AT506514B1 - Balkenkonstruktion für papier- und kartonherstellungsmaschinen so wie ein verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Abstract

Eine zu einer kontrollierten Biegung fähige Balkenkonstruktion weist zwei Endtragorgane (10), ein Innenrohr (2), das mit seinen Enden an Endtragorganen (10) befestigt ist, einen Außenmantel (1), der um das Innenrohr herum angeordnet und mit seinen Enden an den Endtragorganen (10) befestigt ist, und zumindest ein Stützorgan (7, 8, 9) zur Abstützung des Außenmantels (1) am Innenrohr (2) auf, wobei die Biegesteifheit des Innenrohrs (2) größer als die Biegesteifheit des Außenmantels (1) ist.

Description

österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Balkenkonstruktion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die für belastete Komponenten, womit verschiedene Profile kontrolliert werden, geeignet ist, wie z.B. ein Tragbalken für Reinigungsschaber. Die Balkenkonstruktion eignet sich insbesondere für einen Schaberbalken in Applizierungsvorrichtungen, die in der Papierherstellung verwendet werden. Ein solcher Schaberbalken wird z.B. zum Tragen und zur Belastung von Schaberklingen und Schaberstäben in der Papierindustrie verwendet. Die Erfindung eignet sich auch für Belastungskonstruktionen der Druckwalzenbalken von Schneidmaschinen und für Tragbalken einer Stumpfwalze, das heißt typischerweise für zu belastende und zu profilierende Balken.

[0002] Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Balkenkonstruktion, mit der eine kontrollierte Biegung des Balkens verwirklicht werden kann.

[0003] Beim Streichen von Papier und Karton wird eine Strichmischung auf eine laufende Materialbahn aufgetragen, die zu einer gleichmäßigen Schicht auf der Oberfläche der Bahn ausgebreitet wird. Die Strichschicht kann geebnet werden, und die Menge der Strichmischung auf der Oberfläche der Materialbahn kann gewünschtenfalls z.B. mittels einer Schaberklinge oder eines Schaberstabs geregelt werden. Die zu beschichtende Bahn verläuft in der Streichmaschine zwischen der Schaberklinge und einer geeigneten Abstützung, gewöhnlicherweise einer rotierenden Walze. Die Schaberklinge streift die überschüssige Strichmischung von der Bahn ab und ebnet sie zu einer gleichmäßigen Schicht auf der Bahnoberfläche. Um eine möglichst gleichmäßige Strichschicht zu erhalten, sollte der Spalt zwischen der Bahn und der Schaberklinge über die gesamte Breite der Bahn möglichst genau von gleicher Breite sein. Normalerweise wird danach gestrebt, den Schaberbalken und die Gegenwalze gerade zu halten. Die Kraft zum Anpressen der Schaberklinge an die Bahn sollte über die ganze Breite der Klinge groß und konstant sein, um die Strichmischung auf die Bahn auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten gleichmäßig auftragen zu können. Die Geradheit des Schaberbalkens sollte mit einer Genauigkeit von ungefähr 0,1 mm konstant verbleiben. Klingenbelastungen, ungleichmäßige Wärmebelastungen aufgrund der Umgebung, Belastungen aufgrund des eigenen Balkengewichts und Winkelveränderungen des Balkens können jedoch bedeutend größere Biegungen hervorbringen. Die bedeutendste größte Belastung ist normalerweise etwa 2-3 kN/m, wobei die Biegung in breiten Maschinen sogar 1,0 mm sein kann, wenn die Breite der Bahn 8 - 10 m beträgt.

[0004] Die US 4,907,528 A beschreibt einen biegungskompensierten Schaberbalken. Vier Druckorgane sind symmetrisch um einen runden Stützbalken herum angeordnet und von einem Rohr umgeben, das seinerseits an einem quadratischen Schaberkörper abgestützt ist. Durch Regelung des Drucks der Druckorgane wird eine Deformation des Schaberbalkens hervorgebracht, die die Schaberbalkenbiegung kompensiert. Die Balkenkonstruktion ist kompliziert, wobei sie auch sehr schwer ist. Hierbei vergrößert das eigene Gewicht des Balkens die Biegung, und eine stärkere Kompensation ist notwendig. Die Form des Balkens kann vom Konstrukteur nicht frei gewählt werden, weil der Schaberkörper quadratisch sein muss und die Anzahl der Druckorgane immer vier ist.

[0005] In der GB 2 251 562 A ist ein biegungskompensierter Schaberbalken beschrieben, wobei die Temperatur des Balkens gleichmäßig am Schaberträger beibehalten wird; durch eine Temperaturänderung des Balkens an geeigneten Stellen wird eine Balkenbiegung mit Hilfe von Heiz- oder Kühlorganen kompensiert. Die Deformationen des Balkens werden also dadurch kompensiert, dass Verschiebungen in entgegengesetzter Richtung mit Hilfe von Temperaturänderungen hervorgebracht werden. Der Schaberbalken ist im Querschnitt dreieckig, und die Heizorgane sind an den Seiten des Dreiecks angeordnet. In dieser Lösung können zwei verschiedene Wärmeübertragungskreise verwendet werden, und die Heizung oder die Abkühlung wird in den Kanälen mit Hilfe einer strömenden Flüssigkeit durchgeführt. Mit Hilfe der zwei Wärmeübertragungskreise kann die Temperatur in den verschiedenen Teilen des Balkens 1 /13 österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15 geändert werden. Das Problem bei dieser Lösung besteht darin, dass die Regelung langsam ist, weil die zu wärmenden Massen groß sind. Der eingestellte Wert kann sich auch verändern, wenn sich die Umgebungstemperatur verändert. Ein vergleichbarer biegungskompensierter Schaberbalken mit Temperaturkontrolle ist auch aus dem DE 200 16 530 U1 bekannt, wobei hier zusätzlich ein Druck-Kompensationselement zwischen dem äußeren Rahmen und einem innerhalb hievon angeordneten Stützelement, das mit dem Rahmen verbunden ist, vorgesehen ist.

[0006] Wärmeübertragung kann auch nur für die Beibehaltung des Einstellwerts der Balkentemperatur verwendet werden, wobei die Temperaturänderungen die Geradheit des Schaberbalkens nicht beeinflussen. Die Reaktionsfähigkeit des Heizungs- oder Abkühlungssystems im Hinblick auf schnelle Temperaturänderungen ist schwach. Ein langsames Ansprechen auf Temperaturänderungen ist die Schwäche aller Kompensationsverfahren, die auf Temperaturkontrolle basieren.

[0007] In der US 5,269,846 A ist ein biegungskompensierter Schaberbalken beschrieben, wobei innerhalb des Schaberbalkens ein separates Innenrohr vorliegt, das sich an den Innenwänden des Schaberbalkens mit Hilfe von Luftkissen abstützt. Die Schaberbalkenbiegung wird durch Druckänderung in den auf verschiedenen Seiten im Innenrohr befindlichen Luftkissen geändert, wobei eine erwünschte Bewegung der Klingenkante erreicht wird. In den Kissen kann anstatt Luft eine Flüssigkeit verwendet werden. Eine derartige Biegungskontrolle ist schnell und deshalb für heutige schnelle Streichmaschinen gut geeignet. Mit Hilfe des Luftdrucks können jedoch mittels des biegungskompensierten Schaberbalkens nicht alle mit der Schaberbalkenbiegung zusammenhängenden Probleme gelöst werden. Heutzutage werden die Schaberbalken gewöhnlich aus Stahl hergestellt, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stahls ist hoch, weshalb eine ungleichmäßige Wärmebelastung große Biegungen im Schaberbalken hervorbringt. Dies kann in oben beschriebener Weise durch die Verwendung einer die Wärmeverteilung ausgleichenden Flüssigkeitszirkulation oder Druckluftkompensation kompensiert werden. Das Problem der Druckluftkompensation besteht jedoch darin, dass die Steifheit des Innenrohres zwangsweise bedeutend kleiner ist als die Steifheit des im Querschnitt größeren Schaberbalkens, der das Innenrohr umschließt. Weil das Trägheitsmoment der tragenden Konstruktion stark vom Abstand der Schnittfläche von der neutralen Achse abhängigt, besteht der belastungstragende Teil der hohlen Balken- oder Rohrkonstruktion aus ihrer Mantelschicht, und je näher die Mittelachse des Balkens ist, desto kleiner ist die Belastungstragfähigkeit des Materials im Querschnitt. Weil der Mantel des Außenbalkens weiter weg von der Mittelachse des Balkens liegt, ist dessen Belastungstragfähigkeit hinsichtlich der Steifheit bedeutend größer als jene des im Querschnitt kleineren Mittelbalkens. Weiterhin ist zu bemerken, dass der in der Konstruktion äußere Schaberbalken dimensioniert ist, um die auf den Balken gerichteten Belastungen zu tragen, weshalb dessen Steifheit von Anfang an groß ist, wie auch die Wanddicke des Materials.

[0008] In einer ähnlichen Situation biegt sich das Innenrohr, wenn belastet, bedeutend mehr als der Schaberbalken, und im Schaberbalken werden nur kleine Verschiebungen bewirkt, obwohl sich das Innenrohr fest gegen die Innenfläche des Schaberbalkens biegen würde. Weil die Steifheit des Balkens und die Steifheit des Innenrohres stark vom Durchmesser ihres Querschnitts bestimmt werden, kann die Steifheit des Innenrohres nicht wesentlich erhöht werden, weil es in den Schaberbalken hineinpassen muss. Deshalb ist der Schaberbalken konstruktiv viel steifer als das Innenrohr, besonders dann, wenn die Eigensteifheit seiner Herstellungsmaterialien ebenso groß sind.

[0009] Aus der DE 199 41 191 A1 ist eine Tragbalkeneinheit bekannt, bei der ein äußerer, rohrförmiger Teiltragbalken auf einem inneren Teiltragbalken mit Hilfe von starren Stützen abgestützt ist. Dabei werden Stabilitätsfunktionalitäten auf die beiden Teiltragbalken aufgeteilt. In der DE 26 43 017 A1 ist schließlich eine Durchbiegungseinstellwalze geoffenbart, die einen feststehenden Walzenträger sowie einen um diesen mit Hilfe von endseitigen Wälz lagern drehbar gelagerten Walzenmantel aufweist. Zum Abheben des Walzenmantels von einer Gegenwalze sind innere Abhebeelemente vorgesehen, die ähnlich hydrostatischen Anpressele- 2/13 österreichisches Patentamt AT 506 514 B1 2013-03-15 menten ausgebildet sind, die im Betrieb den Walzenmantel abstützen.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Balkenkonstruktion zu schaffen, bei der die Biegung des Außenmantels besser als die Biegung der heutigen Schaberbalken kontrolliert werden kann. Weiters sollen die Biegungen des Schaberbalkens aufgrund eigener Masse und eigener Temperaturänderungen von Anfang an klein sein und mit Hilfe von z.B. Druckluftkompensation effektiv kontrolliert werden können. Bevorzugt soll der Außenmantel der Balkenkonstruktion mittels vibrationsdämpfender Elemente vom Innenrohr getrennt sein. Weiters soll bei der Balkenkonstruktion der Außenmantel das in seinem Inneren befindliche Innenrohr vor Aufheizung schützen. Schließlich soll die Balkenkonstruktion im Verhältnis zu bisherigen, zu ähnlichem Verwendungszweck verwendeten Balken weniger teure Konstruktionsmaterialien benötigen.

[0011] Die erfindungsgemäße Balkenkonstruktion sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Balkenkonstruktion sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

[0012] Bei der erfindungsgemäßen Balkenkonstruktion, die einen Doppelbalken bildet, der ein belastungstragendes Innenrohr und am Innenrohr einen Außenmantel aufweist, ist die Biegesteifheit des Innenrohres größer als die Biegesteifheit des Außenmantels. Eine solche Balkenkonstruktion zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus. Dabei kann der Außenmantel aus einem Material hergestellt werden, dessen Eigensteifheit größer als die Eigensteifheit des Materials des Innenrohres ist, wobei nichtsdestoweniger die Biegesteifheit des Außenmantels kleiner ist als die Biegesteifheit des Innenrohres.

[0013] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Stützorgan zumindest ein mit Strömungsmittel gefülltes Druckorgan, mittels dessen der Außenmantel am Innenrohr abgestützt ist.

[0014] Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Balkenkonstruktion aus einem Schaberbalken, der eine Schaberklinge trägt, und zumindest ein zwischen dem Innenrohr und dem Außenmantel befindliches Stützorgan ist derart angeordnet, dass seine Einwirkungsrichtung auf der über die neutrale Achse des Balkens und die Klingenspitze verlaufenden Geraden liegt.

[0015] Von Vorteil ist es, wenn sie zwei Endtragorgane aufweist und das Innenrohr mit seinen Enden an den Endtragorganen befestigt ist und der Außenmantel ebenfalls mit seinen Enden an den Endtragorganen befestigt ist. Dabei kann das Innenrohr an seinen Enden an Endtragorganen steif befestigt sein, und der Außenmantel kann an seinen Enden relativ zur Längsachse des Balkens in Radialrichtung und in der Drehungsrichtung fest angeordnet, aber in der Achs-richtung gegebenenfalls frei beweglich sein, d.h. die Konstruktion ist derart, dass sie eine (geringe) Momentbelastung aufnehmen kann, oder aber dass sie hinsichtlich der Momentbelastung als steife Konstruktion ausgebildet ist.

[0016] Eine vorteilhafte Ausführungsform, insbesondere zum Tragen und zur Belastung von Schaberklingen oder Schaberstäben der Papierindustrie, zeichnet sich dadurch aus, dass der Balken einen Schaberträger zur Befestigung einer Schaberklinge oder eines Stabes am Außenmantel des Balkens, und zumindest drei Strömungsmittel enthaltende Kompensationsorgane als Stützorgane zur Abstützung des Innenrohres an der Innenfläche des eigentlichen Balkens aufweist.

[0017] Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Außenmantel aus verstärktem Kom-positkunststoff, aus faserverstärktem Material, vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Material oder Kohlefaserverbundstoff, und das Innenrohr aus Stahl, z.B. Konstruktionsstahl, oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt.

[0018] Eine Möglichkeit Vibrationen zu isolieren ist, die Transmission einer Vibration von den äußersten Konstruktionsteilen in eine Klinge oder z.B. von einer Stumpfwalze zu verhindern.

[0019] Es ist günstig, wenn die Anzahl der Stützorgane drei ist und sie symmetrisch im Verhältnis zu der neutralen Achse des Balkens angeordnet sind. 3/13 österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15 [0020] Von Vorteil ist es auch, wenn der Außenmantel aus einem Glasfaserverbundstoff oder einem Aramidfaserverbundstoff besteht.

[0021] Wie erwähnt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Balkenkonstruktion, mit der eine kontrollierte Biegung des Balkens verwirklicht werden kann, bei welchem Verfahren zwei Endtragorgane hergestellt werden, ein Innenrohr hergestellt wird, das mit seinen beiden Enden an den Endtragorganen angeordnet wird, ein Außenmantel hergestellt wird, der um das Innenrohr herum und an den Endtragorganen angeordnet wird, und der Außenmantel mittels zumindest eines Stützorgans am Innenrohr abgestützt wird, und das bei der Herstellung des Innenrohrs und des Außenmantels das in der Balkenkonstruktion angeordnete Innenrohr mit einer größeren Biegesteifheit als der Außenmantel dimensioniert wird.

[0022] Durch die Erfindung werden erhebliche Vorteile erzielt. So kann die erwünschte Biegung eines Balken-Außenmantels leichter als bisher eingestellt werden. Der Außenmantel, dessen Steifheit geringer als die Steifheit des Innenrohres ist, biegt sich leicht, von dem Innenrohr getragen, und wenn es beweglich an seinen Enden abgestützt ist, wird kein der Biegung widerstrebendes Moment von der Abstützung erzeugt. Folglich kann die Biegung des Außenmantels leicht entweder gerade oder einer bestimmten Bogenform, z.B. der Krümmung der Gegenwalze, folgend gesteuert werden. Auf diese Weise kann z.B. bei einem Schaberklingenbalken ein konstanter Spalt zwischen einer Klinge und einer Gegenwalze erreicht werden, und mittels des Schaberträgers ist nur eine Feineinstellung nötig, um die Menge der Strichmischung endgültig einzustellen. Deshalb können die Positionen des Schaberbalkens und des Schaberträgers direkt auf Basis der Messung der Strichmenge derart geregelt werden, dass eine erwünschte Strich- oder eine andere Behandlungsmischungsmenge und ein -profil für das herzustellende Produkt erhalten werden.

[0023] Der Außenmantel kann am Innenrohr durch Stützorgane in Form von Schläuchen, die mit Druckluft oder Flüssigkeit gefüllt sind, oder von entsprechenden Funktionsgeräten, die mit einem Strömungsmittel gefüllt sind, abgestützt werden. Weil der Außenmantel nicht steif ausgebildet sein muss, werden keine großen Kräfte gebraucht, um den Außenmantel zu biegen, weshalb die Fläche der den Außenmantel tragenden Stütz- oder Druckorgane und der Druck klein sein können. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass in das Innere des Außenmantels ein im Querschnitt größeres Innenrohr passt, wobei dessen Steifheit erhöht werden kann, und die Konstruktion wird besser als bei früheren Ausbildungen funktionieren. Das Verschiebungsverhältnis zwischen dem Außenmantel und dem Innenrohr wird dagegen größer. Die mit einem Strömungsmittel gefüllten Stützorgane isolieren auch den Außenmantel gegen Vibrationen der Umgebung.

[0024] Der Außenmantel schützt das Innenrohr vor Hitze und Umgebungsbelastung. Temperaturänderungskompensation wird nicht unbedingt benötigt, weil kein Temperaturgradient des Innenrohres gebildet wird, der das Rohr verdrehen würde. Das Innenrohr kann auch aus einem günstigeren Material, wie z.B. aus Konstruktionsstahl, hergestellt werden, weil es vor Umgebungsbeeinflussungen geschützt ist. Auch sonst ist die Konstruktion günstiger als bisherige Konstruktionen, weil ihr Gewicht um 25% im Hinblick auf einen heutzutage verwendeten Schaberbalken von entsprechender Größe vermindert werden kann. Weil der größte Teil hiervon aus säurefestem oder Duplex-Stahl des Außenmantels besteht, ist die Einsparung bedeutend. Eine kleinere Gesamtmasse und insbesondere die kleinere Masse des gedämpften Außenmantels vermindert die vibrierende Masse.

[0025] Weil der Wärmeausdehnungskoeffizient eines aus Kohlefaser-Material hergestellten Außenmantels sehr klein ist, reagiert er nicht auf äußere Temperaturänderungen, und es gibt keine signifikanten Deformationen aufgrund der Wärmeausdehnung. Bei anderen faserverstärkten Materialien ist die Wärmeausdehnung sehr gering. Die Eigensteifheit der Kohlefaserverbundstoffe und anderer faserverstärkter Materialien ist groß, das heißt sie sind sehr steif hinsichtlich ihrer Masse, weshalb die Biegung der aus diesen Materialien hergestellten Balken aufgrund des eigenen Gewichts klein und deshalb leicht zu kompensieren oder bei der Herstellung des Balkens zu berücksichtigen ist. Die Steifheit der faserverstärkten Materialien ist jedoch 4/13 österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15 typischerweise kleiner als die Steifheit des Stahls, weshalb die relative Steifheitsdifferenz des Außenmantels und des Innenrohres kleiner wird, und durch Kompensation werden die größten Verschiebungen im Schaberbalken und dadurch auch in der Klingenkante bewirkt. Folglich ist die Kompensation effektiver, und weniger Kraft wird benötigt. Da der Schaberbalken im Prinzip nur aus einem Außenmantel-Rohr, das im Querschnitt von spezifischer Form ist, besteht, ist die Herstellung davon aus faserverstärktem Material relativ leicht.

[0026] Auch können Arbeitskosten und Material durch Weglassen der Temperaturkompensationskanäle gespart werden. Bei Bedarf können sie durch einfache Abkühlungskanäle oder sogar durch Luftblasen vom Ende des Balkens ersetzt werden. Das Wichtigste ist, dass eine gleichmäßige Temperatur im Inneren des Balkens herrscht und dass keine Temperaturgradienten Vorkommen. Das Sinken und der Anstieg der Gesamttemperatur bewirken keine bedeutenden Deformationen, und sie gehen gewöhnlich langsam vor sich; deshalb können sie leicht durch Biegung des Außenmantels kompensiert werden.

[0027] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen: [0028] Fig. 1 eine schematische Querschnitts-Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaber balken-Balkenkonstruktion; [0029] Fig. 2 eine modifizierte Ausführungsform mit dem Ende des Balkens im Querschnitt; und [0030] Fig. 3 die Ausführungsform der Fig. 2 mit einem Teil des Balkens im Längsschnitt.

[0031] Im Folgenden wird mit der "Steifheit" die Fähigkeit eines Teiles oder einer Konstruktion zum Widerstehen gegenüber Deformation, bezeichnet. Eine größere Steifheit bedeutet eine kleinere Deformation bei ein und derselben Belastung.

[0032] Unter der "Radialrichtung" des Rohres oder des Balkens wird die Querrichtung im Verhältnis zur Längsachse des Rohres oder des Balkens verstanden, die "axiale Richtung" ist die Richtung der Längsachse des Balkens oder des Rohres, und die "Drehrichtung" ist die Drehrichtung um die Längsachse.

[0033] Der Schaberbalken, d.h. der Außenmantel 1, gemäß Fig.1 hat - im Querschnitt - die allgemeine Form eines Dreiecks mit abgestumpften Ecken, und in seinem Inneren befindet sich ein Innenrohr 2 von entsprechender Form, das an den Innenwänden des Außenmantels 1 des Schaberbalkens mit Hilfe von Stützorganen 3 in Form von Luftkissen abgestützt ist. Ein Träger 4 einer Schaberklinge 5 ist an einer Ecke des Außenmantels 1 befestigt, und an derselben Ecke ist eine Messeinrichtung 6 zur Messung der Geradheit des Schaberbalkens angeordnet, welche z.B. aus einer Lasermesseinrichtung bestehen kann. In einem solchen Schaberbalken kann die Kompensation einer Schaberbalkenbiegung durch eine Druckänderung in den Luftkissen-Stützorganen 3 bewirkt werden, wobei der Abstand zwischen dem Außenmantel 1 des Schaberbalkens und dem Innenrohr 2 auf der Seite mit einem größeren Druck größer wird und auf der Seite mit einem kleineren Druck kleiner wird. Mit Hilfe von drei dreieckig angeordneten Stützorganen, d.h. Luftkissen, kann eine Verschiebung in eine erwünschte Richtung bewirkt werden. Ein entsprechender Typ von Kompensation ist in der US 5,269,846 A beschrieben, worin diese Art von Kompensation näher erläutert ist.

[0034] Im vorliegenden Fall ist der Außenmantel 1 des Schaberbalkens aus einem Material hergestellt, dessen Eigensteifheit größer als die Eigensteifheit des Materials des Innenrohres 2 ist. Die absolute Biegesteifheit des Außenmantels 1 ist jedoch kleiner als die Biegesteifheit des Innenrohres 1. Beispielsweise besteht der Außenmantel 1 des Schaberbalkens aus Kohlefaser-Material und das Innenrohr 2 aus Stahl. Mit Hilfe der Kohlefaser kann eine Verbundstoffkonstruktion hergestellt werden, in der durch Faserausrichtung der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundstoffes beinahe auf Null gebracht werden kann, d.h. dass Konstruktionsdeformationen bei Temperaturänderungen im Vergleich zu Stahl, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient - für kohlearmen Stahl - mehr als das Zehnfache beträgt, vernachlässigbar sind. Weil die Kohlefaser sehr steif im Verhältnis zu ihrem Gewicht ist, ist ihre Eigensteifheit groß. Andererseits 5/13 österreichisches Patentamt AT506 514 B1 2013-03-15 kann die absolute Steifheit der kohlefaserverstärkten Verbundstoffkonstruktion im Vergleich zu Stahl klein sein, weshalb die Steifheit des aus Stahl hergestellten Innenrohres sogar größer als die Steifheit des Außenmantels des Schaberbalkens aus Kohlefaser ist. In diesem Fall bringen die sich am Innenrohr 2 abstützenden Luftkissen-Stützorgane 3 größere Verschiebungen im Schaberbalken hervor, da das Innenrohr 2 weniger federt. Andererseits ist der Kompensationsbedarf kleiner, weil sich der Außenmantel 1 wenig aufgrund seines eigenen Gewichts biegt und seine Temperaturänderungen klein sind.

[0035] Bei der Herstellung des Innenrohres 2 und des Außenmantels 1 des Schaberbalkens können auch andere als die oben genannten Materialien unter Beachtung der oben erwähnten Beschränkungen verwendet werden. Da das Innenrohr 2 steif genug im Verhältnis zum Außenmantel 1 sein muss, sollte sein Material in erster Linie aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Neben Stahl kommen hierbei in erster Linie Aluminiumlegierungen in Frage, weil andere Metalle und Metalllegierungen, z.B. Titanlegierungen, bedeutend teurer sind. Unter Aluminiumlegierungen werden hier verschiedene Leichtmetalle und legiertes Aluminium verstanden. Bei der Herstellung vom Schaberbalken können mehrere faserverstärkte Materialien verwendet werden. In diesem Zusammenhang muss jedoch bemerkt werden, dass unter faserverstärktem Material hier ein von Fasern und einem Bindemittel gebildeter Verbundstoff verstanden wird, und als Materialname wird der Name des Verstärkungsstoffes verwendet. Es gibt mehrere Bindemittel und Verstärkungsstoffe, und z.B. aus Kohlefaser können Produkte hergestellt werden, worin Kohlenstoff als Bindemittel zwischen den Fasern ist, wobei das Ganze aus Kohlenstoffmolekülen besteht. Typische Faserverstärkungsstoffe sind Glasfasern, Kohlefasern und Aramidfasern. Es ist zu bemerken, dass die Eigenschaften der Verbundstoffkonstruktion von den Eigenschaften des Verstärkungsstoffes abweichen.

[0036] Der Schaberträger 4 kann am Schaberbalken durch Kleben, Verbolzen oder Ausbilden einer geeigneten Befestigungsform im Schaberbalken, z.B. eines Schwalbenschwanzschnittes, der Wärmeausdehnung erlaubt, befestigt werden. Um die Reinhaltung zu erleichtern, sollte der Schaberbalken mit einer leicht zu reinigenden Oberflächenschicht, z.B. mit einer rostbeständigen Stahlplatte, versehen werden.

[0037] In der Ausführungsform gemäß den Figuren 2 und 3 ist das Innenrohr 2 im Querschnitt kreisförmig, ebenso wie der um das Innenrohr 2 herum angeordnete Außenmantel 1, der hier aus einem Rohr mit dünneren Wänden und mit einem größeren Durchmesser im Verhältnis zum Innenrohr 2 gebildet ist. Zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenmantel 1 befinden sich drei symmetrisch angeordnete Druckluftschläuche als Stützorgane 7, 8, 9, die den Außenmantel 1 am Innenrohr 2 abstützen. Mit Hilfe von den Druckluftschlauch-Stützorganen 7, 8, 9 zugeführter Druckluft kann der Außenmantel 1 am Innenrohr 2 abgestützt gebogen werden. Die Biegungskompensation des Balkens, d.h. Außenmantels 1, mit Hilfe der Stützorgane 7, 8, 9 wird hier nicht näher beschrieben, weil sie auf diesem Gebiet allgemein bekannt ist. Biegungskompensationsverfahren sind u.a. in den in der Einleitung erwähnten Publikationen beschrieben.

[0038] Der dargestellte Balken bildet wiederum einen Schaberbalken. Die Schaberklinge 5 ist am Schaberträger 4 befestigt, der seinerseits am Außenmantel 1 befestigt ist. Somit können die Position und die Krümmung der Schaberklinge 5 durch die Biegungs- und Positionsänderung des Außenmantels 1 geändert werden.

[0039] Das Innenrohr 2 ist an seinen beiden Enden steif an Endflanschen 17 (Fig.3) befestigt, die ihrerseits steif an Endtragorganen 10 des Balkens befestigt sind. Durch die steife Befestigung des Innenrohres 2 wird seine Biegesteifheit erhöht, weil die steife Befestigung die durch die Biegung erzeugte Momentbelastung aufnimmt. Die Endflansche 17 des Innenrohres 2 erstrecken sich bis außerhalb seines Durchmessers, und der Außenmantel 1 ist schwebend daran derart befestigt, dass er sich in Längsrichtung bewegen kann, aber nicht in Querrichtung zur Mittelachse oder zur neutralen Achse des Balkens. Folglich nimmt die Befestigung des Außenmantels 1 eine Momentbelastung kaum auf und erlaubt eine Biegung des Außenmantels 1. Die Befestigung des Innenrohres 2 an den Endflanschen 17 kann vorzugsweise durch Schweißen erfolgen, aber auch eine andere Art von Verbindung, die steif genug ist, ist möglich, z.B. eine 6/13 österreichisches Patentamt AT506 514 B1 2013-03-15

Bolzenverbindung. Um das Anordnen zu erleichtern, kann in den Endflanschen 17 eine Vertiefung für das Ende des Innenrohres 2 ausgebildet werden. Der Außenmantel 1 kann in der in den Endflanschen 17 ausgebildeten Aushöhlung oder Spur angeordnet werden, deren Tiefe eine longitudinale Bewegung des Außenmantels 1 erlaubt. Zumindest auf einer Seite weisen der Endflansch 17 und das Endtragorgan 10 Öffnungen 12 auf, wodurch mittels der Druckluftschläuche genügend Betriebsdruck erhalten werden kann. Die Anschlüsse der Druckluftschläuche der Stützorgane 7, 8, 9 sind mittels eines Deckels 16 geschützt.

[0040] Die Endtragorgane 10 weisen Schwenklager 11 (Fig.2) auf, woran der Balken im Betrieb angeordnet wird. Die Schwenklager 11 sind an in den Endtragorganen 10 ausgebildeten Vorsprüngen oder Konsolen derart angeordnet, dass der Schwenkpunkt der Lager 11 und die Spitze 14 der Schaberklinge 5 auf derselben Geraden liegen. Hierbei dreht sich die Spitze 14 der Schaberklinge 5 um den Schwenkpunkt, wenn der Balken gedreht wird. Die Endtragorgane 10 können auch Vorsprünge 13 für die Schwenkzylinder des Balkens aufweisen, um die oben erwähnte Drehbewegung auszuführen. Weil der Außenmantel 1 in diesem Balken nicht aus einem eigentlichen belastungstragenden Organ besteht, können die Schwenkzylinder an einem der Endflansche oder vorzugsweise an beiden Endflanschen befestigt werden, um eine symmetrische Kraft hervorzubringen. Die Schwenkzylinder können auch am Innenrohr 2 befestigt werden, aber in diesem Fall muss eine Öffnung oder müssen Öffnungen im Außenmantel 1 ausgebildet werden. Dies ist jedoch die günstigste Weise. Der am Innenrohr 2 befestigte Schwenkzylinder beeinflusst auch die Biegung des Innenrohres 2.

[0041] Der Außenmantel 1 kann am Innenrohr 2 auf viele Weise abgestützt werden. Anstatt Druckluft-Stützorganen können mittels hydrostatischen Drucks funktionierende Schläuche oder Kissen oder sogar mechanische oder piezoelektrische Funktionsgeräte als Stützorgane verwendet werden. Im einfachsten Fall reicht es aus, dass die Stützorgane nur im Mittelpunkt und nicht über die ganze Länge des Balkens angeordnet werden. Die Anzahl der Stützorgane kann variieren, aber mit drei oder vier Stützorganen können Verschiebungen in alle Richtungen im Querschnitt des Balkens bewirkt werden. Die Stützorgane können auch anders als symmetrisch angeordnet werden. Wenn mehrere Stützorgane verwendet werden, erhöht sich der Preis des Balkens, aber dies kann in spezifischen Fällen, z.B. hinsichtlich Vibrationsdämpfung, vorteilhaft sein. Wenn ein oder zwei Stützorgane verwendet werden, wird die Abstützung zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenmantel 1 schwächer, und die Biegung kann nicht in allen Richtungen gesteuert werden.

[0042] Wesentlich bei der Anordnung der Stützorgane ist, dass eines der Stützorgane 7, 8, 9 derart angeordnet ist, dass seine Bewegungsrichtung auf der durch den Schwenkpunkt des Balkens (die Spitze 14 der Klinge 5) und die neutrale Achse 15 des Balkens verlaufenden Geraden liegt. Da die Spitze 14 der Schaberklinge 5 auch auf derselben Geraden ist, kann der Abstand der Spitze 14 der Schaberklinge 5 von der Gegenwalze oder von einem anderen Gegenorgan mittels des einen Stützorgans 9 (Fig.2) geregelt werden. Auf diese Weise wird der Balken gut zusammen mit dem Schaberträger 4 bei der Regelung der Funktion der Schaberklinge funktionieren. Dieses Stützorgan 9 kann direkt auf der Seite des Schaberträgers 4 hinter dem Außenmantel 1 oder im Verhältnis zu der neutralen Achse 15 des Balkens auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Wenn vier Stützorgane verwendet werden, können zwei von diesen frei und zwei in den beiden Positionen sein.

[0043] Die Grundidee der Erfindung besteht darin, dass das belastungstragende Organ des Balkens aus dem Innenrohr 2 besteht, und die Biegung des das Innenrohr 1 umschließenden Außenmantels 1 kann am Innenrohr 2 abstützend geregelt werden. Dies wird derart erreicht, dass die Biegesteifheit des Innenrohres 2 größer als die Biegesteifheit des Außenmantels 1 dimensioniert wird. Gewöhnlich hat das tragende Organ des Schaberbalkens aus einem Außenmantel bestanden, dessen Wanddicke ungefähr 20 mm betragen hat, und worin auch Wasserkanäle zur Wärmeregelung benötigt worden sind, wobei die Materialdicke der Kanäle etwa 5 mm betragen hat. Die Wanddicke des zur Biegungskompensation verwendeten Innenrohres hat ungefähr 25 mm Stahl betragen. Hierbei sind die Biegungen des Innenrohres groß im Verhältnis zu den Biegungen des Außenmantels gewesen. Die Erfindung basiert auf der Idee, dass das 7/13 österreichisches Patentamt AT506 514 B1 2013-03-15 belastungstragende Organ aus dem Innenrohr 2 besteht und die Aufgabe des Außenmantels 1 nur darin liegt, die daran angeschlossenen Funktionsgeräte abzustützen und die durch diese erzeugte Belastung zum Innenrohr 2 zu leiten. Mittels der Funktionsgeräte bzw. Stützorgane 7, 8, 9 zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenmantel 1 wird die Biegung des Außenmantels 1 wie erwünscht geregelt, z.B. traditionsgemäß gerade oder derart, dass der Außenmantel 1 oder das oder die daran befestigten Geräte die erwünschte Biegung aufweisen, um die richtige Funktion der Geräte zu erreichen. Als Beispiel kann mittels des Schaberklingenbalkens die Schaberklinge 5 gerade oder der Krümmung der Gegenwalze folgend gesteuert werden. Folglich wird im vorliegenden Fall nicht nur nach der Kompensation der Biegung, sondern eher gleichzeitig nach einer erwünschten Biegung des Außenmantels 1 gestrebt. Jetzt kann die Wanddicke des Außenmantels 1 sogar 8 mm betragen, und Wasserkanäle werden nicht unbedingt benötigt, weil die Temperatur innerhalb des Außenmantels 1 gleichmäßig bleibt und biegungserzeugende Temperaturgradienten nicht so leicht wie in den Konstruktionen gemäß Stand der Technik verursacht werden. Bei Bedarf können Abkühlungskanäle entweder für Wasserabkühlung oder Luftblasen am Balken angeordnet werden, aber auch in diesem Fall können die Wasserkanäle als relativ leichte Konstruktionen ausgeführt werden.

[0044] Der Außenmantel 1 kann aus irgendwelchem belastungsbeständigen und betriebsverhältnisbeständigen Material hergestellt werden. In der Praxis bestehen die anwendbaren Materialien aus umweltbeständigem Stahl und aus verschiedenen Verstärkungskunststoffkomposit-Materialien, z.B. auch Aluminium und Legierungen davon. Das Innenrohr 2 sollte vorzugsweise aus Konstruktionsstahl hergestellt werden, um eine gute Steifheit und einen günstigen Preis zu erreichen. Die Erfindung an sich beschränkt sich auf kein spezifisches Konstruktionsmaterial, wenn die Konstruktion mit den ausgewählten Materialien nur gemäß den Patentansprüchen dimensioniert werden kann.

[0045] Im obengenannten Beispiel gemäß Fig.2 und 3 ist der Querschnitt des Außenmantels 1 und jener des Innenrohres 2 kreisförmig. Dies ist in bekannterWeise herstellungstechnisch eine bevorzugte Ausführungsform, und fertiges Konstruktionshalbzeug ist leicht erhältlich. Die Form des Balkens kann aber an sich unterschiedlichst sein, z.B. dreieckig, quadratisch oder vieleckig, und das Innenrohr 2 und das Außenrohr 1 können verschiedene Formen aufweisen. Die beiden Komponenten 1, 2 können einheitliche Rohre oder aus Teilen zusammengesetzte Schalenkonstruktionen sein.

[0046] Die vorliegende Balkenkonstruktion eignet sich insbesondere als Schaberbalken beim Streichen von Papier und Karton. Sie kann auch sonst mit Vorteil in der Papier- und Kartonindustrie verwendet werden, wo die Geradheit oder eine kontrollierte Biegung des Balkens erfordert ist, wie z.B. als Applizierungsbalken einer Florstreichvorrichtung, Düsenbalken einer Sprühstreichvorrichtung und dergl., sowie außer von zur Applizierung verwendeten Schabern z.B. bei Reinigungsschabern. Die Erfindung eignet sich auch für Belastungskonstruktionen der Druckwalzenbalken von Schneidmaschinen und für Tragbalken einer Stumpfwalze, also typischerweise für zu belastende und zu profilierende Balken.

[0047] Die Anzahl der Kompensationsorgane, d.h. Stützorgane, kann größer als drei sein; z.B. werden in einem quadratischen Schaberbalken vier Kompensationsorgane verwendet. In diesen Organen kann als wirksames Medium irgendein Strömungsmedium verwendet werden, nämlich Gas oder Flüssigkeit. Häufig ist es jedoch vorteilhaft, Druckluft zu verwenden, weil es in der Fabrik leicht erhältlich ist. Hydrostatischer Druck ist auch häufig erhältlich. Die Formen des Außenmantels 1 des Schaberbalkens und des Innenrohres 2 können verschieden sein, beispielsweise kann der Schaberbalken-Außenmantel 1 quadratisch und das Innenrohr 2 kreisförmig im Querschnitt sein. Anstatt der Schaberklinge 5 kann mittels des Schaberbalkens ein Schaberstab getragen werden. 8/13

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15 Patentansprüche 1. Balkenkonstruktion, mit der eine kontrollierte Biegung eines Schaberbalkens verwirklicht werden kann, welche Balkenkonstruktion: - ein Innenrohr (2) - einen Außenmantel (1), der um das Innenrohr (2) herum angeordnet und an seinen Enden an Endtragorganen (10) befestigt ist, und - zumindest ein Stützorgan (3; 7, 8, 9) zur Abstützung des Außenmantels (1) am Innenrohr (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifheit des Innenrohres (2) größer als die Biegesteifheit des Außenmantels (1) ist.
2. 2. Balkenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass sie zwei Endtragorgane (10) aufweist und das Innenrohr (2) mit seinen Enden an den Endtragorganen (10) befestigt ist und der Außenmantel (1) ebenfalls mit seinen Enden an den Endtragorganen (10) befestigt ist.
3. 3. Balkenkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere biegungskompensierter Schaberbalken zum Tragen und zur Belastung von Schaberklingen (5) oder Schaberstäben der Papierindustrie, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken: - einen Schaberträger (4) zur Befestigung einer Schaberklinge (5) oder eines Stabes am Außenmantel (1) des Balkens, und - zumindest drei Strömungsmittel enthaltende Kompensationsorgane als Stützorgane (3) zur Abstützung des Innenrohres (2) an der Innenfläche des eigentlichen Balkens aufweist.
4. 4. Balkenkonstruktion nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) an den Endtragorganen (10) zumindest axial beweglich befestigt ist.
5. 5. Balkenkonstruktion nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) an den Endtragorganen (10) axial steif befestigt ist.
6. 6. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützorgan (3; 7, 8, 9) zumindest ein mit Strömungsmittel gefülltes Druckorgan aufweist, mittels dessen der Außenmantel (1) am Innenrohr (2) abgestützt ist.
7. 7. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Balkenkonstruktion aus einem Schaberbalken, der eine Schaberklinge (5) trägt, besteht, und zumindest ein zwischen dem Innenrohr (2) und dem Außenmantel (1) befindliches Stützorgan (9) derart angeordnet ist, dass seine Einwirkungsrichtung auf einer über die neutrale Achse (15) des Balkens und die Spitze (14) der Klinge (5) verlaufenden Geraden liegt.
8. 8. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stützorgane (7, 8, 9) drei ist und sie symmetrisch im Verhältnis zu der neutralen Achse des Balkens angeordnet sind.
9. 9. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus einem Material hergestellt ist, dessen Eigensteifheit größer als die Eigensteifheit des Materials des Innenrohres (2) ist.
10. 10. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus umweltbeständigem Stahl und das Innenrohr (2) aus Konstruktionsstahl besteht.
11. 11. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus verstärktem Kompositkunststoff besteht.
12. 12. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere Schaberbalken, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus einem Kohlefaserverbundstoff und das Innenrohr (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht. 9/13 österreichisches Patentamt AT506 514B1 2013-03-15
13. 13. Balkenkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere Schaberbalken, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (1) aus einem Glasfaserverbundstoff oder einem Aramidfaserverbundstoff besteht.
14. 14. Verfahren zur Herstellung einer Balkenkonstruktion, mit der eine kontrollierte Biegung des Balkens verwirklicht werden kann, bei welchem Verfahren: - zwei Endtragorgane (10) hergestellt werden, - ein Innenrohr (2) hergestellt wird, das mit seinen beiden Enden an den Endtragorganen (10) angeordnet wird, - ein Außenmantel (1) hergestellt wird, der um das Innenrohr (2) herum und an den Endtragorganen (10) angeordnet wird, und - der Außenmantel (1) mittels zumindest eines Stützorgans (3; 7, 8, 9) am Innenrohr (2) abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Innenrohrs (2) und des Außenmantels (1) das in der Balkenkonstruktion angeordnete Innenrohr (2) mit einer größeren Biegesteifheit als der Außenmantel (1) dimensioniert wird. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 10/13