AT10856U1 - Presswalze - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Presswalze zur Behandlung einer Papier-, Karton-, Tissue-oder einer anderen Faserstoffbahn in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung der Faserstoffbahn, mit einem, um eine feststehende, in Lagern gestützte Achse rotierbaren Walzenmantel, welcher von einer Stützeinrichtung auf der Achse zur Bildung eines Pressspaltes in Richtung eines Gegendruckelementes gedrückt wird, wobei an der Achse wenigstens ein Versteifungselement befestigt ist, welches die Steifigkeit der Achse quer zur Pressrichtung erhöht. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Anwendung mit der Presswalze.

[0002] Eine solche Presswalze ist aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Erfindung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2007 006 743.9 bekannt.

[0003] Die Achsen von herkömmlichen Presswalzen ohne Versteifungselemente, insbesondere von durchbiegungsgesteuerten Presswalzen, die in der Regel mit Gegenwalzen einen Nip bilden, haben wegen der hohen Presskräfte im Pressspalt sowie wegen der Länge von oft über 10 m enorme Dimensionen und damit auch ein sehr hohes Gewicht. Das hohe Gewicht der Achse kann so leicht die Kapazität verfügbarer Hebezeuge im Bereich der Maschine übersteigen. Deshalb wird in der Anmeldung DE 10 2007 006 743.9 vorgeschlagen, eine Achse die nur in Belastungsrichtung so massiv ausgebildet ist, dass sie das notwendige Trägheitsmoment und somit die notwendige Steifigkeit in Verbindung mit einer hohen Eigenfrequenz in dieser Richtung mitbringt, seitlich über beispielsweise Halbschalen zu versteifen. Dazu werden Versteifungselemente eingesetzt, die die Achse in Querrichtung derart versteifen, dass beim Hochfahren des die Walzen verwendenden Aggregats die Eigenfrequenz der Achse in dieser Richtung unkritisch ist.

[0004] Die Achse wird durch die verschmälerte Bauform und die hohlen Versteifungselemente wie gewünscht deutlich leichter.

[0005] Es hat sich nun herausgestellt, dass diese verbesserte Bauform auch einen Nachteil mit sich bringt. Durch die hohen Presskräfte wird die Achse trotz des höheren Trägheitsmomentes in Belastungsrichtung in bekannter Weise verbogen. Die Krümmung ist dabei über die gesamte Länge der Achse unterschiedlich. Die stärksten Biegungen treten in der Nähe der Lager der Achse auf. Diese Durchbiegungen stellen für die Achse selbst kein Problem dar, jedoch für die seitlich angebrachten Versteifungselemente, insbesondere wenn sie angeschweißt sind. Die Spannungen in den Schweißnähten, aber auch bei Schraubenverbindungen, werden unter der Belastung der Gegenwalze so groß, dass es zu Brüchen kommen kann.

[0006] Deshalb ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Walze mit seitlich versteifter Achse zu schaffen, die auch größere Durchbiegungen der Achse zulässt.

[0007] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in Pressrichtung die Steifigkeit des Versteifungselementes in dem nächstgelegenen Bereich zu den Lagern geringer ist als im mittleren Bereich der Achse. Als Versteifungselemente kommen insbesondere Halbschalen und Vierkantprofile in Frage, die an den Enden geschwächt werden, um die Biegesteifigkeit zu vermindern.

[0008] Durch die verminderte Steifigkeit des Versteifungselementes in den Endbereichen der Walze wird die Möglichkeit eine Biegung ohne nennenswerte Verwindung geschaffen, so dass es nicht zu Rissen kommt.

[0009] Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Versteifungselementes an wenigstens einem axialen Ende geringer als im mittleren Bereich. Dadurch wird das Trägheitsmoment herabgesetzt, was eine einfachere Durchbiegung erlaubt. Dadurch, dass die Querschnittsfläche nur an den axialen Enden vermindert wird, bleibt die Steifigkeit der Gesamtkonstruktion von Achse und Versteifungselement quer zur Belastungsrichtung im Wesentlichen erhalten.

[0010] Es ist vorteilhaft, wenn das Versteifungselement an wenigstes einem axialen Ende mindestens eine Materialaussparung aufweist. Eine solche Aussparung kann einfach hergestellt 1 /11 österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15 werden und bietet zudem den Vorteil, dass man den Querschnitt der Aussparung in axialer Richtung den zu erwartenden Durchbiegungen anpassen kann. Dies ist auf mathematischem Wege relativ einfach zu berechnen.

[0011] Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Versteifungselement an wenigstes einem axialen Ende mindestens eine Entlastungsbohrung aufweist. In der Regel werden mehrere Bohrungen gesetzt, deren Anzahl in axialer Richtung an dem Versteifungselement variieren kann.

[0012] Es ist günstig, wenn die Achse einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Ausdehnung in Pressrichtung wenigstens 2,5 mal, vorzugsweise wenigstens 3 mal größer als quer zur Pressrichtung ist. Entgegen der üblichen runden Ausführung der Achse wird hier ein Querschnitt gewählt, dessen Flächenmomente in den beiden Hauptträgheitsachsen in und quer zur Pressrichtung unterschiedliche, vorzugsweise stark unterschiedlich sind.

[0013] Die Dimensionierung des Querschnitts in Pressrichtung wird dabei von der Belastung, insbesondere infolge der Presskräfte im Pressspalt, sowie der Gewichtskraft und der erforderlichen Eigenfrequenz in Pressrichtung bestimmt.

[0014] Da die Schwingungserregung im Wesentlichen von der Rotation des Walzenmantels mit der Frequenz der Walzenmanteldurchläufe durch den Pressspalt ausgeht, hängt auch die erforderliche Eigenfrequenz der Achse von der Rotationsgeschwindigkeit des Walzenmantels, d.h. der Maschinengeschwindigkeit ab.

[0015] Weil die Belastung der Achse in Pressrichtung wesentlich größer als quer zu dieser ist, genügt es oft auch, wenn die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung um wenigstens 100 %, vorzugsweise um wenigstens 150 % höher als quer zur Pressrichtung ist.

[0016] Die geringere Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung führt zu einer geringeren Ausdehnung der Achse quer zur Pressrichtung verbundenen mit einem geringeren Gewicht der Achse. Möglich wird dies auch wegen der geringeren Kräfte, die quer zur Pressrichtung auf die Achse einwirken.

[0017] Um zu gewährleisten, dass die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung ausreichend weit von der Erregerfrequenz entfernt ist, sollte die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels während des Betriebs mindestens 15 %, vorzugsweise zumindest 25 % und insbesondere mindestens 30 % kleiner als die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung sein.

[0018] Aber auch quer zur Pressrichtung ist es von Vorteil, wenn die Erregerfrequenz nicht oder zumindest nur kurze Zeit in den Bereich der Eigenfrequenz der Achse kommt.

[0019] Dies kann erfindungsgemäß dadurch sichergestellt werden, dass die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung unter der Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels während des Betriebs, d.h. insbesondere auch bei minimaler Betriebsgeschwindigkeit liegt. Das eingesetzte Versteifungselement 8 kann bewirken, dass die Eigenfrequenz der gesamten Achs-konstruktion, bestehend aus Achse 2 und Versteifungselement 8, oberhalb der Walzendrehfrequenz liegt.

[0020] Um dies bei der alleinigen Betrachtung der Erregung der Achse 2 möglichst sicher zu gestalten, sollte die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels während des Betriebs der Maschine mindestens 15 %, vorzugsweise zumindest 25 % und insbesondere mindestens 30 % über der Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung liegen.

[0021] Auf diese Weise liegt die Erregerfrequenz, d.h. die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels während des Betriebs immer zwischen der Eigenfrequenz der Achse in und quer zur Pressrichtung.

[0022] Indem man die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung unter die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung legt, kann so eine große Verminderung der Ausdehnung der Achse quer zur Pressrichtung erreicht werden.

[0023] Es kann von Vorteil sein, wenn wenigstens ein Versteifungselement mit Spiel mit der Achse verbunden ist. In diesem Fall werden über das Spiel zwischen Versteifungselement und 2/11 österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15

Achse Bewegungen erlaubt, die Schwingungen dämpfen. Dabei fungiert das Versteifungselement gleichzeitig als Dämpfungselement.

[0024] Anwendung sollte eine derartige Presswalze wegen der hohen, erforderlichen Presskräfte im Pressspalt in Anordnungen finden, bei denen die Faserstoffbahn zur Glättung oder Entwässerung durch den Pressspalt geführt wird.

[0025] Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt: [0026] Figur 1: einen schematischen Querschnitt durch eine Presswalze; [0027] Figuren 2 - 4: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Achse mit Ver steifungselement gemäß der erfindungsgemäßen Presswalze [0028] Figur 5: eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Achse mit Ver steifungselement nach dem Stand der Technik [0029] Die in Figur 1 dargestellte, durchbiegungsgesteuerte Presswalze besitzt einen, um eine feste Achse 2 rotierbaren, zylindrischen Walzenmantel 4 aus Stahl. Dabei stützt sich der Walzenmantel 4 auf einer hydraulischen Stützeinrichtung 3 auf der Achse 2 ab. Er besteht in der Regel aus Stahl oder Guss und kann einen elastischen Belag 7 besitzen.

[0030] Infolge der Rotation des Walzenmantels 4 kann es zu Schwingungen kommen, die die Stabilität der Konstruktion gefährden. Dabei entspricht die Erregerfrequenz der Frequenz der Mantelumläufe und hängt damit von der Rotationsgeschwindigkeit des Walzenmantels 4 und somit der Maschinengeschwindigkeit ab. Die Schwingungen entstehen insbesondere auf Grund von Unwuchten des Walzenmantels 4. Aus diesem Grund muss die Achskonstruktion sowohl in Pressrichtung 6 als auch quer dazu relativ steif ausgebildet sein.

[0031] Der Spalt zwischen der hier konvexen Stützfläche der Stützeinrichtung 3 und dem Walzenmantel 4 kann hydrostatisch und/oder hydrodynamisch geschmiert werden.

[0032] Die Stützeinrichtung 3 gleicht die Durchbiegung des Walzenmantels 4 aus und presst diesen außerdem in Pressrichtung 6 zum gegenüberliegenden Gegenstützelement 15, in diesem Fall einer Walze. Durch den dabei entstehenden Pressspalt kann die Faserstoffbahn 5 allein zur Glättung oder gemeinsam mit zumindest einem Wasser aufnehmenden Band zur Entwässerung geführt werden. Allerdings verursachen die in der Regel über die Walzenlänge mehrfach angeordneten Stützelemente 3 aufgrund der hohen zu übertragenen Kräfte eine Durchbiegung der Achse.

[0033] Da die einstückigen Achsen 2 aus geschmiedetem Stahl durchaus über 10 m lang sein können, kommt es allein schon durch das Eigengewicht zu einer erheblichen Belastung der Achse 2. Hinzu kommen, wie gesagt, die Presskräfte der Stützeinrichtung 3, welche wie hier bei nach oben gerichteter Stützfläche die Achse 2 gemeinsam mit der Gewichtskraft entgegen der Pressrichtung 6 belasten.

[0034] Im Ergebnis ist die Belastbarkeit der Achse 2 für diese Kräfte in bzw. entgegen der Pressrichtung 6 am größten.

[0035] Bleibt noch die Schwingungsstabilität der Achse 2, welche dann gegeben ist, wenn die Eigenfrequenz außerhalb des Bereichs der Erregerfrequenz liegt, so dass sich keine Resonanzerscheinungen entwickeln können und/oder wenn die Schwingungen gedämpft werden.

[0036] Hierzu wird die Eigenfrequenz der Achse 2 in Pressrichtung 6, wie bekannt, konstruktiv über die Erregerfrequenz während des Betriebs gelegt. Aber quer zur Pressrichtung 6 liegt die Eigenfrequenz unter der Eigenfrequenz in Pressrichtung, insbesondere sogar unter der Erregerfrequenz. Dadurch wird Material und entsprechend Gewicht eingespart. Das Verhältnis der Flächenträgheitskräfte in Pressrichtung 6 und quer dazu ist demnach stark unterschiedlich. In dem Aufführungsbeispiel erkennt man in Fig. 1, dass vorzugsweise eine Achse rechteckigen Querschnitts gewählt wird, dessen längere Seite parallel zu der Pressrichtung verläuft. 3/11 österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15 [0037] Um die Steifigkeit der Achse 2 quer zur Pressrichtung 6 zu erhöhen, werden mehrere Versteifungselemente 8 in Form von Halbschalen seitlich quer zur Pressrichtung 6 an der Achse 2 verteilt und daran befestigt.

[0038] Die Halbschalenform vermindert den Zwischenraum zum Walzenmantel 4, was sich positiv auf den Schmierfluidbedarf der Presswalze auswirkt. Neben diesen positiven Effekten des dargestellten Versteifungselements 8, gibt es aber auch ein Problem. Da die Achse 2 aufgrund der Belastung eine enorme Biegung erfährt, hat die Achse in der Nähe ihrer Lagerungen 10, wo die Versteifungselemente beginnen, bereits eine Durchbiegung von mehreren Millimetern und auch eine Neigung. Diese Neigung muss nun auf das Versteifungselement 8 übertragen werden, was nur durch Übertragung von großen Schubkräften im Kontaktbereich am Rand möglich ist. Diese Schubkräfte wirken sich sehr nachteilig auf die Dimensionierung der Verbindungselemente aus, wie z. B. Schrauben, Bolzen, Schweißnähte, Löten oder Kleben etc. Sie können sogar zum Zerstören der Elemente führen. Nach einer bestimmten Strecke, sobald beide Körper auf gleiche Krümmung gebracht worden sind, verringern sich diese Schubkräfte wieder, bis sie so gering werden, dass sie für die Dimensionierung keine Rolle mehr spielen.

[0039] Dies führt zur sog. „Randproblematik", d.h. einerseits sollen die Versteifungselemente ein hohe Steifigkeit in die Achse einbringen, andererseits führt gerade die hohe Steifigkeit zu überhöhten Schubkräften am Rand, die die nicht dargestellten Verbindungselemente zerstören können.

[0040] Die Ausführungsform, die von den hohen Schubkräften betroffen sein kann, ist in der Fig. 5 dargestellt, die den Stand der Technik aus der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2007 006 743.9 wiedergibt.

[0041] Um der Randproblematik zu begegnen, werden die Versteifungselemente so ausgeführt, dass ihre Steifigkeit am Rand abnimmt und durch die damit verbundene zunehmende Verformbarkeit die Schubkräfte, die aus der Biegung der Achse 2 resultieren, gefahrlos übertragen werden können.

[0042] Dies lässt sich erfindungsgemäß mit einer Materialaussparung 9 an dem den Lagern 10 nächstgelegenen Bereich 11 des Versteifungselementes 8 erreichen. Der mittlere Bereich 12 der Versteifungselementes 8 bleibt gegenüber dem Stand der Technik gemäß Fig. 5 unverändert.

[0043] Nach Fig. 2 beispielsweise ist vorgesehen, die Verringerung der Steifigkeit durch eine Entlastungsöffnung 13 vorzunehmen. Dabei sind auch mehrere Öffnungen nebeneinander vorstellbar. Wünschenswert ist es, dass die Steifigkeit des Versteifungselementes 8 im der Lagerung 10 nächstgelegenen Bereich 11 kontinuierlich abfallen zu lassen.

[0044] Alternativ kann, wie in Fig. 3 dargestellt, die Verringerung der Steifigkeit durch Bohrungen 14 erwirkt werden.

[0045] Weiter alternativ ist ein Ausführungsbeispiel in Fig. 4 dargestellt. Hier wird eine Reduzierung der Steifigkeit durch Abnahme der Wandstärke des Versteifungselementes 8 bewirkt. Besonders verdeutlicht wird die Ausgestaltung in dem Teillängsschnitt 4a durch das Versteifungselement 8.

[0046] Von den dargestellten Ausführungsformen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann auch zum axialen Ende des Versteifungselementes 8 hin zur Verringerung der Steifigkeit eine Materialveränderung vorgenommen werden. D. h., im dem Lager nächstgelegen Bereich 11 des Versteifungselementes 8 wird ein weicherer Werkstoff verwendet als im mittleren Bereich 12. 4/11 österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15

Bezugszeichenliste 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Presswalze

Achse

Stützeinrichtung

Walzenmantel

Faserstoffbahn

Pressrichtung

Belag

Versteifungselemente

Materialaussparung

Lagerung Nächstgelegener Bereich Mittlerer Bereich Entlastungsöffnung Entlastungsbohrung Gegendruckelement 5/11

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT 10 856 U1 2009-11-15 Ansprüche 1. Presswalze zur Behandlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn (5) in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung der Faserstoffbahn, mit einem, um eine feststehende, in Lagern (10) gestützte Achse (2) rotierbaren Walzenmantel (4), welcher von einer Stützeinrichtung (3) auf der Achse (2) zur Bildung eines Pressspaltes in Richtung (Pressrichtung 6) eines Gegendruckelementes (15) gedrückt wird, wobei an der Achse (2) wenigstens ein Versteifungselement (8) befestigt ist, welches die Steifigkeit der Achse (2) quer zur Pressrichtung (6) erhöht, dadurch gekennzeichnet, dass in Pressrichtung (6) die Steifigkeit des Versteifungselementes (8) in dem nächstgelegenen Bereich (11) zu den Lagern (10) geringer ist als im mittleren Bereich (12) des Versteifungselementes (8).
2. 2. Presswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Versteifungselementes (8) an wenigstens einem axialen Ende geringer ist als im mittleren Bereich (12).
3. 3. Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (8) an wenigstes einem axialen Ende mindestens eine Materialaussparung aufweist.
4. 4. Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (8) an wenigstes einem axialen Ende mindestens eine Entlastungsbohrung aufweist.
5. 5. Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (2) einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Ausdehnung in Pressrichtung (6) wenigstens 2,5 mal, vorzugsweise wenigstens 3 mal größer als quer zur Pressrichtung (6) ist.
6. 6. Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels (4) während des Betriebs mindestens 25 %, vorzugsweise mindestens 30 % über der Eigenfrequenz der Achse (2) quer zur Pressrichtung (6) liegt.
7. 7. Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Versteifungselement (8) mit Spiel mit der Achse (2) verbunden ist.
8. 8. Anwendung der Presswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffbahn (5) zur Glättung oder Entwässerung durch den Pressspalt geführt wird. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 6/11