to the relevant gear spindle shaft 4 via a work roll journal 8 with a gear spindle sleeve 1, the gear spindle shaft 4 engaging with a circumferential toothing 9 in a corresponding toothing of the gear spindle sleeve 1.
  • the gear spindle sleeve 1 opposite the toothing 9 the latter is provided with a cross-sectional profile that is complementary to the work roll journal 8.
  • Process variables relevant to the load on the gear spindle sleeve 1 and changing over the course of the finishing train 2 include the speed n and the torque M, which can change, for example, from the rolling stands F1 to F7 as follows:
  • the load on the gear spindle sleeve 1 during operational use also depends on the installation situation, for example depending on whether the gear spindle sleeve 1 is connected to the gear spindle shaft 4 on the stand side or on the gearbox side or whether it is arranged in the drive train of an upper work roll 6 or a lower work roll 7.
  • the corresponding data which can be provided in the form of measurement data, and the information in In which stand F1 to F7 of the finishing train 2 the relevant gear spindle sleeve 1 is arranged are important for optimizing the service life of the gear spindle sleeve. With the help of simple sensors, the position and direction of rotation of the various gear spindle sleeves 1 in the finishing train 2 can be determined.
  • An evaluation of the measurement data provided by the sensors also provides information on whether the relevant gear spindle sleeve 1 is always used in the same place or whether it is installed and operated at a different position within the rolling stand F1-Fn or in a different rolling stand F1-Fn.
  • essential load data for the gear spindle sleeve such as rpm, speed, rolling force and rolling torque can be estimated.
  • rpm and speed can also be measured using additional sensors.
  • the values of the rolling force and torque can alternatively or additionally be taken from the automation systems or a higher-level process control of the rolling mill or from corresponding databases.
  • the measured or otherwise determined values are assigned to each individual gear spindle sleeve 1 for the entire operating period. This creates an individual load history for each gear spindle sleeve 1 as a load collective with all available and relevant measurement data as a function of time.
  • the load collective is used as the basis for the design.
  • Gear spindle sleeves 1 that are always used in the same place must be able to withstand the load occurring there permanently or for a defined period of time. Gear spindle sleeves 1 that are exposed to high forces and moments can be designed differently than those that are operated at low loads. Gear spindle sleeves 1 that are operated at high speeds can be designed differently than slow-running gear spindle sleeves. For gear spindle sleeves 1 which are used in both positions within at least one frame, it is taken into account that the stress due to the change in the direction of rotation is of a changing rather than a pulsating nature and that the permissible load is therefore reduced without changing the structural design.
  • the most important criteria, guidelines and algorithms of the design are stored in a corresponding software based on machine learning methods.
  • This software is trained accordingly so that the individual design of the machine element, in particular the gear spindle sleeve 1, is automated and runs without intervention by a designer.
  • the load collective can be used in a next and further process step as a basis for an individual further development of the gear spindle sleeve 1 that is optimally tailored to the respective application.
  • Toothed spindle sleeves 1 that are always used in the same place must be able to withstand the loads that occur there permanently or for a defined period of time. Toothed spindle sleeves 1 that are exposed to high forces and moments are given larger dimensions using the process. These can be equipped with a further developed and thus improved geometry of the gearing 9 and/or the roll neck holder.
  • Toothed spindle sleeves 1 which are operated at high speeds can have a different structural design and be manufactured from different materials and using different production methods than slow-running toothed spindle sleeves 1 .
  • gear spindle sleeves 1, which are used in various rolling stands F1-Fn, are specifically optimized for their heterogeneous and complex loading scenario.
  • gear spindle sleeves 1 that are only used at one position within a rolling stand F1-Fn, a pulsating load can be assumed instead of a changing one, but above all an asymmetrical tooth shape can be selected for the gearing 9. This results in a restriction to one direction of rotation, but higher torques can then be transmitted in this direction. If higher torques are not required, a smaller and more economical size can be selected.
  • the data-based load analysis can show that a technically optimal or economically favorable design or execution is difficult to achieve due to the load situation or the load history.
  • the software can then make alternative suggestions for a modified operation or implement them automatically. On the one hand, this can mean that the rolling stand in which the gear spindle sleeve 1 is currently located is relieved of the load with regard to the critical sizes, or on the other hand, that the gear spindle sleeve 1 is used in a certain rolling stand F1-Fn, but not in another.
  • the procedure can include a computer-aided analysis of all load histories and all measures, derivation and manual or automated application of design principles, if necessary taking customer specifications into account as additional boundary conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur computerimplementierten Gestaltung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage umfassend folgende Verfahrensschritte: Berechnen und/oder Bereitstellen wenigstens eines ersten Datensatzes umfassend konstruktive Kenndaten des Maschinenelements aufgrund einer angenommenen Belastung und Lebensdauererwartung des Maschinenelements in einem betrieblichen Einsatz, Erfassen der tatsächlichen Belastung und/oder Belastungshistorie des Maschinenelements in der hüttentechnischen Anlage und/oder aus der Fertigungshistorie des Maschinenelements in Form von anwendungsbezogenen Messdaten und Informationen aus dem betrieblichen Einsatz und/ oder der Fertigung des Maschinenelements, und Rückführen und Verwenden der Messdaten zur Berechnung wenigstens eines zweiten veränderten Datensatzes mit konstruktiven Kenndaten, die unter Berücksichtigung der Einbausituation des Maschinenelements und/oder der anwendungsbezogenen Messdaten optimiert werden.

Description

Verfahren und System zur computerimplementierten Gestaltung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur computerimplementierten Gestaltung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage.
Insbesondere Maschinenelemente in Antriebssträngen von Walzwerken sind Verschleißteile, deren Verschleiß auf zahlreichen kontinuierlichen und diskontinuierlichen, regelmäßigen und sporadischen, vermeidbaren und unvermeidbaren Phänomenen beruht, die im Zusammenhang mit dem Walzprozess stehen. Beispiele sind Maxima der Drehmomente beim Einfädeln und Ausfädeln des Bandes, abwechselndes Greifen und Rutschen des Bandes, aber auch die kontinuierliche Belastung infolge der Deformation des Walzguts. Wird schließlich ein kritischer Verschleißbetrag erreicht, muss das Maschinenelement ausgewechselt werden. Bei einigen Maschinenelementen wie Rollen oder Walzen oder beispielsweise Zahnspindeln oder Zahnspindelhülsen von Walzenantrieben kann eine Reparatur bzw. Instandsetzung die Lebensdauer des Maschinenelements bei unveränderter oder verbesserter Leistungsfähigkeit verlängern.
Bei der konstruktiven Auslegung von Maschinenelementen hat der Konstrukteur in der Regel keine Informationen zum Zustandekommen der kontinuierlichen Reduzierung der Funktionalität infolge von Verschleiß. Häufig ist es so, dass die genaue Belastung des Maschinenelements beim betrieblichen Einsatz und insbesondere auch die Belastungshistorie sowie auch der aktuelle Zustand des Bauteils nicht oder nur unzureichend bekannt sind, sodass eine gezielte Verbesserung oder Weiterentwicklung des Produkts bzw. des Maschinenelements deshalb nicht durchgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur computerimplementierten Auslegung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Gestaltung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage bereitzustellen, das diesem Nachteil Rechnung trägt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur computerimplementierten Auslegung und/oder Gestaltung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder zur Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage bereitgestellt, welches das Berechnen und/oder Bereitstellen wenigstens eines ersten Datensatzes, umfassend konstruktive Kenndaten des Maschinenelements aufgrund einer angenommenen Belastung und Lebensdauererwartung des Maschinenelements in einem betrieblichen Einsatz, das Erfassen der tatsächlichen Belastung und/oder der Fertigungshistorie des Maschinenelements während der Herstellung und der Belastungshistorie des Maschinenelements in der hüttentechnischen Anlage in Form von anwendungsbezogenen Messdaten und Informationen aus dem Herstellprozess und dem betrieblichen Einsatz des Maschinenelements und das Zurückführen und Verwendern der Messdaten zur Berechnung wenigstens eines zweiten veränderten Datensatzes mit konstruktiven Kenndaten, die unter Berücksichtigung der Einbausituation des Maschinenelements und/oder der fertigungs- und/oder anwendungsbezogenen Messdaten optimiert sind, umfasst. Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst nach einem ersten Gesichtspunkt eine Verbesserung der statischen Auslegung des Maschinenelements, insbesondere werden durch das Verfahren gemäß der Erfindung mehr und verbesserte Sollwerte für die Herstellung des Maschinenelements bereitgestellt, die bei der Auslegung berücksichtigt werden und insbesondere den Vergleich von zulässiger und tatsächlicher Beanspruchung präziser machen.
Die zusätzliche Erfassung von Istwerten bei der Herstellung ermöglicht die Berechnung oder Ermittlung von Korrelationen dieser Werte mit einer Belastung im betrieblichen Einsatz. Der Einfluss der Variation der Istwerte des Maschinenelements ist auf diese Art und Weise sofort erkennbar, sodass das Verfahren gemäß der Erfindung eine zusätzliche Sicherheit bei der Gestaltung und/Auslegung des Maschinenelements vermittelt.
Der Begriff der Gestaltung bzw. Auslegung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dahingehend zu verstehen, dass das Verfahren sowohl eine Auslegung des Bauteils im engsten Sinne, d. h. bezüglich Materialwahl, Dimensionierung, Oberflächengestaltung, Wärmebehandlung etc. als auch eine vollständige Neugestaltung des Bauteils beispielsweise im Sinne einer Konturoptimierung oder dergleichen umfasst.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung umfasst die dynamische Auslegung des Bauteils bzw. des Maschinenelements in dem Sinne, dass eine Erfassung und Auswertung von Daten des Betriebs und ein Abgleich mit den Annahmen der ursprünglichen, statischen Auslegung und insbesondere den Daten der Fertigung erfolgt. Das ermöglicht insbesondere aufgrund der Ermittlung einer tatsächlichen Lebensdauer und einer aktuell noch verbleibenden Restlebensdauer die Möglichkeit der Anpassung von Prozessgrößen und Grenzwerten beim betrieblichen Einsatz des Bauteils bzw. Maschinenelements als auch die Möglichkeit der Anpassung des Fertigungsprozesses. Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die automatische Bauteiloptimierung bzw. automatische/automatisierte Weiterentwicklung des Maschinenelements.
Das erfindungsgemäß bereitgestellte Verfahren kann dahingehend zusammengefasst werden, dass dieses nach einem Gesichtspunkt eine quasi dynamische Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Gestaltung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage unter Rückführung und entsprechender Verwendung von Informationen und Messdaten betreffend das Maschinenelement aus der Fertigung und/oder dem betrieblichen Einsatz bereitstellt. Mit den Messdaten aus dem betrieblichen Einsatz und/den Daten aus der Herstellung des Maschinenelements werden erfindungsgemäß die konstruktiven und weiteren Kenndaten des Maschinenelements vorzugsweise automatisiert angepasst und optimiert. Dies kann beispielsweise bezüglich eines bestimmten Maschinenelements auch wiederholt und iterativ erfolgen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung betrifft sowohl die computerirnplementierte Auslegung und/oder Neugestaltung des Maschinenelements im Sinne einer Neuherstellung als auch die Lebensdaueroptimierung des Maschinenelements im Sinne einer Reparatur, Wartung oder Wiederherstellung.
Computerimplementiert im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Verfahren unter Zuhilfenahme von Computer Hardware und Software wenigstens teilautomatisiert durchgeführt wird.
Die Herstellung mechanisch hochbelasteter Maschinenelemente umfasst typischerweise zahlreiche Schritte bis zur Fertigung des Rohteils z.B. Erschmelzen, Gießen, Umformen, Wärmebehandeln, und schließlich zur Herstellung des fertigen Maschinenelements, z.B. durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, Schweißen, Wärmebehandeln. Für alle Schritte können die vorgegebenen Kenngrößen (Sollwerte), die häufig die Qualität des Maschinenelements charakterisieren (z.B. Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit), und die tatsächlich erreichten Werte (Istwerte) detailliert dokumentiert und die in der Regel umfangreichen, oftmals kontinuierlich anfallenden Messwerte (Verfahrensparameter wie z.B. Kräfte, Momente oder Vorschubgeschwindigkeiten) aufgenommen und gespeichert werden.
Diese Daten beinhalten Informationen bzw. lassen sich mit geeigneten Methoden in Informationen überführen, die einen unmittelbaren Einfluss verschiedener herstellungsbezogener Größen auf Belastung und Eigenschaften des Maschinenelements im späteren Betrieb aufzeigen und Wechselwirkungen und Korrelationen, die bis dahin unbekannt und unentdeckt waren, offenbar werden lassen.
Die genaue Geometrie und die Oberflächengestalt beeinflussen beispielsweise die im Betrieb auftretende Belastung. Die tatsächliche Werkstoffzusammensetzung und der Wärmebehandlungszustand beeinflussen z.B. die zulässige Belastung bzw. Belastbarkeit.
Die Daten können, vorzugsweise nachdem sie plausibilisiert und validiert und in relevante Informationen überführt wurden, dazu herangezogen werden, unter Berücksichtigung der konstruktiven Ausgestaltung einerseits und der angenommenen Belastung im Betrieb andererseits die Leistungsfähigkeit des Maschinenelements zu bewerten und wichtige diesbezügliche statische Kenngrößen wie die erwartete Lebensdauer quantitativ zu bestimmen. Dadurch verbessern sich Genauigkeit und Güte der Belastungsvorhersage im Rahmen der Auslegung im Vergleich zum Standardvorgehen, bei dem meist lediglich wenige Sollwerte aus dem Herstellungsprozess berücksichtigt werden.
Es kann, beispielsweise im Rahmen einer Parameterstudie, zudem ermittelt werden, wie sich eine Variation wichtiger Prozessgrößen der Fertigung auf die Belastungsgrößen im Betrieb und die daraus errechneten statischen Kennwerte der Auslegung auswirkt. Als statische Kennwerte sind in diesem Zusammenhang solche aufzufassen, die unter Verwendung von Belastungsgrößen errechnet werden, die auf Annahmen beruhen oder die durch Anlagenlimits oder Prozessbeschränkungen vorgegeben sind und die nicht mit der tatsächlichen Beanspruchung im Betrieb verglichen und abgeglichen werden. Sind die statischen Kennwerte einmal berechnet, ändern sie sich nicht mehr.
Im Gegensatz dazu berücksichtigen dynamische Kennwerte die realen Belastungen im Betrieb, die von der Prognose abweichen oder die durch die Annahmen bei der Auslegung nur ungenau abgebildet werden können, und darüber hinaus möglicherweise die Belastungshistorie, die dazu führt, dass beispielsweise statt der errechneten Lebensdauer nur noch eine Restlebensdauer verbleibt.
Im Sinne der dynamischen Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung (d.h. z.B. Ermittlung von Sicherheitsfaktoren im Rahmen des rechnerischen Festigkeitsnachweises) wird ebenfalls möglichst umfassend und lückenlos erfindungsgemäß der spätere Betrieb des Maschinenelements innerhalb einer hüttentechnischen Anlage erfasst.
Die Erfassung und Auswertung der Messdaten mit geeigneten Methoden und Modellen und der Abgleich mit den Kenngrößen und Messdaten aus der Fertigung des Maschinenelements gestatten die Überführung der statischen Kennwerte aus der Herstellungsphase in dynamische und aktuelle Kennwerte, die für den jeweiligen Betrieb und damit den konkreten Anwendungsfall gültig sind.
So können z.B. tatsächliche Lebensdauern und aktuelle Restlebensdauern berechnet werden, aber auch Grenzwerte hinsichtlich der Belastung der Maschinenelemente, die bei der Produktion eingehalten werden müssen, können an den tatsächlichen Zustand des Maschinenelements und den tatsächlichen Ablauf des Prozesses angepasst werden und können zudem in definierter Weise überschritten werden, wenn die damit verbundene und jederzeit bekannte Verminderung von Sicherheit und/oder Lebensdauer akzeptabel ist.
Umgekehrt können besonders wichtige, teure oder schwer zu beschaffende oder auszutauschende Maschinenelemente in gewissen Grenzen zu Ungunsten anderer Maschinenelemente entlastet werden, wenn präzise Informationen zur aktuell auftretenden und zur aktuell zulässigen Belastung vorliegen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung das Verändern der für die Berechnung und/oder Bereitstellung der konstruktiven Kenndaten angenommenen Randbedingungen sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb bei einer festgestellten Abweichung zwischen den angenommenen Randbedingungen und einer aus den Messdaten und/ oder aus erlangten Informationen bezüglich der tatsächlichen Parameter und Belastungen während des Herstellungsprozesses und des Betriebs sowie das Berechnen und/oder Vorgeben optimierter konstruktiver Kenndaten unter Berücksichtigung der tatsächlichen Belastung. Diese optimierten Kenndaten wurden vorstehend auch als dynamische Kenndaten oder Kennwerte bezeichnet.
Es ist also möglich, wichtige Prozessgrößen so anzupassen, dass die Belastung des Maschinenelements der im Rahmen der Auslegung ermittelten Vorhersage entspricht oder dass sie gezielt höher oder niedriger ausfällt, wenn dadurch beispielsweise Maschinenelemente entlastet oder prozessbezogene oder das Produkt betreffende Ziele erreicht werden können. Dabei kommt der genauen Kenntnis der Istwerte bzw. vorgegebenen oder berechneten Kenndaten aufgrund angenommener Belastung sowie dem Vergleich mit den Messwerten aus dem betrieblichen Einsatz und vor allem der Abweichung von Sollwerten und Istwerten eine große Bedeutung zu. Die einzelnen Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt und können gegebenenfalls wiederholt werden, um eine iterative Optimierung des Maschinenelements zu erzielen.
Vorzugsweise werden die Messdaten auf der Basis physikalischer Modelle und/oder künstlicher Intelligenz plausibilisiert und/oder validiert.
Das Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt der Konturoptimierung des Maschinenelements aufgrund der erfassten tatsächlichen Belastung und/oder Belastungshistorie des Maschinenelements im betrieblichen Einsatz umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin zusätzlich oder alternativ einen oder mehrere der Schritte der Optimierung des Maschinenelements hinsichtlich der Oberfläche, des verwendeten Werkstoffs, und einer Wärmebehandlung des Maschinenelements umfassen.
Bei einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist eine automatisierte Überprüfung von gegebenen Annahmen und/oder oder Ableitung von neuen Annahmen für die Auslegung des Maschinenelements und/oder den Aufbau neuer Zusammenhänge zwischen den für die Auslegung des Maschinenelements relevanten Größen vorgesehen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in einer Variante den Verfahrensschritt einer gezielten Variation der Belastung des Maschinenelements im betrieblichen Einsatz zur Vergrößerung der Datenbasis der Messdaten umfassen. Dabei kann beispielsweise eine gezielte Überschreitung von Grenzwerten/Belastungsgrenzwerten des Maschinenelements im betrieblichen Einsatz vorgesehen sein, um eine Prozessoptimierung hinsichtlich Bauteil, Prozess und Produkt (Walzerzeugnis) zu erzielen. Die Plausibilisierung und/oder Validierung der Messdaten und/oder der Verfahrensschritt der Konturoptimierung und /oder die weiteren Optimierungsschritte werden vorzugsweise unter Anwendung von Verfahren durchgeführt, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren.
Auch die Berechnung und/oder Vorgabe veränderter konstruktiver Kenndaten kann unter Anwendung von Verfahren durchgeführt werden, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst die Möglichkeit, über die Aufnahme umfassender Daten und ihre Überführung in relevante Informationen Änderungen am Maschinenelement vorzunehmen und dadurch seine Leistungsfähigkeit zu steigern und seine Funktionalität zu erweitern. Die Verknüpfung von Daten aus Herstellung und Betrieb mit denen, die den aktuellen Zustand des Maschinenelements charakterisieren, kann neben einer genaueren Auslegung der Maschinenelemente auch eine Optimierung der konstruktiven Gestaltung gestatten.
Wenn beispielsweise auf der Basis einer Messung eine Konturoptimierung vorgenommen wird, können dadurch die auf das Maschinenelement einwirkenden Spannungen reduziert werden. Als Beispiel einer derartigen Messung kann die Ermittlung des verschleißbedingten Materialabtrags im Bereich einer Zahnspindelhülse genannt werden, der unmittelbar im Kontakt mit einem Walzenzapfen steht. Als Resultat der Messung und anschließender Auswertung und Bewertung des zugrundeliegenden Mechanismus kann zum Beispiel die Geometrie einer Funktionsfläche der Zahnspindelhülse verändert werden. Die Komplexität des Vorgehens nimmt zu, wenn stattdessen mehrere oder sogar zahlreiche Messungen mittels geeigneter Methoden gemeinsam ausgewertet und mehrere oder sogar zahlreiche Maßnahmen zur Maschinenelementoptimierung mittels geeigneter Methoden daraus abgeleitet werden. Mittels geeigneter Methoden und spezieller Berechnungsverfahren kann auf der Basis physikalischer Modelle und/oder künstlicher Intelligenz der Einfluss von Prozessgrößen und Anlageneinstellungen auf die Maschinenelementbelastung im Betrieb, der im Rahmen der Auslegung des Maschinenelements berechnet wird, verifiziert und präzisiert werden. Dazu werden vorzugsweise zusätzlich zu den direkt gemessenen oder mit Hilfe von Prozessmodellen, beispielsweise einer Walzanlage, wie einem Stichplanmodell oder dem Profil-, Kontur- und Planheitsmodell ermittelten Größen wie Walzkraft oder Temperatur, weitere Größen gemessen bzw. ermittelt, die direkte Rückschlüsse auf die Belastung des Maschinenelements zulassen. Das kann zum Beispiel eine aktuelle Vermessung von Geometrie und/oder Oberfläche oder eine lokale Messung von Kräften oder Spannungen sein. Mit zusätzlichen Messungen, die beispielsweise eine direkte Aussage über den Verschleißzustand oder eine indirekte rechnerische Ermittlung der Restlebensdauer erlauben, kann ferner ebenfalls mittels Methoden und Berechnungsverfahren auf der Basis physikalischer Modelle und/oder künstlicher Intelligenz der Zusammenhang zwischen den oben genannten Einflussgrößen und der damit korrelierten Belastung einerseits und Maschinenelementzustand und Sicherheit bzw. Lebensdauer andererseits ermittelt werden. Auch diese beiden Arten von Messungen verbessern die Qualität der Auslegung und ermöglichen die Überprüfung wichtiger Annahmen, wie beispielsweise den Zusammenhang zwischen Belastungsgrößen und Verschleiß des Maschinenelements, und den Aufbau neuer Korrelationen.
Der Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen oder dem maximalen Drehmoment, das ein Maschienenelement, wie beispielsweise eine Zahnspindelhülse überträgt, einerseits und dem Verschleiß der innenliegenden Flächen der Zahnspindelhülse, die sich im Kontakt mit dem Zapfen der Arbeitswalze befinden, andererseits, ist ein Zusammenhang, der zunächst mit Annahmen abgeschätzt werden kann. Dieser Verschleiß kann zum Ausfall und damit dem Ende der Lebensdauer der Zahnspindelhülse führen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, diese Annahmen durch Abgleich der erfassten und/oder gemessene Daten zu verbessern. Der Zusammenhang zwischen charakteristischen Größen und Parametern bei der Herstellung des Maschinenelements und seiner späteren Belastung im Betrieb ermöglicht erfindungsgemäß die Verbesserung bereits getroffener Annahmen oder die Bereitstellung neuer Zusammenhänge oder Annahmen.
Der Zusammenhang zwischen charakteristischen Größen und Parametern bei der Herstellung des Maschinenelements und seiner späteren Belastung im Betrieb, der bisher oft nicht im gleichen Maße bekannt ist wie der zwischen charakteristischen Größen und Parametern im Betrieb und der Belastung im Betrieb, lässt sich ebenfalls mittels Methoden und Berechnungsverfahren auf der Basis physikalischer Modelle und/oder künstlicher Intelligenz analysieren und analog zu der oben dargestellten Vorgehensweise verifizieren.
Beispiele für derartige künstliche Intelligenzen sind neuronale Netzwerke, adaptive Algorithmen, evolutionäre Algorithmen, genetische Algorithmen, oder dergleichen. Aus dem Stand der Technik bekannte Beispiele sind u.a.: Bayes’sche Zuverlässigkeitsnetzwerke (Bayesian belief network), Entscheidungsbäume (decision tree), sog. hidden Markov-Modelle, fallorientierte Überlegung (case- based reasoning), k-nächste Nachbarn, sich selbst organisierende Karten (selforganizing maps), fallorientiertes Lernen (instance-based learning), Stützvektormaschinen (Support Vector Machine), künstliche Neuronale Netzwerke (ANN: Artificial Neural Network), rekurrente neuronale Netze (RNN: recurrent neural network), tiefe neurale Netze (DNN: deep neural network) oder faltende neuronale Netze (CNN: convolutional neural network). Auch jede denkbare Kombination aus derartigen Ausbildungen kann zum Einsatz kommen.
Die umfassende Datenlage und die Auswertung der Daten mit z.B. analytischen und numerischen Methoden gestatten eine Prozessoptimierung hinsichtlich des Maschinenelementes, in dem gleichen Maße aber auch hinsichtlich des Prozesses, z.B. Stabilität, Ausbringung, Einsatz von Legierungselementen und Energie, Verwendung von Einsatzstoffen, und Produkt, z.B. Eigenschaften, Qualität, Reproduzierbarkeit. So können Anlagenlimits und prozessbedingte Grenzwerte bei Kenntnis der aktuell zulässigen Belastung des Maschinenelements verschoben werden, was dem Betreiber der Anlage Freiräume bei der Produktion schaffen kann oder die Qualität des Produkts steigern kann. Das kann beispielsweise in einem Warmwalzwerk der Fall sein, wenn größere (oder auch kleinere) Stichabnahmen und/oder höhere oder niedrigere Temperaturen angewendet und dadurch Legierungselemente eingespart oder bessere Produkteigenschaften erreicht werden können.
Die direkt gemessenen oder durch Auswertung erlangten Informationen lassen sich erfindungsgemäß nutzen, um ein Bauteil weiterzuentwickeln. Darüber hinaus kann die Bauteiloptimierung auch automatisiert durchgeführt werden, indem mit Hilfe geeigneter Regeln und Algorithmen oder hochkomplexer dynamisch und iterativ arbeitender Modelle die notwendigen Änderungen am Bauteil initiiert werden. Während Änderungen am Prozess zur Veränderung der Belastung sofort vorgenommen werden können, müssen Änderungen am Bauteil zur Reduzierung der auftretenden oder zur Erhöhung der zulässigen Belastung beim oder durch den Hersteller von Bauteil und Anlage durchgeführt werden. Sie können aber automatisch ausgelöst werden, und auch der Bestellvorgang und der eigentliche Entwicklungsprozess können bei Vorhandensein von Infrastruktur und geeigneten Entwicklungswerkzeugen automatisiert vorgenommen werden. Schließlich kann das erfindungsgemäße verfahren genutzt werden, um auf Basis der tatsächlichen Belastung kundenspezifische Bauteile zu entwerfen und herzustellen. Diese tragen der realen Fahrweise der betrieblichen Anwendung des Kunden und damit der tatsächlichen Belastung der Bauteile Rechnung und sind individuelle Lösungen, die von anderen Lieferanten mechanischer Bauteile nur schwer verwirklicht werden können.
Vorzugsweise sind die Kenndaten bzw. Kenngrößen der Herstellung ausgewählt aus einer Gruppe von Daten umfassend Materialkennwerte und/oder Materialzusammensetzung, Oberflächenbeschaffenheit, sowie die geometrischen Abmessungen und Konturen des Maschinenelements.
Vorzugsweise sind die Messdaten aus dem betrieblichen Einsatz des Maschinenelements ausgewählt aus einer Gruppe von Daten umfassend die tribologischen Kennwerte des Maschinenelements in der spezifischen Einbausituation, Temperaturen, Drehmomente, Drehzahlen und statische Belastungen.
Bevorzugt werden die Messdaten zumindest teilweise aus einem Prozesssteuerungs- und Leitsystem einer Stahlwerksanlage oder einer Stranggießanlage oder eines Glühofens oder einer Feuerverzinkungslinie oder einer Walzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage oder einer Schmiedeanlage oder einer Gieß-Walzanlage in eine Einrichtung zur computergestützten Konstruktion von Maschinenelementen rückgeführt und zur Optimierung der Kenndaten bzw. Kenngrößen des Maschinenelements verwendet.
Bevorzugt ist das Maschinenelement ausgewählt aus einer Gruppe von Maschinenelementen umfassend die Walzen eines Walzwerks, Rollgangsrollen eines Walzwerks, Linearführungen von Rollgängen, Walzgerüsten, und Stauchgerüsten sowie Antriebswellen und Getriebeteile und Zahnspindeln von Walzgerüsten
Die Erfindung umfasst weiterhin ein System zur Gestaltung/und oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung und/oder Weiterentwicklung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage umfassend wenigstens eine Einrichtung zur computergestützten Konstruktion von Maschinenelementen und Mittel zum Messen, Erfassen und Speichern von Betriebsdaten aus dem betrieblichen Einsatz des Maschinenelements, wobei das System dazu eingerichtet ist, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Fertigstraße einer Walzanlage als hüttentechnische Anlage,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Antriebsseite eines Walzgerüsts mit Teilen des Antriebs als nach dem Verfahren auszulegende Maschinenelemente,
Figur 3a einen Querschnitt durch eine Zahnspindelhülse als Maschinenelement und
Figur 3b einen perspektivischen Längsschnitt durch die Zahnspindelhülse.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Weiterentwicklung von Zahnspindelhülsen 1 als Maschinenelemente von Antriebssträngen für Walzgerüste F1-Fn einer Fertigstraße 2 einer Warmwalzanlage für Stahl beschrieben. Die Fertigstraße 2 umfasst in bekannter Art und Weise eine Vielzahl von einzelnen Walzgerüsten F1 - FN, welche Teil der Warmwalzanlage als hüttentechnische Anlage sind.
Eine solche Fertigstraße 2 kann beispielsweise bis zu acht Walzgerüste F1-Fn umfassen, welche jeweils mittels Antrieben 3 über Zahnspindeln 4 als Antriebswellen angetrieben werden. Die Zahnspindelwellen 4 sind jeweils seitlich über Zahnspindelhülsen 1 mit einem Getriebe 5 verbunden und Teil des Antriebsstrangs für die Walzgerüste F1-Fn. Auf der Antriebsseite der Walzgerüste F1-FN sind eine obere Arbeitswalze 6 und eine untere Arbeitswalze 7 über einen Arbeitswalzenzapfen 8 mit einer Zahnspindelhülse 1 mit der betreffenden Zahnspindelwelle 4 verbunden, wobei die Zahnspindelwelle 4 mit einer umlaufenden Verzahnung 9 in eine entsprechende Verzahnung der Zahnspindelhülse 1 eingreift. Auf der der Verzahnung 9 gegenüberliegenden Seite der Zahnspindelhülse 1 ist diese mit einem zu dem Arbeitswalzenzapfen 8 komplementär ausgebildeten Querschnittsprofil versehen.
Für die Belastung der Zahnspindelhülse 1 relevante und sich über den Verlauf der Fertigstraße 2 ändernde Prozessgrößen sind unter anderem die Drehzahl n und das Drehmoment M, die sich beispielsweise von den Walzgerüsten F1 bis F7 wie folgt ändern können:
Walzgerüst F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 n [Upm] 21 46 81 114 148 179 196
M [kNm] 2430 1460 770 340 250 150 70
Bedingt durch die Dickenabnahme des Walzguts erhöht sich die Drehzahl der Arbeitswalzen von einem stromaufwärts angeordneten Walzgerüst F1 bis zu einem stromabwärts angeordneten Walzgerüst F7 signifikant, wie aus der vorstehenden Tabelle zu erkennen ist. Dementsprechend nimmt das Drehmoment M ab.
Die Belastung der Zahnspindelhülse 1 bei der betrieblichen Anwendung ist auch von der Einbausituation abhängig, beispielsweise je nachdem ob die Zahnspindelhülse 1 gerüstseitig oder getriebeseitig mit der Zahnspindelwelle 4 verbunden ist oder ob diese in dem Antriebsstrang einer oberen Arbeitswalze 6 oder einer unteren Arbeitswalze 7 angeordnet ist. Die entsprechenden Daten, die in Form von Messdaten bereitgestellt werden können, und die Information in welchem Gerüst F1 bis F7 der Fertigstraße 2 die betreffende Zahnspindelhülse 1 angeordnet ist, sind für die Lebensdaueroptimierung der Zahnspindelhülse wichtig. Mithilfe einfacher Sensoren lässt sich die Position und Drehrichtung der verschiedenen Zahnspindelhülsen 1 in der Fertigstraße 2 ermitteln. Eine Auswertung der von den Sensoren gelieferten Messdaten liefert außerdem die Information, ob die betreffende Zahnspindelhülse 1 immer an der gleichen Stelle eingesetzt wird oder ob sie innerhalb des Walzgerüsts F1-Fn an der anderen Position oder in einem anderen Walzgerüst F1-Fn eingebaut und betrieben wird.
Einerseits lassen sich wesentliche Belastungsdaten für die Zahnspindelhülse wie Drehzahl, Geschwindigkeit, Walzkraft und Walzmoment abschätzen. Andererseits können Drehzahl und Geschwindigkeit mit Hilfe weiterer Sensoren auch gemessen werden. Die Werte der Walzkraft und des Drehmoments können alternativ oder zusätzlich den Automatisierungssystemen bzw. einer übergeordneten Prozesssteuerung der Walzanlage oder entsprechenden Datenbanken entnommen werden.
Die gemessenen oder anderweitig ermittelten Werte werden für die gesamte Betriebsdauer jeder einzelnen Zahnspindelhülse 1 zugeordnet. So entsteht für jede Zahnspindelhülse 1 eine individuelle Belastungshistorie als Belastungskollektiv mit allen verfügbaren und relevanten Messdaten als Funktion der Zeit.
Das Belastungskollektiv wird als Grundlage für die Auslegung verwendet.
Zahnspindelhülsen 1 , die immer am gleichen Ort eingesetzt werden, müssen der dort auftretenden Belastung dauerhaft oder für einen definierten Zeitraum standhalten können. Zahnspindelhülsen 1 , die hohen Kräften und Momenten ausgesetzt sind, können anders ausgeführt werden als solche, die bei niedrigen Lasten betrieben werden. Zahnspindelhülsen 1 , die bei hohen Drehzahlen betrieben werden, können anders ausgeführt werden als langsam laufende Zahnspindelhülsen. Für Zahnspindelhülsen 1 , die an beiden Positionen innerhalb mindestens eines Gerüstes eingesetzt werden, wird berücksichtigt, dass die Beanspruchung aufgrund des Wechsels der Drehrichtung wechselnder statt schwellender Natur ist und die zulässige Belastung dadurch bei unveränderter konstruktiver Ausführung sinkt.
Erfindungsgemäß werden die wichtigsten Kriterien, Richtlinien und Algorithmen der Auslegung in einer entsprechenden Software, die auf Methoden des maschinellen Lernens beruht, hinterlegt. Diese Software wird entsprechend trainiert, dass die individuelle Auslegung des Maschinenelements, insbesondere der Zahnspindelhülse 1 automatisiert und ohne Eingriffe eines Konstrukteurs abläuft.
Das Belastungskollektiv kann in einem nächsten und weiteren Verfahrensschritt als Grundlage für eine optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte, individuelle Weiterentwicklung der Zahnspindelhülse 1 angewandt werden.
Zahnspindelhülsen 1 , die immer am gleichen Ort eingesetzt werden, müssen den dort auftretenden Belastungen dauerhaft oder für einen definierten Zeitraum standhalten können. Zahnspindelhülsen 1 , die hohen Kräften und Momenten ausgesetzt sind, werden mit dem Verfahren größer dimensioniert. Diese können mit einer weiterentwickelten und dadurch verbesserten Geometrie der Verzahnung 9 und/oder der Walzenzapfenaufnahme ausgestattet werden.
Zahnspindelhülsen 1 , die bei hohen Drehzahlen betrieben werden, können andere konstruktive Ausgestaltung aufweisen und aus anderen Werkstoffen und auf anderen Fertigungswegen hergestellt werden als langsam laufende Zahnspindelhülsen 1 . Zahnspindelhülsen 1 , die in verschiedenen Walzgerüsten F1-Fn eingesetzt werden, werden erfindungsgemäß gezielt auf ihr heterogenes und komplexes Belastungsszenario hin optimiert.
Für Zahnspindelhülsen 1 , die lediglich an einer Position innerhalb eines Walzgerüstes F1-Fn eingesetzt werden, kann eine schwellende Belastung statt einer wechselnden angenommen werden, vor allem aber kann eine asymmetrische Zahnform für die Verzahnung 9 gewählt werden. Diese hat eine Beschränkung auf eine Drehrichtung zur Folge, in dieser Richtung lassen sich aber dann höhere Drehmomente übertragen. Werden keine höheren Drehmomente benötigt, kann eine kleinere und günstigere Baugröße gewählt werden.
Insbesondere für Zahnspindelhülsen 1 , die in verschiedenen Walzgerüsten F1-Fn eingesetzt werden, aber auch für alle anderen Zahnspindelhülsen, kann die datengestützte Belastungsanalyse ergeben, dass eine technisch optimale oder eine wirtschaftlich günstige Auslegung oder Ausführung aufgrund der Belastungssituation bzw. der Belastungshistorie nur schwer zu erreichen ist. Dann können von der Software alternativ Vorschläge für einen veränderten Betrieb unterbreitet werden oder automatisch umgesetzt werden. Das kann einerseits bedeuten, dass das Walzgerüst, in dem sich die Zahnspindelhülse 1 gerade befindet, hinsichtlich der kritischen Größen entlastet wird, oder andererseits, dass die Zahnspindelhülse 1 in einem bestimmten Walzgerüst F1-Fn eingesetzt wird, nicht aber in einem anderen.
Weiterhin kann bei dem Verfahren eine computergestützte Analyse aller Belastungshistorien und aller Maßnahmen, Ableitung und manuelle oder automatisierte Anwendung von Konstruktionsprinzipien, ggf. unter Berücksichtigung von Kundenvorgaben als zusätzliche Randbedingungen vorgesehen sein. Bezuqszeichenliste
1 Zahnspindelhülse
2 Fertigstraße
3 Antriebe
4 Zahnspindeln
5 Getriebe
6 obere Arbeitswalze
7 untere Arbeitswalze
8 Arbeitswalzenzapfen
9 Verzahnung
F1-Fn Walzgerüste n Drehzahl
M Drehmoment

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur computerimplementierten Gestaltung und/oder (Weiter)Entwicklung und/oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage umfassend folgende Verfahrensschritte:
Berechnen und/oder Bereitstellen wenigstens eines ersten Datensatzes umfassend konstruktive Kenndaten des Maschinenelements, aufgrund einer angenommenen Belastung und Lebensdauererwartung des Maschinenelements in einem betrieblichen Einsatz
Erfassen der tatsächlichen Belastung und/oder der Belastungshistorie in der hüttentechnischen Anlage und/oder der Fertigungshistorie des Maschinenelements in Form von anwendungsbezogenen Messdaten und/oder Informationen aus dem betrieblichen Einsatz und/ der Fertigung des Maschinenelements, und
Rückführen und Verwenden der Messdaten zur Berechnung wenigstens eines zweiten veränderten Datensatzes mit konstruktiven Kenndaten für ein verändertes Bauteil, die unter Berücksichtigung der Einbausituation des Maschinenelements und/oder der anwendungsbezogenen Messdaten optimiert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend das Verändern der angenommenen Belastung und/oder Lebensdauererwartung bei einer festgestellten Abweichung zwischen der angenommenen Belastung und einer aus den Messdaten und/ oder Informationen abgeleiteten tatsächlichen Belastung und das Berechnen und/oder Vorgeben optimierter konstruktiver Kenndaten unter Berücksichtigung der tatsächlichen Belastung. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt und ggf. iterativ wiederholt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten plausibilisiert und/oder validiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt der Konturoptimierung des Maschinenelements aufgrund der erfassten tatsächlichen Belastung und/oder Belastungshistorie des Maschinenelements im betrieblichen Einsatz. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend einen oder mehrere der Schritte der Optimierung des Maschinenelements Hinsichtlich der Oberfläche, des verwendeten Werkstoffs, und einer Wärmebehandlung. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend die automatisierte Überprüfung von gegebenen Annahmen und/oder oder Ableitung von neuen Annahmen für die Auslegung des Maschinenelements und/oder den Aufbau neuer Zusammenhänge zwischen den für die Auslegung des Maschinenelements relevanten Größen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt der Variation der Belastung des Maschinenelements im Betrieblichen Einsatz zur Vergrößerung der Datenbasis der Messdaten. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plausibilisierung und /oder Validierung der Messdaten und/oder der Verfahrensschritt der Konturoptimierung und oder die weiteren Optimierungsschritte unter Anwendung von Verfahren durchgeführt wird, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung und/oder Vorgabe veränderter konstruktiver Kenndaten unter Anwendung von Verfahren, die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren, durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenndaten ausgewählt sind aus einer Gruppe von Daten umfassend Materialkennwerte und/oder Materialzusammensetzung, Oberflächenbeschaffenheit, sowie die geometrischen Abmessungen und Kontouren des Maschinenelements. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten ausgewählt sind aus einer Gruppe von Daten umfassend die tribologischen Kennwerte des Maschinenelements in der spezifischen Einbausituation, Temperaturen, Drehmomente, Drehzahlen und statische Belastungen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten zumindest teilweise aus einem Prozesssteuerungsund Leitsystem einer Stahlwerksanlage, einer Stranggießanlage, eines Glühofens, einer Feuerverzinkungslinie, einer Walzstraße oder einer Bandbehandlungsanlage, einer Schmiedeanlage oder einer Gieß- Walzanlage in eine Einrichtung zur computergestützten Konstruktion von Maschinenelementen rückgeführt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement ausgewählt ist aus einer Gruppe von Maschinenelementen umfassend Walzen eines Walzwerks, Rollgangsrollen eines Walzwerks, Linearführungen von Rollgängen, Walzgerüsten, und Stauchgerüsten sowie Antriebswellen und Getriebeteile und Zahnspindeln von Walzgerüsten. System zur Gestaltung und/oder Auslegung und/oder Lebensdaueroptimierung von Maschinenelementen einer hüttentechnischen Anlage umfassend wenigstens eine Einrichtung zur computergestützten
Konstruktion von Maschinenelementen und Mittel zum Messen, Erfassen und Speichern von Betriebsdaten aus dem betrieblichen Einsatz des Maschinenelements, wobei das System dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.
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