Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Zugspannung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Zugspannung in band- oder drahtförmi gern, die Strecke zwischen zwei Transportrollen durchlaufendem Material, unter Rekuperation der Bremsenergie, wobei mit der, in Laufrichtung gesehen, ersten Transportrolle eine hydrostatische Pumpe verbunden ist, deren ölstrom einen mit der zweiten Transportrolle verbundenen hydrostatischen Motor mit kontrolliertem Druck beaufschlagt.
Der Ausdruck Transportrolle mag als Sammelbegriff für jede Art Rotationskörper gelten, dessen Umfangsgeschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit des ihn mehr oder weniger umschlingenden Materials ist.
Der Erfindungsgegenstand ist nachfolgend in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 die Vorrichtung, bei welcher sowohl die Durchmesser der Transportrollen als auch der Druck konstant bleiben,
Fig. 2 die Vorrichtung, bei welcher der Durchmesser einer Transportrolle sich ändert, der Druck aber konstant bleibt,
Fig. 3 die Vorrichtung, bei welcher sich der Durchmesser einer Transportrolle und der Druck proportional verändern.
In der durch Pfeile gekennzeichneten Bewegungsrichtung, also von links nach rechts, ist es zuerst die Transportrolle 1 und dann die Transportrolle 2, welche das band- oder drahtförmige Material 3 durchläuft.
Mit der ersten Rolle 1 ist eine hydrostatische Pumpe 4 und mit der zweiten Rolle 2 ein hydrostatischer Motor 5 verbunden, etwa mittels einer Kupplung oder über Kette bzw. Zahnräder. Dargestellt sind Flügelpumpe und Flügelmotor, doch genau so gut können Axialkolben- bzw.
Radialkolbensysteme Verwendung finden.
Die rechte Seite der Pumpe und die linke Seite des Motors sind über eine Druckleitung 6 miteinander verbunden. Der in dieser Leitung herrschende Öldruck kann durch das Manometer 7 kontrolliert werden. Drucklose Leitungen verbinden die linke Pumpenseite sowie die rechte Motorseite mit dem öl-Vorratsbehälter 8, der nur in Fig. 1 gezeichnet ist.
Um in der Druckleitung 6 einen definierten Öldruck zu erzeugen, sind, wie auch nur in Fig. 1 dargestellt, eine Zahnradpumpe 9 und ein einstellbares Überdruckventil 10 vorgesehen. Die Kompression der Feder in diesem Ventil bestimmt den Druck, bei dessen Auftreten der Öl überschuss in den Behälter 8 abfliesst. Solange ein solches Abfliessen stattfindet, bleibt der gewünschte Druck in der Leitung 6 konstant.
Die grundsätzliche Funktion der Vorrichtung wird jetzt anhand der Fig. 1 beschrieben.
Sobald bei noch unbewegtem, die Transportrollen 1 und 2 jedoch bereits umschlingenden Material 3 die Zahnradpumpe 9 mittels eines nicht dargestellten Elektromotors zum laufen gebracht wird und Öl aus dem Behälter 8 in die Leitung 6 fördert, baut sich in dieser je nach dem Kompressionsgrad der Feder des Ventils 10 ein definierter Öldruck auf, welcher gleichermassen auf die rechte Seite der Pumpe 4 und die linke Seite des Motors 5 einwirkt.
Unter seinem Einfluss verstellen sich einerseits die Pumpe 4 und damit auch die Transportrolle 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, andererseits der Motor 5 und damit auch die Transportrolle 2 im Uhrzeingersinn, wodurch das Material 3 gespannt wird. Es bildet sich zwischen dem öldruck und der Zugkraft im Material ein Gleichgewichtszustand aus, wobei das gegenseitige Verhältnis durch das von den Hydro-Einheiten erzeugte Drehmoment bestimmt ist.
Soll das Material bei diesem Vorgang im Stillstand verharren, so müssen die an den Transportrollen 1 und 2 erzeugten Umfangskräfte gleich sein. Sie sind es, wenn das Drehmoment jeder Hydro-Einheit dem Durchmesser der ihr zugeordneten Transportrolle proportional bleibt.
Weil die Durchmesser der beiden Transportrollen 1 und 2 gemäss Fig. 1 gleich gross sind, müssen also bei direkter Kupplung mit den Hydro-Einheiten deren Drehmomente gleich sein. Würde aber beispielsweise der Motor 5 auf die Rolle 2 über ein Zahnradpaar mit einer Übersetzung ins Langsame von 1: 2 treiben, während Pumpe 4 mit der Rolle 1 direkt gekuppelt bliebe, so müsste das Motordrehmament dem halben Pumpenmoment gleich sein.
Die so erzeugte Zugkraft im Material 3 versetzt letzteres noch nicht in Bewegung. Das ganze entstandene
System lässt sich bei weitreichender Analogie mit einem auf zwei Scheiben unter beliebig grosser Vorspannung aufgezogenen endlosen Riemen vergleichen, wobei der eine Trum dem Material 3 und der andere der in Leitung
6 unter Druck stehenden Ölsäure entsprechen.
Auch ein solcher Riemen kann nicht von selbst laufen, weil sich die Zugkräfte gegenseitig aufheben, so dass man die eine oder die andere Scheibe antreiben muss, um ihn zum laufen zu bringen. Dabei ist die Leistung auch bei grösster Spannung im Riemen gering, weil sie lediglich Reibungsverluste zu decken hat, und zwar unabhängig von der Laufrichtung.
Ähnlich sind die Verhältnisse bei der Vorrichtung gemäss Erfindung. Der Antrieb, zB. mittels Elektromotor, kann auf eine der beiden Transportrollen 1 oder 2 wirken und braucht auch nur Reibungsverluste zu decken.
Sobald sich das Material 3 in Bewegung setzt, beginnt auch das Öl in der Druckleitung 6 zu fliessen, und zwar von der Pumpe zum Motor. Indem die Pumpe 4 durch das Material selbst gegen den öldruck angetrieben wird, gibt sie über den ölstrom die aufgebrachte Arbeit an den Motor 5 ab, was einer Rekuperation der Bremsenergie gleichkommt
Schaltet man den Antriebsdrehsinn um, so ändert sich mit der Laufrichtung des Materials auch die Flussrichtung des Öles. Dabei wird die Hydro-Einheit 5 zur Pumpe und die Einheit 4 zum Motor.
Für den Vorschub des Materials 3 kann auch eine separate Förderwalze eingebaut werden, beispielsweise zwischen die Transportrollen 1 und 2. Zweckmässigerweise wird man den Antrieb dort angreifen lassen, wo erhöhte Belastungen vorhanden sind. Wenn eine der Transportrollen 1 oder 2 nicht nur dem Materialvorschub dient, sondern noch andere Funktionen zu erfüllen hat, die Leistung beanspruchen, wie bedrucken, bestreichen, trocknen, kaschieren usw., so muss gerade diese Rolle angetrieben werden, weil sonst unkontrollierte und übermässig grosse Zugspannungen im Material auftreten würden.
Neben Aufbau des Öldruckes hat die Zahnradpumpe 9 auch noch die Aufgabe, Leckverluste der Hydro
Einheiten 4 und 5 zu decken. Ist das Material 3 dehnbar, so muss diese Pumpe gross genug sein, um dem Motor 5 eine Voreilung gegenüber der Pumpe 4 zu erteilen, und zwar im Betrage der Materialdehnung. Dieser Betrag kommt zum Ölstrom hinzu, mit dem die Pumpe 4 den Motor 5 beaufschlagt und der allein ein Mass für die rekuperierte Bremsenergie der Pumpe darstellt.
Die pro Umdrehung der Pumpe gelieferte Ölmenge wird üblicherweise als < < Fördervolumen > > und die pro Umdrehung des Motors verarbeitete als < < Schluckvolu- men bezeichnet. Bei konstentem Druck als Parameter stehen diese Volumina bekanntlich im linearen Verhältnis zum Drehmoment der betreffenden Hydro-Einheit. Wenn also vorstehend ermittelt wurde, dass das Drehmoment einer Hydro-Einheit dem Durchmesser der ihr zugeordneten Transportrolle proportional bleiben soll, so kann diese Bedingung auch so ausgedrückt werden, dass bei Konstanthaltung des Druckes das Fördervolumen der Pumpe bzw. das Schluckvolumen des Motors im proportionalen Verhältnis zum jeweiligen Durchmesser der ihnen zugeordneten Transportrolle stehen sollen.
Bei dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Flügelsystem der Hydro-Einheiten können besagte Volumina durch die Exzentrizität e zwischen dem Flügelrotor 11 und dem Leitzylinder 12 verändert werden. Wenn die mit dem Leitzylinder 12 verbundene Stange 13 nach unten gezogen wird, so verkleinert sich < < e > > und damit das Förder- oder Schluckvolumen, wird sie nach oben verstellt, so findet eine Vergrösserung dieser Werte statt.
Fallen die Mittelpunkte des Rotors 11 und des Zylinders
12 zusammen, so wird e = o und die Pumpe kann nichts mehr fördern bzw. der Motor nichts mehr verarbeiten.
Bei Axialkolben-Systemen wird die Volumenänderung durch Schwenkung des Zylinderkopfes, bei Radialkolben-Systemen durch analoge Beeinflussungen des Kolbenhubes herbeigeführt.
Solche volumetrische Regelungen sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dank gleichbleibender Durchmesser der Rollen 1 und 2 nicht erforderlich. Sollte sich der Durchmesser einer der Rollen gelegentlich ändern, wie es z.B. bei den sogenannten < < Formatwalzen > > einer Druckmaschine vorkommt, so könnte die Anpassung mittels umsteckbarer Zahnräder erfolgen.
Anders ist es, wenn der Durchmesser sich kontinuier- lich verändert, wie etwa bei Abwickel- oder Aufwickelprozessen, auf welche sich die Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 und Fig. 3 beziehen. Hier ist eine der Transportrollen 1 oder 2 der abzuwickelnde oder aufzuwickelnde Materialballen.
Nach der mit Pfeilen angedeuteten Materialrichtung zu urteilen handelt es sich bei Fig. 2 um eine abzuwickelnde Transporttrolle 1 und bei Fig. 3 um eine aufzuwickelnde Transporttrolle 2. In beiden Fällen soll mittels eines Elektromotors 14 die komplementäre Rolle, deren Durchmesser konstant bleibt, angetrieben werden, d.h. die Transporttrolle 2 in Fig. 2 und die Transporttrolle 1 in Fig. 3.
Zur Durchführung der volumetrischen Regelung der Pumpe 4 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein Servomotor 15 eingesetzt, der über ein Zahnradpaar die, hier mit einem Gewinde versehene, Stange 13 verstellt, während diese Aufgabe im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 von einem hydraulischen Kolben 16 übernommen wird.
Er verstellt, unter Überwindung der durch die Druckfeder 17 ausgeübten Gegenkraft, den Hebel 18 in Richtung der Exzentrizitäts-Verminderung, d.h. Verkleinerung des Fördervolumens.
Die Funktionsabläufe sind die folgenden:
In Fig. 2 ist vor Arbeitsbeginn der Durchmesser der abzuwickelnden Rolle 1 am grössten. Deswegen muss gemäss verstebenden Erläuterungen auch das Fördervolumen der dieser Rolle zugeordneten Pumpe 4 am grössten sein. Sie wurde somit zur Durchführung des Abwickelprozesses vorgängig über den Servomotor 15 auf den maximalen < < e > > -Wert gestellt.
Sobald der Elektromotor 14 die Transportrolle 2 zu treiben beginnt, setzt das Material 3 die Rolle 1 und damit auch die Pumpe 4 in Bewegung. Diese beaufschlagt mit dem geförderten Öl den Hydromotor 5 und erzeugt einen Druck in der Verbindungsleitung 6, der am Manometer 7 abgelesen wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist letzteres als Kontakt-Manometer ausgebildet, welches mittels eines zweiten Zeigers denjenigen Druckwert einzustellen gestattet, bei welchem ein elektrisches Signal gegeben wird.
Haben sich einige wenige Materiallagen abgewickelt, wodurch der Rollendurchmesser kleiner wurde, so sind Drehzahl und Fördermenge der Pumpe 4 angesichts der durch die Transportrolle 2 diktierten und konstant gebliebenen Materialgeschwindigkeit ein wenig angestiegen. Da aber der Hydromotor 5 diese erhöhte Ölmenge nicht schlucken kann, steigt der Druck am Manometer 7 über den eingestellten Wert hinaus an und erzeugt ein elektrisches Signal, wodurch der Servomotor 15 eingeschaltet wird. Dieser verstellt nun die Stange 13 im Sinne einer Verkleinerung der Exzentrizität e und somit des Fördervolumens der Pumpe 4, bis der Druck wieder absinkt.
Dieses Spiel wiederholt sich in kurzen Abständen während des ganzen Abwickelvorganges, d.h. bis die Transportrolle 1 ihren kleinsten Durchmesser erreicht hat.
Dabei bleibt der Druck praktisch konstant und die Proportionalität zwischen dem Rollendurchmesser und dem Fördervolumen der Pumpe gewahrt.
Würde man jetzt den Drehsinn sowohl beim Antriebsmotor 14 als auch beim Servomotor 15 umkehren, so könnte man das Material 3 auf die Rolle 1 wieder aufwickeln. Die Laufrichtung des Materials 3 kehrt sich um und deswegen wird die Transportrolle 2 zur ersten durchlaufenden Rolle. Also verwandelt sich die Hydro-Einheit 5 in eine Pumpe und die Hydro-Einheit 4 in einen Motor, der jetzt von der Pumpe 5 beaufschlagt wird. Damit er die angelieferte Ölmenge bei der hohen Drehzahl schluckt, die durch den kleinen Anfangsdurchmesser der aufzuwickelnden Rolle 1 verlangt ist, müssen sein Schluckvolumen und Exzentrizität bei Beginn des Aufwickelvorganges am kleinsten sein.
Nach einigen aufgewickelten Materiallagen fällt die Motordrehzahl infolge des angewachsenen Wickeldurchmessers etwas ab und der Druck steigt über den eingestellten Sollwert an, weil der Motor 4 jetzt die kontant gebliebene Ölmenge nicht mehr verarbeiten kann. Die Folge davon ist ein elektrisches Einschalt-Signal für den Servomotor 15, der die Stange 13 jetzt im Sinne einer Vergrösserung von e verstellt, nachdem ja sein Drehsinn ver ändert wurde. Damit sinkt der Druck unter den Sollwert und schaltet den Servomotor wieder ab.
In kurzen Abständen wiederholt sich dieses Spiel, bis der Wickeldurchmesser und die Exzentrizität < < e > > ihre grössten Werte erreicht haben. Der Druck aber ist während des gesamten Prozesses praktisch konstant geblieben.
Allerdings ist einem derartigen Aufwickelbelrich eine Grenze durch das Verhältnis des grössten Wickeldurchmessers zum kleinsten Wickeldurchmesser gezogen: während eine als Pumpe arbeitende Hydro-Einheit eine beliebige Verkleinerung von < < e > > selbst bis zum Wert Null, zulässt, verträgt die als Motor arbeitende Einheit nur eine Verminderung bis zu etwa Ä des Maximalwertes von e , weil darüber hinaus die Verklemmungs-Gefahr auftreten kann. In Fig. 2 ist deshalb dieses Durchmesser-Verhältnis mit etwa 2,5 :1 dargestellt.
Soll dagegen nach der Lehre der Erfindung bis zu einem Durchmesser aufgewickelt werden, der weit mehr als dem dreifachen Anfangsdurchmesser entspricht, dann muss gemäss Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vorgegangen werden.
Hier ist die hydrostatische Pumpe 4 mit einer sogenannten < < Nullhubregelgelung > > ausgestattet, während der Wickelmotor 5 mit unveränderlicher Exzentrizität < < e > > arbeitet.
Solange der Druck in der Verbindungsleitung 6 den anfänglichen Kleinstwert nicht überschreitet, vermag der an diese Leitung angeschlossene hydraulische Kolben 16 die entgegenwirkende Kraft der Druckfeder 17 nicht zu überwinden, durch die der Hebelarm 18 nach unten und die Stange 13 bis zum Anschlag nach oben gedrückt werden, was einem Maximalwert der Exzentrizität e bzw.
dem grössten Fördervolumen der Pumpe 4 entspricht.
Mit dieser Einstellung beginnt der Aufwickelprozess, denn der nicht regelbare Motor 5 benötigt in diesem Stadium die grösste Ölmenge, um auf die hohe, durch den kleinen Anfangs-Wickeldurchmesser bedingte Drehzahl zu kommen, allerdings bei entsprechend niedrigem Druck.
Nach erfolgter Aufwicklung einiger Materiallagen ist der Wickeldurchmesser angestiegen und die Motordrehzahl zwangsläufig abgefallen. I Dadurch wurde das Schluckvermögen des Motors 5 herabgesetzt, so dass der Druck in der Verbindungsleitung 6 angestiegen ist und der Kolben 16 in die Lage versetzt wurde, den Hebelarm 18 anzuheben, d.h. das Fördervolumen der Pumpe 4 zu verkleinern, um es dem neuen Schluckvermögen des Motors 5 wieder anzupassen.
Der sich auf diese Weise stetig erhöhende Druck muss dabei dem anwachsenden Wickeldurchmesser linear folgen. Diese Forderung kann durch Anpassung der Kennlinie für die Feder 17 erfüllt werden, also durch den Verlauf der Beziehung zwischen Kraft und Weg dieser Feder.
Es ist z.B. bekannt, die besagte Kennlinie mittels einiger ineinander geschachtelter Federn mit verschiedenen Charakteristeristiken dem erstrebten Verlauf weitgehend anzugleichen. Dann wächst auch das Drehmoment des ungeregelten Motors 5 linear zum Wickeldurchmesser, so dass die Zugspannung im Material 3 konstant bleibt.
Was das Fördervolumen der Pumpe 4 angeht, so stellt es sich zwangsläufig in ein umgekehrt proportionales Verhältnis zum Durchmesser der dem Motor 5 zugeordneten Transportrolle 2 ein, weil ja auch Drehzahl und Schluckvermögen dieses Motors das gleiche Verhalten aufweisen.
Über die beschriebenen Beispiele hinaus sind auch Ausführungen denkbar mit unterschiedlichen Umfangskräften an den beiden Transportrollen 1 und 2, um zusätzliche Reibungskräfte zu überwinden oder das Material 3 auch ohne Hinzuziehung einer fremden Kraft zu bewegen. Allerdings müsste hierzu eine leistungsfähigere Zahnradpumpe 9 zur Verfügung stehen.
Alle vorstehend beschriebenen Mittel zur Einstellung und Regelung von Druck und Ölmenge sind an sich bekannt. Es stehen auch weitere bekannte Mittel für diese Zwecke zur Verfügung.
Die erfinderische Neuheit besteht in dem durch zwei hydrostatische Einheiten gebildeten Spreizpaar zur verlustlosen Aufrechterhaltung einer Zugspannung im bandund drahtförmigen Material, wie Papier, Walzgut, Folie, Gewebe, Kabel usw.
Meistens wurden bisher zur Erreichung des gleichen Zweckes elektrische Maschinen verwendet, von denen die eine als Generator und die andere als Motor arbeiten.
Eine solche Lösung bedingt aber einen erheblichen Aufwand an Speise-, Schalt- und Regelgeräten. insbesondere wenn die gewünschte Zugspannung im Material sowohl während des Stillstandes, als auch bei Änderung der Laufrichtung erhalten bleiben soll, weil dann zur Rekuperation sogenannte 4-Quadranten-Thyristorgeräte erforderlich werden. Mechanische Lösungen verlangen dagegen Verbindungswellen oder -ketten sowie stufenlos verstellbare Getriebe mit Rutschkupplungen und Servo-Mechanismen.
Demgegenüber ermöglicht der Erfindungsgegenstand besonders einfache u. übersichtliche Regelsysteme, bei denen ein hohes Mass an Betriebssicherheit erreicht wird.