CN103635629A - 用于工业辊的压合部宽度检测方法和系统 - Google Patents

用于工业辊的压合部宽度检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种确定由工业辊和配对结构形成的压合部的宽度的方法，包括如下步骤：提供工业辊，该工业辊具有圆柱形芯部和围绕芯部的聚合物覆盖护套，工业辊还包括安装到辊中的多个压力传感器（选择性地绕辊的纵向轴线按螺旋线图案分布在辊上）；将工业辊定位成与配对结构相接触，以形成压合部；将工业辊转动；在控制器处从多个压力传感器接收压力信号；以及在控制器中，利用来自压力传感器的压力信号，确定在与压力传感器相关联的辊上的各位置处的压合部的宽度。

Description

用于工业辊的压合部宽度检测方法和系统
相关申请
本申请要求来自在2011年6月2日提交的美国临时专利申请61/492,417的利益和优先权，该临时专利申请的公开由此全部包括在里。
技术领域
本发明总体上涉及工业辊，并且更具体地说，涉及用于造纸的各辊。
背景技术
在典型造纸过程中，将纤维质纤维的水浆或悬浮液（称作纸“原料”）进给到编织金属丝和/或合成材料的环形带的上部行程的顶部上，该编织金属丝和/或合成材料在两个或更多个辊之间行进。常常称作“成形织物”的带在其上部行程的上表面上提供造纸表面，该造纸表面作为过滤器操作，以将纸原料的纤维质纤维与水介质分离，由此形成湿润纸幅。水介质由重力或位于织物的上部行程的下表面（即，“机器侧”）上的真空通过成形织物的网孔排出，这些网孔称作排放孔。
在离开成形段之后，纸幅转移到造纸机的按压段，在该按压段处它通过一个或多个压机（常常是辊式压机）的压合部（nip），该一个或多个压机用另一种织物覆盖，该另一种织物典型地称作“压毡”。来自压机的压力从纸幅移除另外的水分；水分移除常常通过压毡的“棉胎”层的存在而增强。纸然后为了进一步的水分移除转移到干燥器段。在干燥之后，纸准备好第二处理和包装。
圆柱形辊典型地被用在造纸机的不同段中，如压机段。这样的辊在所需环境中驻留和操作，在这些所需环境中，它们可暴露于高动态负载和温度以及侵蚀性或腐蚀性化学试剂。作为例子，在典型造纸厂中，辊不仅用来在处理站之间运输纤维幅，而且也在压机段和砑光辊的情况下用来将薄片网状结构（web sheet）本身处理成纸。
典型地，因为驻留在造纸机内的不同位置中的辊需要执行不同功能，认为在造纸中使用的辊按照定位在造纸机内的方式而建造。因为造纸辊可具有多种不同的性能要求，并且因为更换整个金属辊可能十分昂贵，所以多种造纸辊包括聚合物覆盖护套，该聚合物覆盖护套包围典型金属芯部的圆周表面。通过改变覆盖护套中采用的材料，覆盖护套设计者可按照造纸用途要求而提供具有不同性能特性的辊。而且，修理、重新磨削或更换金属辊上的覆盖护套可显著地比更换整个金属辊便宜。用于覆盖护套的示例性聚合物材料包括天然橡胶和合成橡胶，所述合成橡胶例如为氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯（SBR）、腈橡胶、氯磺化聚乙烯（“CSPE”-在商标名
Figure BDA0000427815890000021
下由DuPont也是已知的）、EDPM（给予由乙烯-丙烯二烯单体形成的乙烯-丙烯三元共聚物的名称）、聚氨酯、热固性复合物以及热塑性复合物。
在多种情况下，辊覆盖护套将包括至少两个不同的层：基础层，它覆盖在芯部上面，并且提供对芯部的粘合；和顶部材料层，它覆盖在基础层上并粘合到基础层上，并且用作辊的外表面（一些辊也将包括一个或多个中间“结合”层，该一个或多个中间“结合”层由基础层和顶部材料层夹持）。用于这些材料的层典型地选择成为覆盖护套提供用于操作的规定的一系列物理性能。这些性能可包括所需的强度、弹性模量以及对升高温度、水以及苛性化学制品的耐受性，以便承受造纸环境。另外，覆盖护套典型地设计成具有预定的表面硬度，该预定的表面硬度对于覆盖护套要完成的过程是适当的，并且覆盖护套典型地需要纸张从覆盖护套“释放”，而不损坏纸张。而且，为了是经济的，覆盖护套应该是耐磨和耐水的。
因为纸幅通过造纸机输送，所以理解由纸幅经历的压力分布是重要的。压力的变化可影响从纸幅排出的水量，这可影响最终纸张水分含量、厚度以及其它性能。用辊施加的压力的数值因此可影响用造纸机生产的纸的质量。
当两个工业辊咬合在一起时（如在造纸中使用的那些辊），存在有辊之间的接触面积和与这样的接触相关联的应力。接触面积是由压合部宽度和加载的辊的表面长度限定的大致矩形面积。知晓接触应力和压合部宽度对于造纸工是有益的。因而，可能希望的是，提供一种用来确定在造纸或其它工业辊中的压合部宽度的技术，特别是如果这样一种技术容许压合部宽度被测量，而不中断造纸过程。
发明内容
作为第一方面，本发明实施例的目的在于一种确定压合部的宽度的方法，该压合部由工业辊和配对结构形成。该方法包括如下步骤：提供工业辊，该工业辊具有圆柱形芯部和围绕芯部的聚合物覆盖护套，工业辊还包括安装到辊上的多个压力传感器；将工业辊定位成与配对结构相接触，以形成压合部；将工业辊转动；在控制器处从所述多个压力传感器接收压力信号；以及在控制器中，利用来自压力传感器的压力信号，确定在与压力传感器相关联的辊上的各位置处的压合部的宽度。
作为第二方面，本发明实施例的目的在于一种用来确定在两个配对结构之间形成的压合部的宽度的计算机程序产品，这种计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有嵌入在其中的计算机可读程序代码，计算机可读程序代码包括：构造成接收与压力信号相对应的数据的计算机可读程序代码，这些压力信号由多个压力传感器产生，压力传感器安装在转动工业辊中，该转动工业辊具有圆柱形芯部和围绕芯部的聚合物覆盖护套；和构造成利用来自压力传感器的压力信号来确定在与压力传感器相关联的辊上的各位置处的压合部宽度的计算机可读程序代码。
作为第三方面，本发明实施例的目的在于一种用来确定压合部的宽度的系统，该压合部由工业辊和配对结构形成，该系统包括：安装在辊上的多个压力传感器；和控制器，该控制器构造成：（a）从多个压力传感器接收压力信号；和（b）利用来自压力传感器的压力信号来确定在与压力传感器相关联的辊上的各位置处的压合部宽度。
附图说明
图1是根据本发明实施例的压合部宽度检测系统的前视图。
图2是示例性曲线图，该示例性曲线图画出作为用于图1的系统的数据点数的函数的负载。
图3是如在图2中那样的曲线图，示出了加载“漂移”，该加载“漂移”可由在图1的系统的中的传感器经历。
图4是用于根据本发明实施例的图1的系统的示例性操作的流程图。
图5是如在图2和3中那样的曲线图，示出了在图4的操作中采用的半振幅点。
具体实施方式
下文参照附图将更具体地描述本发明。本发明不旨在限于示出的实施例；而是，这些实施例旨在将本发明充分和完全地公开给本领域的技术人员。在附图中，相同的附图标记自始至终指示相同的元件。一些部件的厚度和尺寸为了清楚可能夸大。
为了简洁和/或清楚，可能没有详细地描述熟知的功能或构造。
除非另外定义，这里使用的全部技术和科学术语都具有由本发明所属于的领域的技术人员通常理解的相同意思。在这里本发明的描述中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并且不旨在是本发明的限制。如在本发明的描述和所附权利要求书中使用的那样，单数形式“a”、“an”及“the”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示其它情况。如这里使用的那样，术语“和/或”包括所列的相关联的各项的一个或多个的任一和全部组合。在使用的场合，术语“附接”、“连接”、“互连”、“接触”、“联接”、“安装”、“覆盖”以及类似术语可指在元件之间的直接或间接附接或接触，除非另有说明。
以前在线造纸辊压力测量系统已经通过负载/压力测量而测量在压合部中的接触应力，但没有测量压合部宽度。一种这样的系统在授予Moschel的美国专利No.5,562,027中讨论；另一种系统在授予Moschel等人的美国专利No.5,699,729中讨论。
对于造纸工而言压合部宽度测量的一个好处是能够区分压合部变形的源。压合部由于负载变化或刚度变化可相对于时间而变化。如果峰值应力减小，并且压合部宽度也减小，则线性加载已经减小。这两个变量的同时减小典型地发出线性负载减小的信号。压合部变化也可由于刚度变化而发生。可引起刚度变化的变量包括进入到覆盖护套中的水扩散、覆盖护套厚度变化、毡设计变化、相对于时间的毡致密化以及其它。如果线性负载减小，并且压合部宽度增大，则用户将知道压合部中已经有刚度变化。
识别压合部中的变化源可以帮助造纸工通过将他引导到加载机构源或者到护套源和蒙皮源而控制或补偿这样的变化。峰值应力和压合部宽度尤其是就它们对于纸张致密化（松散）和脱水的影响而言，对于造纸过程典型地非常重要。
压合部宽度数据的另一个好处是，它可便于传感器的校准。随着传感器滚过压合部，传感器信号相对于圆周距离指示应力。在这种响应的曲线图下的面积与线性加载相等效。该测量的线性加载可与已知的线性加载相比较，以校准传感器和提供准确的覆盖护套应力。
根据本发明的实施例，一种收集压合部宽度数据的方法可以采用压力传感器，这些压力传感器嵌在工业辊的覆盖护套中。一种这样的系统采用压电传感器，这些压电传感器绕辊的轴线以螺旋线布置。图1示出了这样一种系统5，该系统5具有：辊10，该辊10具有覆盖护套12；压力传感器20，该压力传感器20完全或部分地嵌在辊覆盖护套12中，并且绕辊10的轴线以单螺旋线布置；电引线22，它们连接各传感器20；信号采集处理器24，该信号采集处理器24安装在辊10的端部上；以及远程显示器26，该远程显示器26从处理器24接收信号（典型地无线地），并且将信号转换成对于显示器有用的（并且典型地可见的）形式。这种类型系统的各个实施例在如下文件中描述，这些文件的每一个由此通过参引全部包括在这里：美国专利公开No.2005/0261115；美国专利No.7,392,715；美国专利No.7,581,456；美国专利公开No.2009/0320612；美国专利No.7,572,214；美国专利公开No.2010/0324856；美国专利公开No.2010/0324856；以及美国专利申请No.13/015,730。其它可能的传感器布置包括线性或其它非螺旋线布置以及具有多串传感器的布置。
如在以上引用的文件中详细讨论的那样，系统5通常以如下方式操作。辊10定位成与另一个配对结构（如图1A所示的另一个辊50、靴式挤压装置或类似物）配合，以形成压合部55，待处理的网状结构（例如，纸幅）穿过该压合部55行进。辊10在处理期间绕其纵向轴线转动，以将网状结构引导通过过压合部。随着辊10转动，每个压力传感器20相继通过压合部55。当通过压合部55时，传感器20经受压合部内的压力，并且产生代表该压力的信号。信号沿引线22行进到处理器24，在该处理器24处它们被处理，然后被中转到显示器26用于显示和解释。如由本领域的技术人员将理解的那样，压力信号的处理的一些或全部可以发生在附接到辊10上的装置（如处理器24）、远离辊10的装置（如显示器26）、或在辊10上和远离辊10的装置的组合中。如这里使用的那样，术语“控制器”旨在包括单个装置或各装置的组合，该单个装置或各装置的组合执行来自传感器20的压力数据的处理，用于随后显示。
而且，本领域的技术人员将认识到，尽管在说明性实施例中想到压电传感器，但也可以采用其它类型的压力传感器，如对于本领域的技术人员已知的光导纤传感器和其它传感器。
因而，如以上提到的那样，传统压力检测系统探测和传输压力数据，这些压力数据由传感器随着它们通过压合部而产生。这样的数据可用曲线呈现，如图2所示，并且压力作为辊的圆周位置的函数而画出（更准确地说，压力作为数据点的数量、或数据样本的函数画出，但系统可基于其样本数量和当取样开始时辊的圆周位置的知悉而确定在辊上的数据点的圆周位置）。
关于由给定传感器产生的这样的压力数据，软件算法可确定何时来自该给定传感器的信号脉冲开始以及何时它停止，并且可使用这种信息来计数在来自该传感器的脉冲中发生的数据样本的数量。通过输入辊的直径和使用辊周期、取样速率以及在脉冲中数据点的数量，可确定压合部宽度。用户界面软件可编程以便产生有用的显示，如相对于轴向位置显示压合部宽度的两维曲线、和其中带颜色的强度通过机器方向曲线指示在轴向尺寸上的压力的等值曲线。
存在以上过程的潜在复杂化。传感器本身不是点压力源，而是具有有限长度。因此，传感器的非零尺寸可具有加长压合部和降低其峰值点的效果。第二种潜在复杂化是，传感器深深地嵌在覆盖护套内，但影响造纸过程的参数是在覆盖护套的表面处的应力和压合部宽度。在表面处和在覆盖护套内的这些性能之间可能需要建立理论或经验关系。
本发明人已经注意到，对于通过压合部的每个传感器，系统可探测和显示峰值压力。这通过找出在给定范围中的最高振幅数据点并将它与信号中的基线相比较而进行。结果是对于该传感器的峰值压力的测量（见在图2中的峰值60）。
本发明人已经注意到，在用来测量特定传感器在压合部内的持续时间的方法中，可采用确定峰值压力的相同的数据点。持续时间然后可用来计算代表压合部宽度的距离。尽管似乎可以简单地探测何时传感器在负载下可提供这样的数据，但开发算法的尝试已经确定出刚好在压合部之前和之后进行的测量对于峰值特征的变化是敏感的，该算法可求出压合部的准确进入和离开。每个传感器信号是这样一种事件，该事件代表由传感器在它通过压合部时经历的加载。典型地，基线信号由于压合部负载在下潜之前向上漂移（见图3）。这种向上漂移被认为由在压合部之前和之后的反向加载引起。反向加载使选择精确的压合部进入和离开很困难，这又使压合部宽度的确定很困难。反向加载的原因（一个或多个）和在信号中的其它变化是未知的，并且可能归因于基础材料的差别、或剪切力的无意测量。
为了解决信号漂移/变化的问题，可以采用确定压合部宽度的“局部-峰值”方法。该方法的步骤示出在图4中。最初，该方法求出每个峰值的位置和振幅（方块110）。当峰值的振幅是已知的时，设置代表振幅的一部分的目标值（方块120）。然后，寻找在峰值后面的数据点（即，在峰值数据点之前采集的数据点以便与“目标值”最密切匹配（方块130）。然后将这个第一最密切匹配数据点的“X”位置设置为压合部进口（方块140）。然后寻找在峰值前面的数据点（即，在峰值之后采集的数据点）以便与目标值最密切匹配（方块150）。然后将这个第二匹配点的“X”位置设置为压合部出口（方块160）。然后从压合部出口的“X”位置减去压合部进口的“X”位置，以设置局部振幅压合部宽度（方块170）。然后将这个值乘以适当因数，以估计在完全振幅处的压合部宽度（方块180）。
这种压合部宽度测量的单位是数据点的数量。每转数据点的数量是已知的，并且辊的周长是已知的。将数据点中的压合部宽度乘以周长、然后除以每辊转的数据点的数量，提供了为距离测量的结果。
图5示出了图4的使用“半振幅”目标值的方法。在这个实施例中，在方块120中设置的目标值是峰值压力的一半，从而在方块140和160中识别的“压合部进口”和“压合部出口”点基本上等于峰值压力的值的一半。在方块170中计算的局部压合部宽度然后在方块180处乘以2，以估计在完全振幅处的压合部宽度。作为选择例，可以采用在局部压合部宽度与完全振幅压合部宽度之间的非线性关系。
局部振幅方法的使用可提供比“进口至出口”峰值测量的那些结果优良的结果，因为从其可取得的“压合部进口”和“压合部出口”曲线的压力曲线的部分往往比较直，从而在那些区域中的数据点往往受噪声和其它因素的影响较小。而且，如果将用于峰值压力的曲线近似成三角形，则曲线的“宽度”随离峰值的距离线性地变化。这样，将计算的局部宽度乘以适当因数应该提供对于辊的压合部宽度的良好近似。
本领域的技术人员可认识到，给定以上讨论的三角形的宽度和高度的线性关系，如果将峰值压力曲线近似成三角形，则其它“压合部进口”和“压合部出口”点可被选择，并且乘以适当因数（例如，可以选择“压合部进口”和“压合部出口”，该“压合部进口”和“压合部出口”是峰值压力的1/3，并且将用于计算“压合部宽度”的因数选为1.5）。也可以采用涉及峰值压力的1/4、2/5、3/4、3/5或类似分数的类似关系。
作为可选择实施例，测量压合部宽度的另一种方法是使用传感器系统，其中，传感器是一系列通/断开关。在正常状态下，开关是断开的。随着开关滚过压合部，开关由于压合部中的压力而闭合。通过知悉直径、速度以及开关闭合的时间段，可确定压合部宽度。这样一种系统不能提供压力测量，但它将提供压合部宽度数据。
按照本发明实施例的数据处理系统、方法以及计算机程序产品可以包括在与人机接口（HMI）通信的可编程逻辑控制器和/或数字信号处理器中。处理器经由地址/数据总线与存储器通信。处理器可以是任何可买到或定制的微处理器。存储器代表存储装置的整体分级，这些存储装置包含软件和数据，该软件和数据用来实施数据处理系统的功能性。存储器可包括但不限于如下类型的装置：高速缓冲存储器、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪烁存储器、FRAM、SRAM以及DRAM。
如由本领域的技术人员将认识到的那样，操作系统可以是适于供数据处理系统使用的任何操作系统，如来自International BusinessMachines Corporation,Armonk,NY的OS/2、AIX、DOS、OS/390或System390；来自Microsoft Corporation,Redmond,WA的WindowsCE、Windows NT、Windows98、Windows2000、Windows XP或Windows7；来自Palm,Inc.的Unix或Linux或FreeBSD,Palm OS；来自Apple Computer,LabView的Mac OS；或专有操作系统。I/O装置驱动器典型地包括软件例行程序，这些软件例行程序通过操作系统由应用程序访问，以与诸如I/O数据端口（一个或多个）、灵活的arm存贮单元（articulating arm unit）、数据存储和某些存储器元件之类的装置通信。应用程序可实施数据处理系统的各种特征，并且可包括至少一个应用程序，该至少一个应用程序支持根据本发明实施例的操作。最后，如这里使用的那样，“数据”代表可能驻留在存储器中由应用程序、操作系统、I/O装置驱动器以及其它软件程序使用的静止和动态数据。
尽管例如参照程序、功能及存储器的特定划分示出了本发明，但本发明不应该解释成限于这样的逻辑划分。因而，本发明旨在包容能够完成这里描述的操作的任何构造。如这里使用的那样，术语“可编程”指由计算机程序模块、代码及指令电子地指导和/或主要进行的操作。
上文说明了本发明，并且不要解释成限制本发明。尽管已经描述了本发明的示例性实施例，但本领域的技术人员将容易地认识到，在示例性实施例中进行多种修改是可能的，而不实质性地脱离本发明的新颖的教导和优点。相应地，全部这样的修改旨在包括在权利要求书中所限定的本发明的范围内。本发明由如下权利要求书限定，并且权利要求书的等效物包括在其中。

Claims (24)

1.一种确定由工业辊和配对结构形成的压合部的宽度的方法，该方法包括如下步骤：
提供工业辊，该工业辊具有圆柱形芯部和围绕芯部的聚合物覆盖护套，工业辊还包括安装在该工业辊中的多个压力传感器；
将工业辊定位成与配对结构相接触，以形成压合部；
使工业辊转动；
在控制器处从多个压力传感器接收压力信号；以及
在控制器中，利用来自压力传感器的压力信号，确定在工业辊上的与压力传感器相关联的各位置处的压合部的宽度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，传感器绕工业辊的纵向轴线以螺旋线式样分布在工业辊上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用来自压力传感器的压力信号包括确定传感器的峰值压力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用来自压力传感器的压力信号还包括识别与小于峰值压力的压力水平相对应的两个信号并且基于所述两个信号计算局部压合部宽度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，利用来自压力传感器的压力信号还包括将局部压合部宽度乘以预选因数，以确定估计压合部宽度。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，利用来自压力传感器的压力信号还包括识别与峰值压力的一半相对应的两个信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，利用来自压力传感器的压力信号还包括：由所述与峰值压力的一半相对应的两个信号计算半个压合部宽度，然后将所述半个压合部宽度加倍以计算出整个压合部宽度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，压力传感器是压电压力传感器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，传感器具有比被测量的压合部的宽度小的宽度。
10.一种用来确定在两个相配合的结构之间形成的压合部的宽度的计算机程序产品，包括：
计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有嵌入在其中的计算机可读程序代码，计算机可读程序代码包括：
构造成接收与压力信号相对应的数据的计算机可读程序代码，这些压力信号由多个压力传感器产生，压力传感器安装在转动的工业辊中，该工业辊具有圆柱形芯部和围绕芯部的聚合物覆盖护套；和
构造成利用来自压力传感器的压力信号来确定在工业辊上的与压力传感器相关联的各位置处的压合部的宽度的计算机可读程序代码。
11.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中，压力传感器绕工业辊的纵向轴线以螺旋线式样分布在工业辊上。
12.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其中，计算机可读程序利用表示峰值压力的压力信号。
13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，计算机可读程序代码识别与小于峰值压力的压力水平相对应的两个信号并且基于所述两个信号计算局部压合部宽度。
14.根据权利要求13所述的计算机程序产品，其中，计算机可读程序代码将局部压合部宽度乘以预选因数，以确定估计压合部宽度。
15.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，计算机可读程序代码识别与峰值压力的大致一半的压力水平相对应的两个信号并且基于所述两个信号计算半个压合部宽度。
16.根据权利要求15所述的计算机程序产品，其中，计算机可读程序代码将所述半个压合部宽度乘以2，以确定估计压合部宽度。
17.一种用来确定压合部的宽度的系统，该压合部由工业辊和配对结构形成，这种系统包括：
多个压力传感器，所述压力传感器安装在工业辊上；和
控制器，所述控制器构造成：（a）从多个压力传感器接收压力信号；和（b）利用来自压力传感器的压力信号来确定在工业辊上的与压力传感器相关联的各位置处的压合部的宽度。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述传感器绕工业辊的纵向轴线以螺旋线式样分布在工业辊上。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，控制器构造成确定传感器的峰值压力。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，控制器构造成识别与小于峰值压力的压力水平相对应的两个信号并基于所述两个信号计算局部压合部宽度。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，控制器构造成将局部压合部宽度乘以预选因数，以确定估计压合部宽度。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，控制器构造成识别与峰值压力的一半相对应的两个信号。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，控制器构造成：由与峰值压力的一半相对应的所述两个信号计算半个压合部宽度，然后将所述半个压合部宽度加倍，以计算整个压合部宽度。
24.根据权利要求17所述的系统，其中，压力传感器是压电压力传感器。
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