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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Vibrationen
eines Walzgerüstes sowohl
beim Warmwalzen als auch beim Kaltwalzen für verschiedene Materialien,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, siehe
EP-A
1 125 649 . Die Erfindung findet insbesondere Anwendung
bei der Detektion der Vibrationen, die die Dicke beim Walzen von
flachen bandförmigen
Produkten insbesondere bei der Verwendung von Tandemwalzen beeinflussen.
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Metallurgische
Produkte, insbesondere flache Produkte, wie zum Beispiel Blech,
Bänder
oder Bandeisen aus Stahl, Aluminium oder anderen Metallen oder Legierungen
werden im Allgemeinen durch Walzen mit Hilfe von Walzwerken hergestellt, die
aus mindestens einem Walzgerüst
und zum Beispiel aus einer Menge von Gerüsten gebildet sind, die hintereinander
angeordnet sind und somit eine so genannte Tandemwalzenstraße bilden.
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Ein
Walzgerüst
weist im Allgemeinen stark rotierende Massen, wie zum Beispiel Arbeitswalzen oder
Stützwalzen
oder Reduktionsgetriebe auf. Diese Massen können insbesondere beim Versuch
mit großer
Geschwindigkeit zu walzen, ungewollt in Schwingungen geraten.
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Dieses
Phänomen,
das manchmal auch als "Chattering" bezeichnet wird
und insbesondere bei Tandemkaltwalzwerken zu beobachten ist, ähnelt einem
Resonanzphänomen,
da es sich in einer Vibration mit einer für ein bestimmtes Walzgerüst im Wesentlichen
festen Frequenz auswirkt, und oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeitsschwelle
auftritt. Es kann Unregelmäßigkeiten
in der Dicke des Bandes, oder ein Brechen des Bandes, oder auch
Spuren auf den Walzen verursachen. Es ist umso hinderlicher bei
der Produktion, da die unverzüglichste
Abhilfe in diesem Fall die Herabsetzung der Walzgeschwindigkeit
wäre.
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Der
Ursprung dieser Vibrationen ist kaum bekannt, scheint jedoch insbesondere
in den Wechselwirkungen zwischen dem Zug der Bänder nach oben und nach unten
eines Walzgerüstes
sowie in dem Reduktionsvorgang der Dicke des Gerüstes zu liegen.
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Für ein besseres
Verständnis
dieser Phänomene
wurden Modelle für
das Verhalten von Walzgerüsten
erstellt, und auf diesen wurden Beschleunigungsmesser angeordnet.
Die Simulationen und die Messungen, die sich aus diesen Versuchen
ergaben, zeigten, dass die störendsten
Vibrationen Frequenzen aufwiesen, die zum einen in dem Band zwischen 100
Hz und 250 Hz (dritte Oktave) und zum anderen in dem Band zwischen
500 Hz und 700 Hz (fünfte
Oktave) lagen.
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Die
Auswirkungen dieser beiden Vibrationsarten scheinen im Übrigen nicht
die gleichen zu sein, da festgestellt wurde, dass die Vibrationen
der dritten Oktave Fehler in der Dicke sowie Brüche des Bandes hervorrufen,
während
die Vibrationen der fünften
Oktave Spuren auf den Stützwalzen
hinterlassen. Außerdem
erfolgt das Auftreten der Vibration je nach den genauen Umständen des
Walzens nicht immer in der gleichen Frequenz, sondern in einem der
angegebenen Bereiche.
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Um
die Nachteile des Chattering-Phänomens
zu vermeiden, ist es wünschenswert,
das Auftreten dieser Vibrationen so schnell wie möglich zu erfassen,
so dass erforderliche Korrekturmaßnahmen wie zum Beispiel das
Herabsetzen der Walzgeschwindigkeit ergriffen werden können.
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Hierfür wurde
zum Beispiel in der
BE 890928 vorgeschlagen,
Beschleunigungsmesser auf den Gerüsten anzubringen, das von diesen
herausgegebene Signal in einem angepassten Frequenzband zu filtern,
und eine Korrekturmaßnahme
auszulösen, wenn
das gefilterte Signal eine bestimmte Schwelle überschreitet.
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Solch
ein Verfahren ermöglicht
es, die größten Schäden, wie
zum Beispiel ein Brechen des Bandes, zu vermeiden. Der Sensor vom
Typ Beschleunigungsmesser ist jedoch gegenüber allen Beschleunigungen
sehr empfindlich, und das Signal wird im Allgemeinen durch Hintergrundgeräusche gestört. Auch wurde
der Versuch unternommen, ihn so nah wie möglich an der Stelle einzurichten,
wo die unerwünschten
Vibrationen im Allgemeinen ihren Ursprung haben. Ebenso wurde vorgeschlagen,
sie auf den Lagern der Walzen zu installieren, was jedoch dazu führt, dass
alle Sätze
mit Lagern ausgestattet und die Verbindungen bei jedem Walzentausch
erneuert werden müssen.
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In
jüngster
Zeit ist es gelungen, diese Sensoren auf dem oberen Teil des Walzgerüstes anzubringen
und ein verwertbares Signal aufzuzeichnen; es ist also notwendig,
auf die Verarbeitung des Signals zu achten, um die gesuchte Störung zu
extrahieren und zu erfassen.
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Diese
Verarbeitung des Signals zur Beseitigung des Hintergrundgeräusches erzeugt
jedoch eine Verzögerung,
die für
das Auslösen
des Alarms und der Korrekturmaßnahme
im richtigen Augenblick von Nachteil sein kann. Außerdem macht
es die einfache Verarbeitung in einem Frequenzband nicht möglich, die
Vibrationsfrequenzen mit einem schädlichen Ursprung von denen
zu unterscheiden, die den normalen Vibrationen entsprechen, die
durch bestimmte sich drehende Massen der Anlage hervorgerufen wurden.
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In
der
EP-A 1 125 649 wurde
der Versuch unternommen, diese Nachteile zu beseitigen, indem eine
Verarbeitung eines aus einem Mikrofon stammenden akustischen Signals
vorgeschlagen wurde. Das Problem der Platzierung des Sensors und
seiner Zerbrechlichkeit wurde auf diese Art gelöst, aber das Problem der Verarbeitung
des Signals bleibt bestehen. Ein Mikrofon nimmt nämlich alle
vorhandenen akustischen Frequenzen auf, und das Signal wird durch
ein starkes Hintergrundgeräusch
gestört.
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Um
die Hintergrundgeräusche
zu beseitigen, wird in diesem Patent eine Signalverarbeitung vorgeschlagen,
welche auf der Kombination von mehreren Ansätzen beruht, deren Ziel es
ist, das Auftreten von schädlichen
Vibrationen zu identifizieren. Hierfür werden Bandpass filter, Peakdetektionen,
Resonanzfaktorberechnungen und Fourrier-Analysen mit einander kombiniert,
und wenn einer dieser Parameter oder ihre Kombination eine bestimmte
Schwelle in einem vorbestimmten Frequenzband überschreitet, wird ein Alarm
ausgelöst.
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Dieses
Verfahren weist jedoch Nachteile auf, da die Verarbeitungszeit des
Signals zu lang ist, und im Wesentlichen die Divergenz des Vibrationsbeginns
eines Walzgerüstes
erfasst. Nun wurde kürzlich
beobachtet, dass nicht-divergente Vibrationen entstehen und die
Dicke oder den Zustand der Oberfläche des gewalzten Produktes
verschlechtern können.
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Aufgrund
der Wechselwirkung der Walzkräfte
jedes Walzgerüstes
mit den Auf- und Abwärtstraktionen
jedes einzelnen beginnt außerdem
das Vibrationsphänomen
im Allgemeinen auf einem Walzgerüst
und verbreitet sich weiter auf die anderen. Die vorgeschlagene Vorrichtung
kann nur die akustischen Frequenzen erfassen, die durch die Gesamtheit
der Tandemwalzgerüste
ausgegeben wurden, sie ist jedoch nicht unmittelbar in der Lage,
die Gerüste
voneinander zu unterscheiden.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen, indem
ein neues Detektionsverfahren vorgeschlagen wird, welches ausgehend
von einem Messsignal funktioniert, und nicht die oben genannten
Nachteile aufweist, und im Besonderen keine Vorverarbeitung erfordert,
um ein Signal zur Vibrationsdetektion zu erzeugen.
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In
einem Verfahren gemäß der Erfindung werden
Bauteile und Sensoren verwendet, aus denen ein modernes Walzgerüst gebildet
ist, nämlich Hydraulikanpresszylinder,
die digitale Lagesensoren mit hoher Auflösung von im Allgemeinen einem
Mikrometer aufweisen.
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Die
Erfinder haben nämlich
beobachtet, dass das Signal des Lagesensors aufgrund einer unerwarteten
Wirkung der Übertragung
dieser Vibrationen über
die gesamte das Walzgerüst
bildende Walzenanordnung und den Hydraulikanpresszylinder hinweg von
den Vibrationen gestört
wird. Zahlreiche zusätzliche
Versuche ermöglichten
es zu bestimmen, dass das Positionssignal durch die Vibration perfekt
und auf zuverlässige
und wahrheitsgetreue Art moduliert wird, was die Frequenz und die
Amplitude betrifft. Die Modulation tritt ab Entstehung der Vibration
auf, und die Amplitude variiert je nach der Modulation der Vibration
und überlagert
die Variationen der Signalamplitude, deren Ursache in der Maßnahme des
Systems zur Regulation der Dicke liegt.
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Es
ist also möglich,
ein Verfahren zur Detektion der Vibrationen eines mit einer hydraulischen
Anpressvorrichtung ausgestatteten Walzgerüstes zu schaffen, wobei das
Mess-Signal des Lagesensors des Hydraulikanpresszylinders beobachtet
wird, wobei das digitale Positionssignal frei von jeglichen Hintergrundgeräuschen ist
und für
gewöhnlich
mit Hilfe einer Stichprobe beobachtet wird, deren Zeitspanne etwa
eine Millisekunde beträgt,
und wobei es ausreicht, seine Amplitudenänderungen direkt in einem gegebenen
Zeitintervall zu beobachten. Es ist nicht erforderlich, einen Filter
einzusetzen, welcher eine Verzögerung
von mehreren Perioden im Vergleich zu der der zu detektierenden
Vibration verursachen würde.
In einem Verfahren gemäß der Erfindung
wird das Mess-Signal
(POS) des Lagesensors in Echtzeit und dauerhaft gespeichert, ein
Muster dieses Signals wird direkt mit einem Raum-Zeit-Beobachtungsfenster
(F) verglichen, dessen Dimensionen ebenso wie die Größe des Musters
in Abhängigkeit
von dem Walzgerüst
und der zu detektierenden Vibrationsfrequenz ausgewählt werden,
und es wird ein Vibration-Detektions-Signal ausgelöst, wenn
das Signalmuster nicht mehr in dem Fenster (F) enthalten ist.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung stellt die zeitliche Dimension des Beobachtungsfensters (F)
eine zeitliche Länge
dar, die ausreicht, damit das enthaltene Positionssignalmuster für das zu
detektierende Vibrationsphänomen
repräsentativ
ist wenn dieses Phänomen
das Positionssignal gestört
hat und aus diesem Grund auch in dem Muster enthalten ist.
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Praktischerweise
hat die zeitliche Dimension des Beobachtungsfensters (F) in dem
Verfahren gemäß der Erfindung
eine Länge,
die mindestens gleich einer Zeit ist, die zwei Signalperioden des
zu detektierenden Vibrationsphänomens
entspricht.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung hat die Höhe
des Beobachtungsfensters (F) eine räumliche Dimension, die eine
Größe darstellt,
die größer ist
als die Amplitude der größten wiederholten Änderung des
Signals zur Messung der Position (POS) des Anpresshydraulikzylinders.
Praktischerweise hat die Höhe
des Beobachtungsfensters (F) gemäß dem Verfahren
der Erfindung eine räumliche
Dimension, die eine Amplitude des Signals zur Messung der Position
(POS) des Anpresshydraulikzylinders darstellt, die größer ist
als 4 Mikrometer.
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Gemäß dem Detektionsverfahren
der Erfindung wird die Anzahl der Male gezählt, bei denen die Amplitude
des Signal zur Messung der Position (POS) des Anpresshydraulikzylinders
(6) die Höhe des
Beobachtungsfensters (F) überschritten
hat, und eine Vibrationsdetektion wird signalisiert, wenn die Anzahl
der Male, bei denen die Amplitude des Signals zur Messung der Position
(POS) des Anpresshydraulikzylinders die Höhe des Beobachtungsfensters (F) überschritten
hat, größer ist
als das, was üblicherweise
bei Korrekturmaßnahmen
der stärksten
autorisierten Amplitude der Kontrollsysteme des Walzgerüstes beobachtet
wird. Üblicherweise
und gemäß dem Verfahren
der Erfindung wird eine Vibrationdetektion signalisiert, wenn die
Anzahl der Male, bei denen die Amplitude des Signals zur Messung
der Position (POS) des Anpresshydraulikzylinders die Höhe des Beobachtungsfensters
(F) überschritten
hat, größer als
2 ist.
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Gemäß einer
perfektionierten Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung wird für die Beobachtungsfenster,
die ein Vibrations-Detektionssignal ausgelöst haben, die Amplitude jeder Überschreitung im
Vergleich zu der Dimension des Fensters (F) gemessen, und für Beobachtungsfenster,
die ein Vibrations-Detektionssignal ausgelöst haben, wird die Steigung
(D) der Änderung
der Amplitude jeder Überschreitung
in einem gleichen Beobachtungsfenster (F) bestimmt.
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Nach
einer Ausführung
des Verfahrens der Erfindung wird für Beobachtungsfenster, die
ein Vibrations-Detektionssignal ausgelöst haben, die Steigung der Änderung
der Amplitude jeder Überschreitung
in verschiedenen Beobachtungsfenstern (F) bestimmt.
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Weiterhin
wird gemäß der Erfindung
das Verfahren für
alle Tandem-Walzgerüste
verwendet, indem dafür
eine Größe des Musters
des Signals zur Messung der Position (POS) des Anpresshydraulikzylinders
jedes Gerüstes
sowie eine Dimensionierung des Beobachtungsfensters angepasst an
die auf jedem der Tandemwalzgerüste
zu detektierenden Vibrationsfrequenzen bestimmt wird.
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Im
Fall des Tandem-Walzgerüstes
vergleicht man die Steigungen (D) der Änderung der Amplitude der Überschreitungen,
die auf jedem Tandem-Walzgerüst
unerwartet aufgetreten sind.
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Anschließend wird
entschieden, dass die durchzuführenden
Korrekturmaßnahmen
zumindest auf dem Gerüst
durchgeführt
werden, dessen Steigung (D) der Änderung
der Amplitude der Überschreitungen
am stärksten
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung werden verschiedene Größen des
Musters des Signals zur Messung der Position (POS) des hydraulischen
Anpresszylinders sowie verschiedene Dimensionierungen des Beobachtungsfensters
(F) verwendet, um verschiedene Arten der Vibration des Walzgerüstes zu
erfassen, wobei jede davon an die Vibrationsfrequenzen angepasst ist,
die jeder Art der zu detektierenden Vibration entsprechen.
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Die
Erfindung wird jedoch durch die Beschreibung einer besonderen Ausführungsform
noch verständlicher.
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1 stellt
eine Höhenansicht
eines Walzgerüstes
dar, das mit einer Anpresshydraulikvorrichtung versehen ist.
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2 stellt
die Seitenansicht der 1 dar.
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3 stellt
eine typische Aufzeichnung des Mess-Signals des Lagesensors dar,
welches durch die Vibration gestört
wird.
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4 stellt
das Verfahren der Erfindung dar.
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So
wie in den 1 und 2 dargestellt, weist
ein dem Fachmann bekanntes Walzgerüst 1 des Typs "Quarto" zwei Stützsäulen 2 bzw. 2' auf, die durch
Querverbindungen 3, 3' getrennt und miteinander verbunden
sind, zwischen denen ein Satz von übereinander angeordneten Walzen
montiert ist, die parallele Achsen haben und im Wesentlichen auf
einer gleichen Anpressebene (S) angeordnet sind, senkrecht zu der
Richtung der Bewegung des Produktes P.
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Jede
Säule 2, 2' hat eine in
einem Ring geschlossene Form und weist jeweils zwei vertikale Walzenständer 21, 22 (bzw. 21', 22') und zwei horizontale
Abschnitte 23, 24 (bzw. 23', 24') auf.
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Die
Gesamtheit der übereinander
angeordneten Walzen weist zwei Arbeitswalzen 4, 4' auf, zwischen
denen das Produkt P hindurch läuft,
sowie zwei Unterstützungswalzen 5, 5', auf welche
sich die Arbeitswalzen stützen.
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Es
wird angemerkt, dass es noch andere Arten von Walzgerüsten gibt
als die Quartowalzgerüste, die
mehr Walzen aufweisen, wie zum Beispiel die Walzgerüste des
Typs "Sexto", oder solche, die
weniger Walzen aufweisen, beispielsweise die Walzgerüste des
Typs "Duo". Die vorliegende
Erfindung findet bei allen Walzgerüsten Anwendung.
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Die
Walzen stützen
sich aufeinander entlang von Stützlinien
ab, die im Wesentlichen parallel sind und einer Mantellinie folgend
geleitet werden, deren im allgemeinen geradliniges Profil von dem
ausgeübten
Druck sowie dem Widerstand der Walzen abhängt. Im Allgemeinen wird der
Anpressdruck durch Schrauben oder durch Zylinder 6, 6' ausgeübt, die zwischen
dem Gerüst
und den Enden der Welle der oberen Unterstützungswalze 5 angeordnet
sind, wobei die untere Unterstützungswalze 5' sich durch
diese Enden direkt auf das Walzgerüst 1 stützt. Mit
Ausnahme der Letzteren müssen
also die anderen Walzen in der Lage sein, sich relativ zu dem Gerüst zu verschieben,
und werden dafür
von Trägermitteln 51, 51' getragen, die
als Einbaustücke
bezeichnet werden, und werden vertikal gleitend in zwei Fenstern montiert,
die zwischen den vertikalen Walzenständern 21, 22 und 21', 22' der zwei Säulen 2 bzw. 2' des Walzgerüstes 1 angeordnet
sind.
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Die
Walzen sind um ihre Achse drehbar in Lagern gelagert, die in diese
Trägermittel
eingebaut sind. Somit weist die obere Unterstützungswalze 5 an ihren
Enden zwei vertikal gleitende Trägermittel 51a, 51b zwischen
den vertikalen Walzenständern 21, 22 und 21', 22' der beiden
Säulen 2 und 2' des Walzgerüstes 1 auf.
Die untere Unterstützungswalze 5 weist an
ihren Enden zwei Trägermittel 51'a, 51'b auf, die zwischen
den vertikalen Walzenständern 21, 22 und 21', 22' der zwei Säulen 2 und 2' des Walzgerüstes 1 für die Erfordernisse
beim Abbau und Austausch der Stützwalzen
gleiten können.
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Während der
Walzphase stützen
sich die Trägermittel 51'a und 51'b der unteren
Stützwalze 5' direkt auf
die unteren horizontalen Abschnitte 24, 24' der Säulen 2, 2' des Walzgerüstes 1.
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Die
Erfindung betrifft Walzgerüste,
deren Anpressmittel durch Hydraulikzylinder gebildet sind. In der
beschriebenen und den 1 und 2 entsprechenden
Ausführungsform
sind diese Hydraulikzylinder am oberen Teil des Gerüstes angebracht.
Es gibt jedoch Ausbildungen, bei denen diese Zylinder am unteren
Teil des Walzgerüstes
angebracht sind. Im letzteren Fall ist die obere Stützwalze
durch ihre Trägermittel 51a, 51b direkt
auf die oberen horizontalen Abschnitte 23, 23' der Säulen 2, 2' des Walzgerüstes 1 gestützt.
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Die
Erfindung kann ohne Unterschied bei der einen oder anderen Ausbildung
Anwendung finden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich
zu verlassen.
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Durch
Hydraulikzylinder gebildete Anpressmittel, die sich auf die untere
Fläche
des horizontalen oberen Abschnitts 23, 23' der Säulen 2 und 2' des Walzgerüstes 1 stützen, üben eine
vertikale Kraft in Kontraktionsrichtung der Walzen für das Walzen
des Produktes P aus, welches zwischen den Arbeitswalzen 4, 4' durchläuft.
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Im
Allgemeinen ist jede Arbeitswalze um ihre Achse drehbar auf Lagern
gelagert, die durch zwei Trägermittel
getragen werden, die als Einbaustücke 41a, 41b und 41'a, 41'b bezeichnet
werden, die gleitend parallel zu der durch die Achsen der Arbeitswalzen
laufenden Anpressebene S eingebaut sind, jedes davon zwischen zwei
flachen Führungsflächen, die
jeweils auf beiden Seiten der Anpressebene auf den beiden Seiten
des entsprechenden Fenster des Gerüstes angeordnet sind. Da die
Stützwalzen
einen großen
Durchmesser aufweisen, sind die entsprechenden Führungsflächen 52, 52' im Allgemeinen
direkt auf den beiden Walzenständern
der entsprechenden Säule
des Gerüstes
angeordnet.
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Bei
den Arbeitswalzen mit einem kleineren Durchmesser dagegen sind deren
Einbaustücke
kleiner und die entsprechenden Führungsflächen 42, 42', die enger
sind, sind im Allgemeinen auf zwei massiven Abschnitten 7 angeordnet,
die auf den zwei Walzenständern
befestigt sind, die das Fenster umrahmen, und sich vorstehend in
Richtung des Inneren desselben erstrecken. Diese Blöcke können Vorrichtungen
zur Steuerung der Durchbiegung der Arbeitswalzen aufweisen, die
im Allgemeinen Zylinder sind, die nicht in der Figur dargestellt
sind. Es ist nicht erforderlich, all diese wohlbekannten Walzgerüstvorrichtungen
weiter zu beschreiben, die bereits Gegenstand zahlreicher Publikationen
und Patente waren.
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So
kann man auf das zu walzende Produkt P durch das Anordnen der sich
drehenden Walzen übereinander,
die so das Durchlaufen des Produktes P ermöglichen, eine Nachwalzkraft
anwenden, die durch den hydraulischen Druck des Zylinders einstellbar
ist. Jeder Hydraulikzylinder ist aus einem Zylinderkörper 61 und
einem Kolben 62 gebildet, zwischen die Öl eingespritzt wird. Der hydraulische Druck
kommt aus einer mit Pumpen versehenen Zentralstelle, und das Öl wird im
Allgemeinen mittels Servoventilen in den Zylinder eingespritzt.
Diese Vorrichtungen sind zwar nicht dargestellt, jedoch im Bereich der
Walzwerk- und Walzenausstattungen wohlbekannt, und waren bereits
Gegenstand zahlreicher Patente und Publikationen.
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Um
den Nachwalzvorgang des Produktes zu steuern, wird der Hydraulikzylinder
mit einem Lagesensor versehen. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
bildet der Zylinderkörper 61 den
festen Abschnitt der Anpressvorrichtung und stützt sich auf die untere Fläche des
horizontalen Abschnitts 23 der Säule 2 des Walzgerüstes 1.
Der Kolben 62 bildet den Abschnitt der Anpressvorrichtung,
die auf den oberen Abschnitt der Einbaustücke 51a, 51b der
oberen Stützwalze 5 Druck
ausübt.
Die Bewegung des Kolbens wird durch einen Stift 65 auf
den Sensor 64 übertragen,
welcher über
der Säule
angebracht ist. Häufig
ist lediglich ein einziger Lagesensor vorgesehen, der in der Achse
des hydraulischen Anpresszylinders angeordnet ist. Um dies umzusetzen,
wird in dem oberen horizontalen Abschnitt 23 der Säule 2 eine
Bohrung 25 ausgeführt.
Die Dichtigkeit gegenüber
dem Zylinderkörper 61 und
dem mit dem Kolben 62 verbundenen Stift 65 wird
durch eine Dichtungsvorrichtung 63 sichergestellt. Es ist
nicht erforderlich, diesen Aufbau näher zu beschreiben, der bereits Gegenstand
anderer Patente des Anmelders der vorliegenden Anmeldung ist. Selbstverständlich wird
die gleiche Vorrichtung in der anderen Säule 2' des Walzgerüstes eingebaut, und in der
beschriebenen Ausführungsform übt diese
Vorrichtung die Anpresskraft zwischen dem horizontalen Abschnitt 23' der Säule 2' und dem Einbaustück 51b der
oberen Stützwalze 5 aus.
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Im Übrigen sind
bereits seit vielen Jahren Lagesensoren, wie zum Beispiel digitale
optische Lineale bekannt, die ein digitales Positionssignal mit
einer Genauigkeit ausgeben, die zumindest gleich einem Mikrometer
ist. Es gibt auch andere Arten von Lagesensoren, basierend auf anderen
Technologien, die in der Lage sind, ein Signal der gleichen Art
auszugeben. Schließlich
wird noch angemerkt, dass es aus Platzgründen oder aufgrund der Zylindertechnologie möglich ist,
den Aufbau umgekehrt zu gestalten, das heißt den Zylinderkörper auf
dem höchsten
Punkt der Einbaustücke 51a, 51b der
Stützwalze 5 anzubringen,
wodurch sich der Kolben 62 dann auf den horizontalen Abschnitt 23, 23' der Säulen 2 und 2' des Walzgerüstes 1 stützt.
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Während des
Walzens verformen sich die verschiedenen Abschnitte des Walzgerüstes elastisch
unter der Wirkung der Kraft, die auf das Produkt P übertragen
wird, die Walzenständer 21, 21' und 22, 22' dehnen sich,
die Arbeitswalzen 4, 4' und die Stützwalzen 5, 5' werden gequetscht,
ebenso wie die Einbaustücke
der Stützwalzen
in einem geringeren Maß.
Die Gesamtheit dieser Verformungen wird als Nachgeben des Walzgerüstes bezeichnet,
und ihr Wert ist proportional zu der Anpresskraft. Somit muss der
Wert der Verschiebung des Kolbens gegenüber dem Zylinderkörper größer sein,
als die Änderung, die
auf dem zwischen den Arbeitswalzen bestehenden Luftspalt entsteht,
zwischen denen das Produkt gewalzt wird. Es ist jedoch bekannt,
Gleichungen aufzustellen, die all dies regeln, und es ist ebenfalls
bekannt, Modelle von Walzgerüsten
sowie Nachgebungsmodelle zu erstellen, die es ermöglichen,
die Luftspaltänderungen
in Abhängigkeit
von den Änderungen
der Position der Anpresszylinder und der Walzkraft zu bestimmen.
So ist es möglich,
die Steuerung des Walzenluftspaltes durch die Steuerung der Position
der Hydraulikzylinder sicherzustellen.
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Des
Weiteren können
auch die verschiedenen Bauelemente des Gerüstes anfangen zu vibrieren.
Diese Vibrationen werden insbesondere auf die Anpresszylinder übertragen,
sowie auf die Lagesensoren dieser Zylinder, die es ermöglichen,
die Vibrationen aufzunehmen.
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3 zeigt,
was gemäß dem Verfahren
der Erfindung beobachtet werden kann. Die Aufzeichnung in dem mittleren
Abschnitt POS zeigt das Signal des Sensors zur Messung der Position
des hydraulischen Anpresszylinders. Überraschenderweise überträgt das Positionssignal
die Entstehung der Chattering-Vibration des gesamten Walzwerks auf
deutliche und zuverlässige
Weise zurück.
Dies kann hier in Form von sich verstärkenden Schlägen beobachtet werden.
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Wie
nämlich
bereits erwähnt
wurde, kann die Gesamtheit der Gerüste eines Tandemwalzwerks in Vibration
geraten, und zwar auf leicht unterschiedlichen Frequenzen, wodurch
sich das Schlagphänomen
erklären
lässt.
In diesem Walzwerk, das Gegenstand der Erfahrungen und der Recherchen
der Erfinder ist, und das noch nicht mit einem automatischen System
ausgestattet ist, hat der Bediener eine Verlangsamung veranlasst,
was an der Kurve V zu sehen ist. Die Wirkung wird sofort auf dem
Signal des Lagesensors sichtbar. Die Detektion war langsam als das
Signal eine ausreichende Amplitude erreichte, da dieser Vorgang
durch den Bediener manuell durchgeführt wurde.
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In
dieser Aufzeichnung können über ein
Zeitintervall von 100 Millisekunden ungefähr 10 Signalperioden gezählt werden,
was einer Frequenz nahe 100 Hz entspricht. Die Kurve FT ist die
Fourrier-Transformation des Positionssignals POS. Deren Untersuchung
ermöglichte
es, zu verifizieren, dass das Vibrationsphänomen durch die Beobachtung
des Positionssignals POS richtig identifiziert wurde. Die Fourrier-Transformation,
die über
ein Zeitintervall berechnet wird, das es ermöglicht, ein repräsentatives Muster
des beobachteten Signals zu erhalten, zeigt bei einer Frequenz von
ungefähr
110 Hz einen Peak, und 2 kleinere laterale Peaks bei ungefähr 105 und 115
Hz; sie stellen die sekundären
Vibrationsfrequenzen dar, die vom Schlag stammen.
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Diese
Aufzeichnung zeigt, dass die aus den Lagesensoren kommenden Signale
für die
zu detektierenden Vibrationen repräsentativ sind.
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Somit
sind weder zusätzlichen
Sensoren erforderlich, wie zum Beispiel solche vom Typ Beschleunigungsmesser,
die im Allgemeinen zerbrechlich sind, deren Installation schwierig
ist, und deren Signal häufig
von einem starken Hintergrundgeräusch
begleitet wird, noch ist eine ausgefeilte Verarbeitung des Signals
erforderlich, um das signifikante Signal aus der Gesamtheit der
ausgegebenen Signale auszuwählen,
und die zahlreiche Transformationen erforderlich macht, die erhebliche
Verzögerungen
erzeugen, um die Entstehung einer Vibration eines Walzgerüstes erfassen
zu können.
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In
dem Verfahren der Erfindung wird das Positionssignal POS, das aus
dem digitalen Sensor kommt, mit dem die Hydraulikzylinder der Anpressvorrichtung
des Walzgerüstes
ausgestattet sind, während
eines ausgewählten
Zeitintervalls direkt beobachtet. Auf diese Weise werden die Art
des Signals und die Entwicklung seiner Amplitude überwacht,
um ein Vibrationsdetektionssignal auszulösen. Dies kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch
eine direkte Beobachtung des Positionssignals POS erfolgen.
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Das
Signal des Sensors zur Positionsmessung wird digital ausgegeben,
und seine Stichprobenfrequenz ist selbstverständlich ausreichend hoch, um
ein Signal zu beobachten, dessen Frequenz ungefähr zwischen 100 Hz und 200
Hz liegt, wodurch den Gesetzen der Verarbeitung des Signals, wie
zum Beispiel dem Shannon-Gesetz voll entsprochen wird. In der Praxis
wird der Lagesensor jede Millisekunde oder alle zwei Millisekunden
ausgelesen. Dieses Signal spiegelt den Befehl wieder, der durch
das System zur Regulation der Dicke ausgegeben wurde. Dort ist zu
erkennen, dass bestimmte periodische Signale auftreten, die aus
den Rundungsabweichungen oder Exzentrizitätsabweichungen der Walzen stammen; die
höchste
in diesen Signalen enthaltene Frequenz wäre jedoch im Bereich von 20–30 Hz bei
einer Walzgeschwindigkeit von zwischen 1500 und 2000 Metern pro
Minute. Im Übrigen
beträgt
die Amplitude der Positionsänderung
des beweglichen Abschnitts des Hydraulikzylinders im Allgemeinen
einige Mikrometer, und kann bei normaler Funktion und allgemeinem Betrieb
einige Dutzend Mikrometer erreichen.
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In
einem Gesamtbefehlssystem eines Tandemwalzwerks sind die Walzgerüste auf
Werte voreingestellt, die in Abhängigkeit
von dem zu walzenden Produkt sowie in Abhängigkeit von der zu erhaltenden
Verringerung der Dicke bestimmt werden; die Einstellungen werden
also freiwillig in ihrer Funktionsamplitude beschränkt, so
dass eventuelle Anomalien in der Funktion oder der Voreinstellung
erfasst werden, wenn diese Einstellungen vorgenommen werden, zum
Beispiel bei Funktionsanschlag. Es ist also ohne Probleme möglich, zu
erfahren, ab welchen Werten ihrer Amplitude die Positionssignaländerungen
andere Phänomene
widerspiegeln. In dem Beispiel der 3 führt das
Chattering-Phänomen sofort
zu Amplitudenänderungen,
die über
ein Zeitintervall von einigen Dutzend Millisekunden 10 Mikrometer übersteigen.
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In
dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird also das Positionssignal durch eine gewisse Anzahl von Punkten
gespeichert, und es wird beobachtet oder mit der Größe eines Raum-Zeit-Fensters
verglichen, und wenn das Signal nicht mehr in diesem Fenster enthalten
ist, wird ein Vibrationsdetektionsalarm ausgelöst. Die Größe des Fensters gemäß der Zeitachse
hat eine Dimension, die einem Zeitintervall entspricht, welches
im Vergleich zu der zu detektierenden Signalperiode signifikant
ist, und in der Praxis kann man zum Beispiel eine Zeit nehmen, die
größer oder
gleich zwei Zyklen dieses Signals ist. Wie bereits vorher erwähnt wurde,
hat die Höhe
des Fensters gemäß der Raumachse
eine Dimension, die einer Größe entspricht,
die größer ist
als die durch die Regulierungssysteme gegebenen wiederholten Korrekturen,
und in der Praxis kann zum Beispiel bei 4 Mikrometern eine Schwelle
festgesetzt werden. Es bleibt die Bestimmung der Frequenz der Überschreitungen
des Signals des Beobachtungsfensters. Dafür wird die Anzahl der Überschreitungen
dieses Fensters gezählt
und mit der maximalen Anzahl der Beobachtungen dieser Überschreitungen
verglichen, und zwar bei den stärksten
Aktionen der Regulierungssysteme, zum Beispiel denen, die den voreingestellten
Anschlägen
entsprechen. Versucht man, eine Vibrationsfrequenz im Bereich von
100 Hz zu detektieren, und hat man das Positionssignal über ein
Zeitintervall gespeichert, welches zwei Perioden des zu detektierenden
Signals entspricht, d. h. ungefähr
20 Millisekunden, wird man praktischerweise sicher diese Frequenz
vorfinden, wenn man mehr als zwei Überschreitungen des Fensters
mit einer Amplitude hat, die größer ist
als die festgesetzte Schwelle.
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Anschließend wird
mit der Messung noch einmal mit dem Speichern des Positionssignals über ein
anderes Zeitintervall begonnen, um so ein anderes Beobachtungsfenster
zu bilden. Je nach Fall und um die Besonderheiten bestimmter Aufbauten
zu berücksichtigen,
können
verschiedene Verfahren zum Memorisieren und Speichern der Maßnahmen
angewendet werden, wie zum Beispiel das augenblickliche Einfrieren
einer bestimmten Anzahl von Messpunkten (latch), das Füllen und Leeren
einer Batterie vom Typ "FIFO" (first IN first
OUT) oder das Bilden eines gleitenden Durchschnitts, indem jeder
neuen Maßnahme
ein neuer Punkt beigefügt
wird, und indem der erste berücksichtigte
Punkt abgerufen wird. Auf all diese Arten wurde eine Folge von Mustern
von Messpunkten des Signals der Position des Hydraulikzylinders
der Anpressvorrichtung gebildet, die aufeinander folgend mit dem
definierten Beobachtungsfenster verglichen werden kann.
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4 stellt
somit die Beobachtungsmethode des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
dar. Sie stellt eine erweiterte Ansicht gemäß der horizontalen Achse des
in 3 dargestellten Signals während eines Zeitraums dar,
während
dessen das Positionssignal durch das Chattering-Vibrationsphänomen gestört wird. Ein Beobachtungsfenster
F ist in 4 dargestellt, es entspricht
den minimalen Werten der Schwellen, die vorher definiert wurden.
Diese Schwellen müssen
je nach den Eigenschaften der Einrichtung sowie ihrer Tendenz, in
schädliche
Vibrationszustände
zu geraten, angepasst werden, da es nicht wünschenswert ist, häufige Verzögerungen
der Einrichtung zu verursachen; andererseits ist es jedoch interessant,
die Vibrationen so früh
wie möglich zu
erfassen, da sie die Dicke oder den Zustand der Oberfläche des
gewalzten Produktes P beeinflussen bevor sie divergent werden und
größere Schäden verursachen.
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Es
wird im Übrigen
angemerkt, dass das Verfahren der Erfindung es ermöglicht,
ausgehend von der Beobachtung des Positionssignals einen Vibrationszustand
oder eine Änderung
in dem Vibrationszustand eines Walzgerüstes entsprechend verschiedenen
Phänomenen
zu detektieren. Die Rundungsabweichungen und die Exzentrizitätsabweichungen der
Walzen wurden bereits erwähnt,
es ist jedoch möglich,
auch andere Abweichungen zu erfassen, deren Ursache zum Beispiel
eine Abnutzung der Bestandteile der Antriebsysteme, wie zum Beispiel
der Reduktionsgetriebe oder der Drehmomentübertragungsreichweiten ist.
Dafür reicht
es aus, die Abweichung in der Frequenz und in der Amplitude zu kennzeichnen,
und ein Beobachtungsfenster gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung zu definieren. Dann kann man die gespeicherten
Muster des Positionssignals über
die so definierten und unterschiedlichen zu detektierenden Abweichungen
entsprechenden Fenster beobachten.
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In
einem Tandemwalzwerk können
jedem Gerüst
entsprechend unterschiedliche Beobachtungsfenster errichtet werden,
die an ihre eigenen Merkmale angepasst sind. Wenn bestimmte Gerüste zum
Beispiel vom Typ "Quarto" und andere vom Typ "Sexto" sind, werden sie
unterschiedliche Merkmale haben, und in allen Fällen sind die auf jedem Gerüst verwendeten
Durchmesserbereiche der verwendeten Walzen ebenso wie die Antriebseigenschaften unterschiedlich.
Im Allgemeinen werden nämlich
auf allen Gerüsten
die gleichen Motoren verwendet, und angesichts der unterschiedlichen
Geschwindigkeiten des Produktes in den aufeinander folgenden Gerüsten sind
die Reduktionsverhältnisse
der verwendeten Geschwindigkeitsreduktoren unterschiedlich. Das schnellste
und effizienteste Mittel, wenn das Chattering-Phänomen auftritt, ist es, den
Befehl für
ein Verlangsamen der Einrichtung zu geben. Wenn man jedoch verhindern
will, dass das Phänomen
bei einer darauf folgenden Beschleunigung wieder auftritt, ist es
wünschenswert,
andere Parameter zu ändern, sonst
muss die Einrichtung bei einer verlangsamten Geschwindigkeit benutzt
werden, was zu erheblichen Produktivitätsverlusten führt. Es
ist also besonders wichtig zu bestimmen, welches das Gerüst ist,
auf dem dieses Phänomen
zuerst aufgetreten ist, so dass seine Funktionsbedingungen geändert werden können, indem
zum Beispiel die Schmierung oder die Temperatur des Schmierstoffes
oder jeglicher anderer Parameter, der für seinen Einfluss auf die Vibration
eines Walzgerüstes
bekannt ist, geändert
werden.
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So
wird in einer perfektionierten Ausführungsform des Verfahrens der
Erfindung die Amplitude der Überschreitung
des Positionssignals in jedem Beobachtungsfenster berechnet. Dies
kann zum Beispiel auf einem bestimmten Gerüst mit Hilfe unterschiedlicher
Beobachtungsfenster erfolgen, die in Abhängigkeit von den unterschiedlichen
zu überwachenden
Vibrationsphänomenen
ausgewählt
wurden. Dies kann auch auf dem gesamten Tandem-Walzwerk ausgehend
von Beobachtungsfenstern des gleichen Typs erfolgen, die auf die
spezifischen Werte jedes Gerüstes
eingestellt wurden. Auf dieser Art kann man den Gerüsten entsprechend
die Amplitude des Phänomens
ermitteln. Um jedoch mit Sicherheit zu bestimmen, welches das Gerüst des Tandem-Walzwerks
ist, welches als erstes angefangen hat zu vibrieren, kann das Einzelkriterium
der Amplitude in bestimmten Fällen
unsicher sein. Wie nämlich
in 3 dargestellt ist, kann das Chattering-Phänomen in
einer modulierten Form über Schläge auftreten,
deren Amplitude variiert. Das kann das Lokalisieren des Anfangspunktes
des Phänomens
erschweren.
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In
einer perfektionierten Ausführungsform des
Verfahrens der Erfindung wird nach der Berechnung der Amplitude
der Überschreitungen
die Änderung
dieser Überschreitungen
innerhalb jedes Beobachtungsfensters bestimmt, und der Gradient
dieser Änderungen
wird bei Beginn des Phänomens
auf jedem Walzgerüst
des Tandemwalzwerks berechnet. Dies ist in 4 durch
die Neigung der Geraden D dargestellt, die die höchsten Punkte der Kurven miteinander
verbindet, die die Schwingungen des Positionssignals darstellt.
Das Gerüst,
auf dem das Problem als erstes aufgetaucht ist, ist das, für welches man
die stärkste
Steigung der Gerade D misst. Auf diesem Gerüst hat sich das Signal nämlich am schnellsten
verstärkt,
es ist also dieses Gerüst,
welches dem ursprünglichen
Erregerphänomen
ausgesetzt war und die Vibrationen an die anderen Gerüste weitergeleitet
hat, und anschließend
konnten Resonanz- und Schlagphänomene
zwischen den Gerüsten
des Tandemwalzwerks auftreten.
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In
dem Verfahren der Erfindung kann man somit so früh wie möglich ein Vibrationsphänomen erfassen,
welches die Dicke oder den Zustand der Oberfläche des gewalzten Produktes
P beeinflussen kann, und so kann man auch ein Abweichungsphänomen erfassen,
Alarm geben, und Korrekturmaßnahmen
auslösen.
Nachdem der Befehl für
eine Verlangsamung des Tandemwalzwerks gegeben wurde und erhebliche
Schäden
verhindert wurden, ermöglicht
dank des Verfahrens der Erfindung die Angabe des Gerüstes in
welchem das Phänomen
begonnen hat die Änderung
seiner Funktionsbedingungen, um zu verhindern, dass das Problem
bei einer darauf folgenden Wiederbeschleunigung wieder auftritt.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht nur auf die einzige beschriebene Ausführungsform
beschränkt.
So kann man die hydraulische Anpressvorrichtung des Walzwerks auf
verschiedene Arten realisieren und sie mit verschiedenen möglichen
Flüssigkeiten
versorgen, und ebenso kann man den beweglichen Abschnitt und/oder
den festen Abschnitt der Anpressvorrichtung mit verschiedenen Arten
von digitalen Sensoren versehen, welche die Position von einem dieser
beiden Abschnitte im Verhältnis
zum anderen angeben, und trotzdem im Bereich der Erfindung bleiben.
Wie bereits erwähnt
wurde, wurden Vibrationsphänomene
am häufigsten
in Tandemkaltwalzwerken zum Walzen von Stahlbändern beobachtet, aber das Verfahren
der Erfindung kann ebenfalls bei Warmwalzwerken und bei Eingerüstwalzen
verwendet werden, ebenso wie bei solchen, die für die Bearbeitung von nicht
eisenartigen Materialien verwendet werden, wie zum Beispiel Aluminium.
Abgesehen davon, dass das Verfahren der Erfindung dazu dienen kann, verschiedene
Arten von Vibrationen der Walzgerüste zu detektieren, ist es
auch möglich,
das Verfahren dazu zu verwenden, sämtliche Anomalien zu erfassen,
die schnelle Änderungen
des Positionssignals verursachen, ob diese nun vom Impulstyp sind,
sich wiederholen oder nicht wiederholen, ohne dabei den Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen. Eine Spur auf einer Walze zum Beispiel
wird eine Abweichung verursachen, die bei jeder Drehung dieser Walze
einen kurzen Impuls generieren wird, und um diesen zu detektieren,
genügt
es gemäß dem Verfahren
der Erfindung, die passenden Dimensionen des Beobachtungsfensters
zu bestimmen. Um den Text zu vereinfachen, wurde in den Ansprüchen der
Begriff Vibration verwendet; dieser muss jedoch ausgeweitet werden
auf jegliche Anomalien, die ein wiederholtes oder nicht wiederholtes
Signal einer schnellen Änderung hervorrufen,
ohne dabei den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Außerdem ist
der einzige Zweck der nach den in den Ansprüchen genannten technischen Merkmalen
eingefügten
Bezugszeichen die Erleichterung des Verständnisses der Ansprüche, wobei
jedoch keinesfalls der Schutzbereich der Erfindung begrenzt werden
soll.