CN102348969B - 确定连续材料幅的弹性模量 - Google Patents

Abstract

一种用于确定连续材料幅的弹性模量的方法和设备，在该方法中，连续材料幅(4)在由电动机驱动器驱动的轧辊(2)上运行。该方法包括如下步骤：确定材料幅速度v₂；通过电动机驱动器提供连续材料幅的可调整特性的改变，该特性为材料幅张力T、作用于材料幅的扭矩M或材料幅速度v₂；基于所确定的材料幅速度v₂和速度改变Δv₂以及扭矩改变ΔM或材料幅张力改变ΔT计算弹性模量E。

Description

确定连续材料幅的弹性模量

技术领域

本发明涉及连续材料幅(web)特别是纸幅的弹性模量的确定。更具体地，本发明涉及在幅在生产设备中移动的同时，从连续材料幅确定弹性模量。

背景技术

通常针对纸、纸板等所确定的性质之一是弹性模量。弹性模量描述了受到张力的材料的可逆性响应，弹性模量可被确定为张力与由伸展导致的延长的比率，伸展发生于线性区域上并且一旦释放牵拉张力就完全倒转。

纸、纸板等的弹性模量对生产设备的运转性和最终产品的质量两者都具有影响。通常，最终产品被给定了弹性模量要满足的特定值或阈值。包装材料的低弹性模量例如意味着材料在包装期间可能会很容易撕破。类似地，对于用于印刷品的纸，打印机的运转性部分取决于弹性模量。

通常，通过成品材料的实验室测量来确定弹性模量。例如，当造纸机已生产了完成的机器轧辊(roll)时，从纸中取样品以在实验室进行测量。测量的结果最好是在从机器轧辊完成起的几小时后获得。如果弹性模量显著偏离目标值，则在最坏的情况下纸的整个机器轧辊会浪费。另外，由于长的延迟，因此，基于实验室测量对生产过程的快速调整显然是不可能的。

所提出的用于弹性模量的在线测量的方法包括测量传感器不与材料幅接触的方法。这些方法之一是基于幅宽度改变的测量的方法。幅宽度测量和数学模型一起允许估计抗张强度比率，从而得出关于生产期间的纸的特性的结论。

另一已知方法是向纸的表面发送高频声学脉冲以及观察频率调制与纸的弹性模量之间的相互关联。

也可基于纤维取向估计纸的抗张强度。

所有上述用于确定纸的弹性模量或抗张强度的方法都需要专门为该目的而设计的测量装置。影响声学测量结果的可靠性的其它方面是复杂的环境和高幅速度。另外，声学测量是以材料幅的点为基础进行的，从而不一定表明整个材料的性质。而基于幅宽度测量的数学模型又要求获得全面的研究材料以得到可靠的模型。

US 6993964公开了一种方法，其中，在两个不同的幅跨度处测量幅速度和紧度，基于这些测量数据确定弹性模量。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许解决上述问题的方法、实现该方法的设备、变频器以及软件产品。本发明的目的通过其特征在于独立权利要求中阐述的内容的方法、设备、变频器以及软件产品来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于如下思想：通过使用从使材料幅运行的电动机驱动器获得的信息，确定材料的弹性模量以及要从弹性模量推出的量。耦合到轧辊的受控电动机驱动器产生关于在轧辊上运行的幅的速度和关于作用于幅的扭矩的数据，基于这些数据计算弹性模量。

本发明的方法和布置的优点是其为实现测量布置提供的简单性。可在材料幅上不需要任何测量装置的情况下测量弹性模量。因此，既不需要安装测量装置，也不需要其维护服务。另外，当针对该目的安装的传感器等损坏时，无法确定弹性模量。

在生产过程、后处理期间以及在最终产品中，可以各种方式利用在线测量的弹性模量。

附图说明

以下，将参照优选实施例和附图更详细地描述本发明，其中：

图1是由电动机驱动器控制的材料幅的示意图；以及

图2是张力-延长曲线的示例。

具体实施方式

图1是在用于所讨论的材料的制造机器中的连续材料幅的示意图。该连续材料幅的示例是造纸机中的纸幅。图1示出了纸幅4如何在三个轧辊1、2、3上行进。该图举例示出了电动机驱动器如何控制轧辊2，该电动机驱动器包括电动机5和馈给电动机的变频器或类似装置6。电动机5的转动轴经由齿轮箱7耦合到用于以期望的方式旋转轧辊的轧辊轴。要注意，齿轮箱不是必须的，允许电动机转动轴直接耦合到轧辊。电动机可以是任何类型的电动机，诸如感应电动机或同步电动机。图1没有示出其它轧辊的电动机驱动器。

可由现代的变频器或类似的控制装置以各种方式控制使轧辊旋转的电动机。控制例如可以实现为速度控制，同时将幅维持在期望的张力下。通常在如下情形下进行控制：电动机之一产生期望的幅速度，并且通过扭矩控制来控制经由纸幅与该电动机连接的电动机，以实现和维持期望的张力。在扭矩与幅张力之间存在线性相关，这是由于作用于幅宽度的力是幅张力，扭矩又是轧辊半径与幅力的乘积。

在材料幅在处于静止状态的两个支撑辊(holding roll)之间行进的情形下，可通过下式确定图1的轧辊1和2之间的相对延长：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{v_2-v_1}{v1}.---\left(1\right)$

在静止状态中，当v₁是常数并且基本等于v₂时，速度v₂的改变Δv₂引起延长的改变：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_2}{v_2},---\left(2\right)$

由于对于小的延长和延长的小改变张力与延长的比率是基本线性的，因此可适用胡克定律：

σ＝Eε，    (3)

其将张力σ定义为弹性模量E与延长ε的乘积。另一方面，张力可被确定为幅力与垂直于该力的幅表面积的比率：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A}.---\left(4\right)$

由于表面积A是纸幅高度h、即厚度，与宽度l的乘积，并且幅张力T是幅力F与幅宽度l的比率，因此由式(4)可进一步得到：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{\mathrm{lh}}=\frac{T}{h},---\left(5\right)$

从式(3)和(5)可以获得以下注解：

$\mathrm{E\ϵ}=\frac{T}{h}---\left(6\right)$

并且此外：

$\mathrm{E\Δ\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{h}.---\left(7\right)$

当改变较小时，由于张力的改变与延长的改变的比率是线性的，因此式(7)是有效的。

通过将式(2)代入式(7)中，我们获得：

$E\frac{\mathrm{\Δ}{v}_2}{v_2}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{h}.---\left(8\right)$

将轧辊半径r和可能的齿轮箱传动比i纳入考虑，电动机的扭矩M的改变ΔM可如下表示：

$\mathrm{\Δ}{M}_2=\frac{\mathrm{\ΔFr}}{i}=\frac{2\mathrm{\ΔTlr}}{i},---\left(9\right)$

根据上式(9)，张力的改变则可如下计算：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δ}{M}_{2}i}{2\mathrm{lr}}---\left(10\right)$

此外，根据式(8)求解弹性模量E，并且将式(10)代入该解中：

$E=\frac{\mathrm{\ΔT}{v}_2}{\mathrm{h\Δ}{v}_2}=\frac{\mathrm{\Δ}{M}_2{\mathrm{iv}}_2}{\mathrm{h\Δ}{v}_{2}2\mathrm{lr}},---\left(11\right)$

从上式(11)我们看出，可以使用扭矩改变、幅速度和幅速度改变以及已知的参数确定弹性模量的值。扭矩改变、幅速度以及幅速度改变是从变频器直接获得的，变频器控制耦合到轧辊的电动机。类似地，式(11)中的齿轮箱传动比i和轧辊半径r可存储在变频器等的存储器中。纸幅厚度h和宽度l会变化，并且这些值可基于使用期间进行的测量而存储或者可存储作为已知参数。

根据本发明，确定材料幅速度v₂，并且通过电动机驱动器将改变引入到材料幅的可调整性质中。这些可调整的性质包括材料幅张力、作用于材料幅的扭矩以及材料幅速度。

此外，根据本发明，基于所确定的材料幅速度和速度改变以及基于扭矩改变或材料幅张力的改变计算弹性模量。在上式中，材料幅速度被改变。这种改变可直接通过指示电动机改变幅速度来实现。如式中所表示的，幅速度的这种改变影响轧辊上的扭矩。要注意，作用扭矩可被认为是作用于材料幅的扭矩或者由材料幅在轧辊上引起的扭矩。尽管不同地解释，但是这些扭矩在幅值上是相等的。

如上所述，所引起的速度改变导致扭矩的改变。这些改变以及包括在幅速度和驱动器中的参数允许计算弹性模量的幅值。

类似地，轧辊使材料幅受到的扭矩或张力也可改变。这种改变进而不可避免地导致相应轧辊的改变。式(11)示出了作为张力改变ΔT和扭矩改变ΔM的函数的弹性模量。例如当经张力调整后的材料幅的张力被改变以便计算弹性模量时，张力的改变的使用是优选的。在该情况下，原来的幅速度、由张力改变导致的幅速度的改变以及张力的改变可应用于式(11)，以通过还将材料幅的厚度纳入考虑来计算弹性模量值。

如上所用的术语“速度”指的是材料幅的速度。该速度以已知的线性方式与电动机的角速度相关，这意味着如果期望，则可应用电动机角速度来取代幅速度。现代的变频器能够内部确定电动机产生的扭矩的幅值或电动机施加的扭矩的幅值以及幅速度或角速度。如上所述，幅张力的确定基于扭矩的确定，因此所有要在本发明的方法中确定的量对变频器的控制单元来说是直接已知的。这些量可按照原样传递到单独的计算单元并且从此处到达更高层级的控制系统，诸如控制驱动器的自动化系统。变频器本身也可被布置成执行用于确定弹性模量的必要计算。在这些情况下，变频器将算出的弹性模量值传送到更高的层级。

以上，驱动轧辊的设备已被特别称为变频器与感应电动机或同步电动机的组合。用于实现本发明的方法的相应功能性也可由直流电动机和驱动电动机的设备来提供。

当材料幅处于静止状态时，可以特定定时间隔执行根据本发明确定弹性模量。还可想到，例如，通过为执行确定的轧辊提供速度指令的微小变化来连续地确定弹性模量。为了弹性模量确定的精确性，重要的是，确定弹性模量所在的轧辊是支撑辊。这意味着轧辊的表面速度和幅速度必须尽可能精确地彼此对应，以防止材料幅在轧辊上滑动。

本发明的方法允许基于弹性模量估算材料幅的工作点。如图2所示，弹性模量是可针对材料形成的张力-延长曲线的角系数。在低延长值的范围内，材料的角系数相对高。随着角系数变小，材料幅的张力、即幅力的同样改变增加了延长。当幅力进一步增加时，达到材料幅的断裂点，即超过了材料的抗断裂性能。在该点之前，曲线的角系数、即其弹性模量为小，因而本发明的方法允许推出材料幅的张力对使幅断裂有威胁的情形。当角系数显著较小时，该信息可被直接应用于通过降低张力指令等来调整幅。

制造纸或类似材料的典型情形发生于线性的张力-延长曲线区域中，其中，要由该方法计算的弹性模量的幅值基本上不变化。当观察到弹性模量的减小时，材料的张力已大大改变，而质量保持不变。这允许改进用于制造纸等的机器的运转性和诊断。

此外，当要诊断幅断裂的原因时，在材料生产期间根据本发明的方法确定的弹性模量提供了增加的值。当在线性的张力-延长曲线区域上驱动标准质量的材料时，材料的弹性模量的不期望变化会导致材料运转性的问题。记录根据本发明确定的弹性模量值使得甚至能够检测与生产设备的上游端处的过程干扰的关联。特别地，如果弹性模量表现出循环变化的改变，则可以基于周期来定位生产设备的操作中的问题。

可通过在成品材料边缘上标记或者通过使用电记录装置，在完成的机器轧辊上指示通过本发明的方法确定的弹性模量值或者与被认为正常的弹性模量值的偏离。这些标记允许从要进一步处理材料的装置移除被定义为不合格品的材料。

本发明的设备包括用于确定材料幅的速度的装置，设备的电动机驱动器被布置成提供连续材料幅的可调整性质的改变，该性质为材料幅张力、作用于材料幅的扭矩或者材料幅速度。该设备还被布置成基于所确定的材料幅速度和速度的改变以及扭矩的改变或材料幅张力的改变而计算弹性模量。这些装置可通过电动机驱动器来实现，电动机驱动器具有用于执行必要计算的计算能力以及用于将计算中的必要参数纳入考虑的可读存储器。计算能力也可位于控制系统中，控制系统可接收来自过程的测量数据和变频器产生的数据。

本发明可以集中或分布方式在现有系统中实现或者可通过使用单独的元件和装置来实现。诸如电动机驱动器的现有装置通常包括可用于实现本发明的实施例的功能的处理器和存储器。因此，实现本发明的实施例所需的所有改变和配置可通过软件例程来执行，该软件例程又可被实现为增加的或更新的软件例程。如果本发明的功能通过软件来实现，则软件可被提供为包括计算机程序代码的计算机程序产品，当该计算机程序代码在计算机上运行时，使得计算机或类似设备执行如上所述的本发明的功能。计算机程序代码可存储在诸如适当的存储器装置的计算机可读介质(例如闪存)上或存储在盘存储器上，可从计算机可读介质或盘存储器将计算机程序代码读取到执行程序代码的一个或多个单元中。另外，程序代码可通过适当的数据网络加载到执行程序代码的一个或多个单元，并且该程序代码可替代或更新可能已有的程序代码。

本领域技术人员将发现明显的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式来实现。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于确定连续材料幅的弹性模量的方法，在所述方法中，所述连续材料幅(4)在电动机驱动器控制的轧辊(2)上运行，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

使用所述电动机驱动器的变频器确定材料幅速度v₂，

利用所述电动机驱动器为所述连续材料幅的可控性质提供改变，所述可控性质为材料幅张力T、作用于所述材料幅的扭矩M或材料幅速度v₂，

利用所述电动机驱动器的所述变频器确定由所述驱动器提供给所述可控性质的改变导致的材料幅速度改变，

利用所述电动机驱动器的所述变频器确定由所述驱动器提供给所述可控性质的改变导致的扭矩改变或材料幅张力的改变，

基于所确定的材料幅速度v₂和速度改变Δv₂连同所述扭矩改变ΔM或材料幅张力的改变ΔT，计算弹性模量E。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

使用所述电动机驱动器提供所述材料幅速度v₂的改变，

确定速度改变之前和之后的扭矩以提供扭矩改变ΔM，以及

基于材料幅速度v₂、以及所提供的材料幅速度改变Δv₂和由所述材料幅速度改变导致的扭矩改变ΔM，计算弹性模量E。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

使用所述电动机驱动器来提供材料幅张力T的改变，

确定由材料幅张力改变ΔT导致的材料幅速度改变Δv₂，以及

基于材料幅速度v₂、以及所提供的材料幅张力的改变ΔT和由所述材料幅张力的改变导致的所述材料幅速度改变Δv₂，计算弹性模量E。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

使用所述电动机驱动器来提供作用于所述材料幅的扭矩M的改变；

确定由扭矩改变ΔM导致的材料幅速度改变Δv₂，以及

基于材料幅速度v₂和所提供的材料幅扭矩改变ΔM以及由所述材料幅扭矩的改变导致的所述材料幅速度改变Δv₂，计算弹性模量E。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述电动机驱动器中确定所述材料幅速度和作用于所述材料幅的扭矩。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：对通过不同测量确定的弹性模量值的幅值进行比较，以及

当观察到弹性模量的减小时，减小所述材料幅张力。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述电动机驱动器中确定所述弹性模量。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电动机驱动器将确定所述弹性模量所需的数据传送到确定所述弹性模量的更高层级。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述弹性模量的计算还包括使用幅厚度、幅宽度和要驱动的轧辊的半径、以及在存在的情况下的所述电动机与所述轧辊之间的齿轮传动比。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电动机驱动器中的电动机是交流电动机或直流电动机。

11.一种用于确定连续材料幅的弹性模量的设备，所述材料幅在被布置成由电动机驱动器驱动的轧辊上运行，其特征在于，所述电动机驱动器包括被布置成确定所述材料幅的速度的变频器；以及

所述电动机驱动器被布置成为所述连续材料幅的可控性质提供改变，所述可控性质为材料幅张力、作用于所述材料幅的扭矩或材料幅速度，

所述电动机驱动器的所述变频器被布置成确定由所述驱动器提供给所述可控性质的改变导致的材料幅速度改变，

所述电动机驱动器的所述变频器被布置成确定由所述驱动器提供给所述可控性质的改变导致的扭矩改变或者材料幅张力的改变，

所述设备被配置成基于所确定的材料幅速度和所述速度的改变连同扭矩的改变或材料幅张力的改变，计算所述弹性模量。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述电动机驱动器中的电动机是交流电动机或直流电动机。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述变频器被布置以控制所述连续材料幅在其上运行的轧辊，所述变频器被配置成被驱动以便提供所述材料幅的可控性质的改变以及计算弹性模量。

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