CN117819308A - 具有改进的卡盘相互作用的芯部 - Google Patents

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Abstract

提供了一种改进的芯部(10)，其用于安装在诸如一对卡盘(52)的一个或多个芯部接合元件上，并且提供了一种制造改进的芯部(10)的方法。在该芯部(10)上适于卷绕和退绕材料。该芯部(10)包括设置在芯部(10)的内表面(12)上的高摩擦系数覆盖层(70)，以改进芯部‑卡盘相互作用。

Description

具有改进的卡盘相互作用的芯部
本申请是申请日为2019年2月28日、申请号为201980023546.X(国际申请号为PCT/US2019/019949)、发明名称为“具有改进的卡盘相互作用的芯部”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
该专利涉及一种可以将片材或线材卷绕在其上的芯部。更具体地，该专利涉及一种卷绕芯部，该卷绕芯部与芯部接合元件(诸如卡盘或轴)的相互作用得到改进，以减轻对芯部的损坏。
背景技术
诸如聚合物膜、纸、无纺布或纺织布、金属箔、金属片材之类的幅材用于制造各种产品。幅材材料通常以大型卷(rolls)或绕组(coils)的形式提供，所述大型卷或绕组通过将幅材材料绕卷绕芯部卷绕而形成。芯部通常是纸板，但是其可以用塑料外壳等来增强。纸板芯部可以由低、中或高强度的纸板层形成。
卷绕在芯部上的一卷纸等的重量通常超过半吨，并且可能超过五吨。典型的芯部规格是3英寸至8英寸(76.2mm至203.2mm)的标称内径(ID)和约11英寸至170英寸(约279.4mm至4318mm)的长度。其他芯部，诸如薄纸芯部和用于承载金属薄板的芯部，其ID的范围是16英寸至23英寸(406.4mm至584.2mm)。
为了开始卷绕过程，将幅材的前缘附接到卷绕芯部，并且使芯部绕其轴线旋转以将幅材卷绕成卷。随后在转换等过程中将卷退绕。
幅材转换器不断设法通过增加每单位时间幅材吞吐量的总量来提高转换过程的生产率。为此，一直在不断地追求更高的幅材速度、卷宽度和卷重量，这导致卷绕芯部必须以更高的旋转需求旋转。因此，纸转换可对当前卷绕芯部的稳定性提出了极高的要求。
在卷绕或退绕操作期间中，通常将芯部安装在旋转的可扩展卡盘上，该可扩展卡盘插入到芯部的各端部中并且扩展以夹持芯部的内侧，使得在芯部与卡盘之间施加有扭矩时，芯部不会趋于相对于卡盘打滑。通常，芯部的旋转借助于与卡盘中的一者或两者联接的驱动器来实现，并且使芯部旋转以达到例如800fpm至1500fpm(4.1m/s至7.6m/s)或更高幅材速度。在卷绕操作期间，当卡盘使芯部旋转时，卡盘在芯部上产生扭矩(旋转力)。幅材在退绕操作期间也会产生扭矩，并且卡盘或其他芯部接合元件施加在芯部上的制动张力也会产生扭矩。
目前，在许多卷绕和退绕(转换)操作中，将芯部与具有光滑扩展元件的卡盘结合使用。这些光滑的扩展元件无法始终正确地与芯部接合，或者超过了最大扭矩传递，作为结果，卡盘将挣脱束缚并且在芯部的内部打滑。当打滑过度时，芯部的与卡盘相接触的端部会受到损坏或破坏，芯部上携载的材料无法使用，并且转换过程的速度受到不利影响。在不希望的打滑过程中产生的碎屑也会导致卡盘性能和维护问题。即使是轻微的打滑情况，也会导致吞吐量下降，转换速度降低并且导致材料浪费过多。本公开解决了这些需求。
发明内容
本公开涉及一种用于安装在芯部接合元件(诸如轴或一对卡盘)上的改进的芯部，以及制造改进的芯部的方法。在所述芯部上适于卷绕和退绕材料。
在一个方面中，本公开涉及一种改进的芯部，该改进的芯部用于安装在一个或多个芯部接合元件上。所述芯部优选是中空的并且是柱形的，并且具有两个轴向相反的端部。所述芯部包括内表面和外表面，在所述外表面上适于卷绕和退绕材料。所述芯部可以由卷绕的纸制成。所述改进包括设置在整个内表面上或设置在内表面的一部分上的高摩擦系数(COF)覆盖层。所述高COF覆盖层适于增加芯部的内表面与芯部接合元件之间的摩擦系数(COF)。所述覆盖层可以是当将该覆盖层放置在芯部与芯部接合元件之间时起作用以增加芯部的内表面的COF的液体、粉末或任何适当的材料。
在另一方面中，本公开涉及一种改进的纤维基芯部，其中一个或多个内层由改进芯部与芯部接合元件(诸如卡盘或轴)之间的相互作用的特定材料制成。该特定材料可以是高COF防滑纸，或者是设计用以改进芯部与芯部接合元件之间的相互作用的具有其他特性的纸。
在又一方面中，本公开涉及一种改进的芯部，其中已经对芯部的内表面进行机械或化学处理以改进芯部-卡盘相互作用。例如，可以通过机械磨蚀或化学处理来改变芯部的内表面，以增加内表面的粗糙度。
在再一方面中，本公开涉及一种制造中空柱形芯部的方法。所述芯部具有内表面和外表面及两个轴向相反的端部，所述外表面适于接纳卷绕的材料。该方法可以包括以下步骤：将一个或多个内层成螺旋形地卷绕在成型芯轴上，以形成芯部的内表面；将一个或多个另外的层成螺旋形地卷绕在成型芯轴上以形成芯部；并且将高COF覆盖层施加到内表面的至少一部分上。
附图说明
图1是用于在其上承载材料的芯部的一部分的透视图。
图2是用于制造芯部(诸如图1的芯部)的设备的局部平面图。
图3是承载有卷绕材料并且安装在卡盘上的芯部的横截面侧视图。
图4是图3的芯部的一端的透视示意图，其中移除了卡盘的主体部分以更好地示出可扩展元件。
图5是芯部的透视端视图，示出了由可扩展元件引起的凹陷。
图6是芯部的透视端视图，示出了因芯部相对于卡盘的打滑而引起的对芯部内表面的损坏。
图7是在已经将覆盖层以螺旋图案施加到所述内表面之后的芯部的透视端视图。
图8是示出最大扭矩与摩擦系数之间的关系的图表。
图9是示出第一纸板的最大扭矩与摩擦系数之间的关系的图表。
图10是示出第二纸板的最大扭矩与摩擦系数之间的关系的图表。
图11是示出最大扭矩与高COF材料的浓度之间的关系的图表。
图12是示出最大扭矩与表面面积覆盖率之间的关系的图表。
图13是示出覆盖层图案与最大扭矩之间的关系的图表。
图14是示出最大扭矩与纸板密度之间的关系的图表。
图15是示出最大扭矩与板强度之间的关系的图表。
图16是示出根据本公开的制造改进的芯部的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明可以以多种形式实施，但是在附图中示出并且在本文中将详细描述一个或多个实施例，应理解，本公开被认为是本发明原理的示例，而无意于将本发明限制为图示的实施例。
术语
以下定义是为了易于理解本公开而不是限制性的。
心轴：可在其上卷绕幅材的轴或心棒(axle)。
覆盖(coating)：当在本文中用作动词时，“覆盖”一词可指将材料施加到表面上的任何适当方式。当在本文中用作名词时，“覆盖层(coating)”一词可以指施加到表面(诸如芯部内表面)的任何适当的材料，包括但不限于液体、粉末、化合物、混合物和处理剂。
摩擦系数(缩写为COF、CoF或Cof)：如本文所用的，摩擦系数通常是指当芯部与芯部接合元件两者静止时在它们之间的摩擦力。
芯部：柱形结构，通常是中空的，用于在其上承载片材或线材。芯部可以由纤维(诸如卷纸)、塑料、金属或任何适当的材料制成。有时称为管或卷轴。本文所述的芯部可用于保持和分配任何适当的材料，包括但不限于纸板(诸如用于制造包装，片级纸和薄绢级纸)、金属片材、塑料膜和纺织品。
卡脱：在卷绕或特别是在退绕操作过程中，当芯部接合元件独立于芯部旋转时，对芯部内表面的损坏。当超过最大扭矩时，通常会发生卡脱。
芯部接合元件：在卷绕和退绕操作过程中接合(接触)芯部以固定芯部的一种或多种结构。可以包括但不限于具有或不具有扩展元件的卡盘、实心轴、差动轴和心轴。
接合表面：在芯部的内表面上与芯部接合元件接合(接触)的表面。
高-COF：术语“高-COF”(或“高COF”)在本文中用于描述趋于增加两个表面(诸如芯部内表面与芯部接合元件)之间的COF的覆盖层或其他组合物。
最大扭矩：在(芯部与芯部接合元件之间)发生打滑之前可施加到芯部的扭矩大小。
卷取机：用于将片材(特别是金属片)卷绕到芯部或卷轴上的机器。
轴：与卡盘不同，轴通常在芯部的整个长度上延伸以保持芯部。差动轴是具有可以以不同转速旋转的部段的轴。
扭矩：如本文所使用的，扭矩通常是指施加到芯部的旋转力。在卷绕操作期间，当芯部接合元件使芯部旋转时，会产生扭矩。幅材在退绕操作期间也会产生扭矩，并且施加在芯部接合元件上的制动力也会产生扭矩。
芯部
转向附图，图1示出了用于在其上承载材料100的芯部10的一部分的透视图。材料100可以是任何适当的线材或片材，诸如但不限于纸、膜和布料。芯部10可以包括成螺旋形卷绕的纸(诸如在纤维基芯部中)，并且具有内表面12和外表面14。芯部10在两端16之间纵向(轴向)地延伸，并且可以具有任何适当的长度。
用于制造芯部10的设备30
图2是用于制造诸如图1的芯部10的芯部的设备30的局部平面图。通常，芯部10可以通过如下方式形成：将多个纤维基层围绕芯轴32成螺旋形地(或盘旋地)卷绕，将这些层粘附在一起，并且在连续芯部离开芯轴32时将其部分或部段切断，以形成单独的芯部10。这些层被从相应的筒子架(未示出)中拉出，并且沿着路径布设到芯轴32。每个层可以在诸如胶水罐的粘合剂施加工位(未示出)处被施加粘合剂，以粘附到相邻的层。
在所示的设备中，将内层34施加到芯轴32上并且成螺旋形地卷绕以形成芯部的内层。在内层34的下游，将多个中间层或主体层36施加在内层34之上，并且成螺旋形地卷绕以形成芯部10的中间区域。在施加最后的中间层36并且形成中间区域之后，将一个或多个外层38施加在中间区域之上，并且成螺旋形地卷绕以形成连续芯部40的外部区域。可以包括切割工位(未示出)，以将连续芯部40切割成离散的长度以形成单独的芯部10。
卷绕带101可以用于使连续芯部40以螺旋方式旋转，使得连续芯部40沿着芯轴32推进。为促进连续芯部40沿着固定芯轴32移动，可以使用润滑工位(未示出)将润滑剂施加到最内层34的内表面。润滑剂可以是任何适当的润滑剂，包括但不限于蜡状固体、液体或粉末。
纸转换设备
图3是纸转换设备50的一部分的横截面侧视图，其包括安装在两个卡盘52上的芯部10。芯部10具有与卡盘52接合的内表面12和承载卷绕材料(诸如纸、塑料膜或金属箔)100的外表面14。卡盘52位于芯部10的任一端16处，并且具有与芯部10的接合表面18接合的可扩展元件54(有时称为“卡爪”)。接合表面18位于芯部10的各端16处，并且是芯部10的内表面12的一部分。
卡盘有多种类型和几何形状。一些卡盘基本上是柱形的，而有些则具有锥状延伸部。如上所述，许多卡盘具有与芯部10的内表面12接合的可扩展元件。
内表面12通常是纸板材料，但是内表面12可以是用于芯部10的任何适当的材料。通常，纸板材料的密度在约0.58g/cm3至约0.7g/cm3之间，但是密度有时会在此范围之外。芯部10可以是“异质”管，其中不同的材料(诸如不同等级的纸)形成芯部10的不同部分(通常是层)；或者它可以是“均质”管，其中整个芯部壁由单一类型材料形成，这是大多数纸板卷绕芯部所特有的。
卷绕芯部10的通常外径可以为约7.025英寸(178.4mm)，并且芯部10的通常内径可以为约6.025英寸(153.0mm)。卷绕芯部通常具有标准直径，以允许单一加工(uniformtooling)，但是应当理解，对于芯部10的内径和外径以及芯部10的厚度而言，卷绕芯部可以具有各种尺寸。在一个实施例中，芯部10的长度为约170英寸(4.32m)，而典型的芯部长度的范围为11英寸(239.4mm)至140英寸(3.56m)。然而，应当理解，取决于被卷绕的特定幅材或其他因素，芯部10可以是任何适当的尺寸。
图4是图3的芯部10的一端16的透视示意图，其中，为清楚起见，移除了卡盘52的主体部分。图3和图4中的卡盘52包括三个可扩展元件54。每个可扩展元件54均能够从卡盘主体沿径向向外扩展。可扩展元件54可围绕卡盘52的整个圆周布置。因此，可扩展元件54可以绕芯部10的整个内圆周均匀地间隔开。
在芯部10的长度为大约4.32m的实施例中，卷绕在芯部10上的纸卷100可以几乎达到7吨的重量。除支撑任何给定时间卷绕在卷绕芯部10上的幅材材料100的重量之外，芯部10顶部上的每个卡盘52上的可扩展元件54还支撑卷绕芯部10的重量。因此，可扩展元件54能够在芯部10上产生大量的力以使卷绕芯部10旋转并支撑卷绕芯部10。
在卷绕和退绕操作期间，扭矩可以在不同时间以多种方式施加到芯部内表面12。在卷绕操作中，一个或两个卡盘52可以联接到马达等以驱动芯部10旋转，以便将幅材100卷绕在芯部10上。该驱动作用对芯部内表面12施加扭矩。
卡盘52还可以在退绕操作期间对芯部内表面12施加扭矩。当在例如纸转换操作期间将材料100从芯部10退绕时，可扩展元件54接合芯部10的接合表面18，施加压力以使芯部10保持旋转接合。在诸如图3中所示的纸转换操作中，可通过图3中所示的机器驱动设备将幅材100从芯部10退绕。在退绕期间，至少一个卡盘52联接至制动器(未示出)，其作用是减慢或停止卷绕芯部10旋转。芯部10通常以4.1m/s至7.6m/s的圆周速度(peripheral speed)旋转，但是可以采用各种其他速度，包括更高速度。可能的是，在退绕操作中，幅材本身在其从卷中拉出时会引起扭矩。
虽然图3所示的卡盘52包括可扩展元件54，但是应当理解，卡盘52可以具有其他构造，并且替代地，卡盘52可以不以液压方式扩展，而是在芯部10的中空部内以气动方式或以机械方式扩展，正如本领域的技术人员所知的。可扩展元件54还可具有不同的设计、规格和形状，以适应不同的卷绕芯部10或特定的卷绕/退绕应用。对于不同大小的卷绕芯部10或对于不同类型的卷绕芯部材料，也可以实现不同类型和大小的卡盘52。
可扩展元件54可以在芯部10上施加非常大的力。图5是在部分退绕操作之后的芯部10的透视端视图。芯部10的ID(内表面12)呈现可见的压痕/凹陷60，这些压痕/凹陷60是由可扩展的卡盘元件54施加在芯部10上的压力引起，但是在别的方面却基本上没有受损。这些凹陷取决于可扩展元件54施加到芯部10的径向力以及所使用的纸的等级、密度和硬度。
随着芯部内表面12上的扭矩增加，芯部10和卡盘52之间打滑的可能性增加。通常，许多芯部可以承受350-400lbf-ft(475-542N-m)的扭力，而有些芯部则可以承受高得多的扭力。已经通过如下方式设计卡盘以减轻打滑：例如设计可扩展元件54，以增加可扩展元件54与芯部10的且更具体而言与芯部内表面12的接合表面18之间的接触面积。
芯部损坏
图6是在部分退绕操作之后的另一个芯部10的透视端视图。在退绕操作过程中，芯部10上的扭矩增加到卡盘52独立于芯部10旋转并且损坏芯部10的内表面12的程度。
这种损坏可能涉及多个内层，有时也称为“卡脱”。打滑还会导致“烧坏”，其中卡盘52抵靠芯部10引起的摩擦会将芯部10烧伤或烧焦，使其不适合于进一步使用。
当发生卡脱(或烧坏)时，用户无法控制幅材材料100脱离开芯部10，这可能需要减慢或关闭纸转换操作并且调整芯部-卡盘接口。有时，用户将垫片或其他装置放置在芯部10和卡盘52之间，以试图消除进一步的打滑、幅材断裂、振动或因卡盘打滑和/或芯部卡脱引起的其他转换问题。有时，用户必须以较低速度运行以避免打滑。同样，有时用户会较早将幅材拼接到新纸卷。反复打滑会导致用户过早从卷上拼接出来。
减轻芯部损坏
减轻打滑及其可能造成的损坏的总体方法是改变芯部10的内表面12与芯部接合元件之间的摩擦系数(COF)。COF通常由变量μ表示，可以由以下公式表示：
(1)μ＝(Ff/Fn)
其中：
μ＝摩擦系数或COF(无量纲)；
Ff＝当一个表面在另一表面上移动时，该一个表面施加的摩擦力(单位：牛顿)；和
Fn＝垂直于摩擦力施加的力(单位：牛顿)。
μ有两种，静态的和动态的。在随后的讨论中，μ(或COF)通常是静态μ(或静态COF)。应当理解，尽管本文公开的方法通常增加静态μ，但是它们通常也增加动态μ。
芯部10的内表面12与卡盘52之间的COF是许多变量的函数，可以控制其中一些变量以改进芯部-卡盘相互作用，由此减轻对芯部10的损坏。已经研发出各种改进的芯部以及改进芯部-卡盘相互作用的方法，现在将对其进行描述。
(i)使用高COF覆盖层减轻芯部损坏
一方面，芯部10和制造芯部10的方法包含使用高COF材料(“覆盖层”)70，高COF材料70施加在或以其他方式设置在芯部10的内表面12上。高COF覆盖层70适于增加芯部10的内表面与芯部接合元件(诸如卡盘52)之间的摩擦系数(COF)。可以将覆盖层70施加在润滑剂(如果有)上，和/或直接施加到芯部10的“裸露”内表面上。
图7是在高COF覆盖层70已被施加到内表面12的一部分之后的芯部10的透视图。如下文进一步解释的那样，高COF覆盖层70可以以任何适当图案施加，并且可以施加到芯部10的整个接合表面18或接合表面18的一部分。
图8是示出最大扭矩与芯部和芯接合元件之间的摩擦系数(COF)之间的关系的图表。图8中的数据是用有限元分析(FEA)来获得，其示出最大扭矩随COF增加而增加。
芯部10的内表面12与芯部接合元件(诸如卡盘52)之间的COF增大使得最大扭矩增大，即在发生打滑之前卡盘52可施加到芯部10的扭矩量(旋转力)增大。换句话说，对芯部10的内表面12添加高COF覆盖层70使得卡盘52更好地夹持芯部10。
图9是示出对于具有由第一级纸板(指定为“板1”)制成的内层34的芯部10，(芯部10的内表面12与芯部接合元件52之间的)COF对最大扭矩的影响的图表。如图9所示，最大扭矩通常随COF的增加而增加。在此，给出表格形式的相同数据：
摩擦系数 0.193 0.235 0.301
扭矩(lbf-ft) 445 753 827
扭矩(N-m) 603 1021 1121
图10是示出对于具有由第二级纸板(指定为“板2”)制成的内层34的芯部10，(芯部10的内表面12与芯部接合元件52之间的)COF对最大扭矩的影响的图表。同样，扭矩总体上随着COF增加。在此，给出表格形式的相同数据：
摩擦系数 0.21355 0.24471 0.29764 0.36875
扭矩(lbf-ft) 376 684 740 788
扭矩(N-m) 510 927 1003 1068
(a)覆盖层的类型
高COF覆盖层可以是使得芯部10与芯部接合元件52的COF增加的任何适当材料。覆盖层70可以以液体、粉末、浆料或任何适当物质形态的形式施加。覆盖层70可以适于与大多数(即便不是全部)卡盘设计一起使用。适当覆盖层包括但不限于防滑剂和硅酸盐的水分散体、乳胶覆盖层和粘合剂。
(b)COF浓度对扭矩的影响
图11是示出高COF材料的浓度对扭矩的影响的图表，即高COF材料在施加到100％的卡盘接合表面面积18的覆盖层中的重量百分比对扭矩的影响。如图所示，对于至少一种覆盖层/纸板组合，增加高COF材料在覆盖层70中的浓度会增加扭矩。在此，给出表格形式的相同数据：
高COF浓度 10％ 20％ 60％ 80％
扭矩(lbf-ft) 1007 1050 1300 1442
扭矩(N-m) 1365 1424 1763 1955
(c)表面面积覆盖率和覆盖层图案对扭矩的影响
覆盖层70可以施加到芯部10的整个内表面12或内表面12的一部分。例如，覆盖层70可以仅在芯部10的每个端部16附近或沿着芯部10的整个轴向长度10施加到卡盘接合表面18。
图12是示出表面面积对扭矩的影响的图表，特别是示出了覆盖有高COF材料70的芯部内表面12的百分比对最大扭矩的影响。覆盖率，即在其上施加覆盖层70的面积(表示为芯部内表面的总面积的百分比)，在22％至65％之间变化。最大扭矩在766lbf-ft至860lbf-ft之间变化。如图所示，扭矩性能通常随表面面积覆盖率而提高。在此，在此给出表格形式的相同数据：
图13是示出覆盖层图案与最大扭矩之间的关系的图表。如前所述，覆盖层70可以以各种图案或构造施加到芯部10的内表面12。例如，高COF覆盖层70可以以一定图案施加到内表面12，以实现所需水平的表面面积覆盖率。可以以单螺旋图案(如图7中所示)、多螺旋图案、以一个或多个环形圈或以任何适当图案来施加覆盖层70。也可以将覆盖层70仅施加到整个接合表面18或其一部分。
在图13中所示的测试结果中，用一个、两个或三个7/8英寸宽的螺旋来覆盖芯部10的内表面12，产生分别为766lbf-ft、794lbf-ft和860lbf-ft的最大扭矩值。用一个、两个或三个1.5英寸宽的螺旋来覆盖芯部10的内表面12，产生分别为1088lbf-ft、1083lbf-ft和1111lbf-ft的最大扭矩值。覆盖芯部10的整个内表面12(“完全覆盖”)，产生1137lbf-ft的最大扭矩值。在此，给出表格形式的相同数据：
尽管所有这些结果可能都令人满意，但是从该数据可推测出，更完全覆盖率至少在一定程度上产生更佳的芯部/卡盘相互作用。
(d)制造改进的芯部的方法
图16是示出制造改进的芯部10的方法110的流程图。该方法可以包括以下步骤：
步骤112：围绕成型芯轴32成螺旋形地卷绕一个或多个内层34。
步骤114：围绕成型芯轴32成螺旋形地卷绕一个或多个另外的层36、38以形成连续芯部，该连续芯部在脱离芯轴32之前沿着芯轴32轴向移动。
步骤116：将连续芯部切割成单独的芯部10，每个芯部10都具有：两个轴向相反的端部16；内表面12，其包括位于各端部16附近的一个或多个接合表面；和外表面14，其适于接纳卷绕在其中的材料100。
步骤118：将高COF覆盖层70施加到内表面12的至少一部分上。
如上所述，可以通过如下方式形成芯部10：围绕芯轴32成螺旋地卷绕多个层34、36、38，将这些层粘附在一起以形成连续芯部40，以及将连续芯部40的部分或部段切断以形成芯部10来形成单独的芯部10。将高COF覆盖层70以几种不同方式之一至少设置在芯部10的接合表面18上。例如，可以在芯部制造过程之前、期间或之后施加覆盖层70。
如果在芯部制造过程之前施加覆盖层，则应将覆盖层70施加到用于制造最内层34的纸的面向内的表面。
如果在芯部制造过程中施加覆盖层，则可以将覆盖层70施加到构成内表面12的内层34，然后再围绕芯轴32卷绕层34，或者可以在连续芯部40沿着芯轴32移动时将覆盖层70施加到成型的芯部内表面12。如果在芯部制造过程之后施加覆盖层70，即在将连续芯部40切割成可用的单独的芯部10之后施加覆盖层70，则可以通过任何适当方式来施加覆盖层70，包括使用抹布施加器、滚筒、刷子、刮板施加器或喷雾施加器。优选地，在其中卡盘52接合芯部10处的各端部16附近来施加覆盖层70。
优选地，覆盖层70施加在其中扩展芯部接合元件52(卡盘、轴等)与芯部10的内表面12相接触的区域上。在卡盘52的情况下，该区域通常在芯部10的各端部16附近。对于轴，该区域可以延伸过芯部10的大部分或整个长度。在某些情况下，如果芯部10的一端16承受更大的扭矩(诸如，来自马达和制动器的扭矩)，则该区域可能只是芯部10的该一端16。
(ii)使用内层专用材料减轻芯部损坏
在另一方面，改进芯部-卡盘相互作用的方法包括对芯部10的一个或多个内层34或芯部10的接合表面18使用专用材料。该专用材料可以是高COF防滑纸或具有特殊性质的纸。所述特殊性质可包括厚度、粗糙度和再生纸含量。
纸密度对扭矩的影响
进行测试，以确定纸密度对最大扭矩的影响。图14是示出芯部内层34的密度对最大扭矩的影响的图表。如图所示，在这组简短测试中，扭矩性能与内层34的密度没有密切(well)相关性。在此，给出表格形式的相同数据：
密度(g/cm3) 0.581 0.727 0.657
扭矩(lbf-ft) 445 376 474
扭矩(N-m) 602 510 643
纸板强度对扭矩的影响
进行测试，以确定一个或多个内层34的纸板强度对最大扭矩的影响。图15是示出芯部内层34的纸板强度对最大扭矩的影响的图表。如图所示，在这组简短测试中，扭矩性能并没有表现出与纸板强度有密切相关性。在此，给出表格形式的相同数据：
剪力(lbf/in2)或psi 190 240 477
剪力(N/mm2) 1.31 1.65 3.29
扭矩(lbf-ft) 445 376 474
扭矩(N-m) 602 510 643
可能会有这样的情形，其中在减轻卡脱方面，内层纸密度或纸板强度即使不比芯部10和芯部接合元件52之间的COF更重要，但也同样重要。比如，芯部10与芯部接合元件52之间的COF可以增加到高水平，使得卡盘打滑不是主要问题，而纸故障才是主要问题。但是认为，在大多数纸转换操作中，COF(且因此最大扭矩)的急剧增加的水平超出正常操作水平。
(iii)对芯部内表面进行机械或化学处理
在另一方面，改进芯部-卡盘相互作用的方法包括对芯部内表面或仅对芯部的接合表面进行机械或化学处理，以改变摩擦系数(COF)。例如，该方法可以包括对芯部10的接合表面18进行机械或化学处理以增加接合表面18的COF，从而增加芯部10与芯部接合元件52之间的最大扭矩。
在一个方面中，可以在芯部制造期间或之后对芯部10的内表面12进行机械处理(诸如通过机械磨蚀)，以增加内表面12的粗糙度。
在另一方面中，可以在制造芯部10的期间或之后用化学方法处理芯部10的内表面12以增加内表面12的COF。该处理可以包括在制造芯部10之前对形成一个或多个内层34的材料(诸如纸板)进行化学处理。
(iv)在芯部与芯部接合元件之间放置高COF材料片
在另一方面，改进芯部-卡盘相互作用的方法包括在芯部10的内表面12与芯部接合元件52之间放置或定位松散的材料层。在这种情况下，可以在卷绕之后去除松散的层。
工业适用性
本公开涉及改进的芯部和改进芯部与芯部接合元件之间的相互作用以减轻或消除对芯部的损坏或操作问题的方法。芯部和方法可能在许多行业中有用，包括造纸行业(例如，用于压片操作(高级纸，转换))、衬板行业、钣金行业，以及对芯部上承载的材料进行卷绕或退绕的任何行业。
例如，在芯部经常被安装在卡盘上任一端处的造纸行业中，可能期望通过增加芯部的整个内表面的COF或仅增加卡盘接合表面处的COF来增加芯部的内表面与卡盘之间的摩擦系数(COF)。
同样，在经常将MetallanTM芯部安装在轴上的金属板运输应用中，可能期望沿芯部10的整个内表面或沿小于整个内表面12(诸如仅沿内表面12的在芯部端16之间的中间部分)增加摩擦系数(COF)。
在采用差动卷绕轴的行业(诸如特定纸、膜和胶带行业)中，可能期望调整每个单独的芯部的摩擦系数(COF)，以在卷绕或退绕过程中让每个芯部达到所需的幅材张力水平。差动轴是具有可相对于彼此移动(旋转)的部段的轴。通常，将多个芯部同时放置在轴的各个部段上。差动轴允许芯部之间的相对运动，并且还允许每个芯部与其轴的相应部段之间的相对运动或打滑。在这些应用中，可能期望使用本文所述的技术来控制每个芯部的COF，以在卷绕或退绕期间实现每个芯部的期望的幅材张力水平。
本文所述的芯部和方法可以为所有卡盘类型提供改进的性能，包括具有光滑可扩展元件、非光滑可扩展元件或不具有可扩展元件的卡盘。非光滑可扩展元件的示例包括被轮廓化、粗糙化或锯齿化的那些元件。尽管具有光滑表面的芯部接合元件更具挑战性，但是例如利用包括那些被轮廓化、粗糙化或锯齿化元件的元件也会出现问题。
应当理解，上述发明的实施例仅是用于说明本发明的原理的特定示例。
可以预期的是，本发明的修改和替代实施例不脱离如前述教导和所附权利要求所限定的本发明的范围。权利要求旨在覆盖落入其范围内的所有此类修改和替代实施例。

Claims (20)

1.一种改进的芯部，所述芯部用于安装在一个或多个芯部接合元件上，在所述芯部上适于卷绕和退绕材料，所述芯部是中空的并且是柱形的，并且具有内表面和适于接纳所述材料的外表面，所述芯部具有长度和两个轴向相反的端部，并具有靠近所述相反的端部的接合表面，所述接合表面由所述接合元件接合，其中所述改进包括：
在所述芯部的内表面上设置高摩擦系数(高COF)覆盖层，所述高COF覆盖层适于增加所述芯部的内表面与所述芯部接合元件之间的摩擦系数(COF)，其中所述高COF覆盖层施加到靠近所述相反的端部的所述接合表面的小于全部的表面区域。
2.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述高COF覆盖层选自由防滑剂和硅酸盐的水分散体、乳胶覆盖层和粘合剂组成的组。
3.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述高COF覆盖层包括高COF材料；并且
高COF材料在所述高COF覆盖层中的重量百分比在10％至80％之间。
4.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述高COF覆盖层以一定图案施加到所述内表面，以实现预定水平的表面面积覆盖率。
5.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述高COF覆盖层以一种或多种螺旋图案施加到所述内表面。
6.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述一个或多个芯部接合元件包括一对卡盘。
7.根据权利要求1所述的芯部，其中：
所述一个或多个芯部接合元件包括轴，所述轴沿轴向延伸穿过整个芯部。
8.一种制造中空柱形芯部的方法，所述芯部具有长度，所述方法包括以下步骤：
围绕成型芯轴成螺旋形地卷绕一个或多个内层；
围绕所述成型芯轴成螺旋形地卷绕一个或多个另外的层以形成连续芯部，所述连续芯部在脱离所述芯轴之前沿所述芯轴轴向移动；
将所述连续芯部切割成单独的芯部，每个芯部都具有：两个轴向相反的端部；内表面，所述内表面包括在各端部附近的一个或多个接合表面；以及外表面，在所述外表面中适于接纳卷绕的材料；以及
将高COF覆盖层施加到所述芯部的内表面，其中所述内表面具有靠近所述芯部的轴向相反的端部的接合表面，所述接合表面由所述芯部要安装在其上的接合元件接合，并且其中所述高COF覆盖层施加到所述接合表面的小于全部的表面区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述高COF覆盖层以图案形式施加到所述内表面。
10.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述高COF覆盖层以一个或多个螺旋图案施加到所述内表面。
11.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述高COF覆盖层通过喷涂施加到所述内表面。
12.一种改进的芯部，所述芯部用于安装在一个或多个芯部接合元件上，在所述芯部上适于卷绕和退绕材料，所述芯部是中空的并且是柱形的，并且具有内表面和适于接纳所述材料的外表面，所述内表面具有恒定的直径，所述芯部具有长度和两个轴向相反的端部，其中所述改进包括：
在所述芯部的内表面上直接设置高摩擦系数(COF)覆盖层，所述高COF覆盖层适于增加所述芯部的内表面与所述芯部接合元件之间的摩擦系数(COF)，其中所述内表面具有靠近所述芯部的轴向相反的端部的接合表面，所述接合表面由所述芯部要安装在其上的接合元件接合，并且其中所述高COF覆盖层施加到所述接合表面的小于全部的表面区域。
13.根据权利要求12所述的芯部，其中：
所述芯部由纸板形成。
14.一种用于改进芯部-卡盘相互作用的系统，所述系统包括：
一个或多个芯部接合元件；和
改进的芯部，所述芯部用于安装在所述一个或多个芯部接合元件上，在所述芯部上适于卷绕和退绕材料，所述芯部是中空的并且是柱形的，并且具有从一个端部延伸到轴向相反端部的长度，所述芯部具有适于接纳所述材料的外表面以及延伸所述芯部的长度并具有恒定直径的内表面，所述内表面直接接触所述一个或多个芯部接合元件，所述芯部还包括在所述芯部的内表面上设置的高摩擦系数(COF)覆盖层，所述高COF覆盖层适于增加所述芯部的内表面与所述一个或多个芯部接合元件之间的摩擦系数(COF)，其中所述内表面具有靠近所述芯部的轴向相反的端部的接合表面，所述接合表面由所述芯部要安装在其上的接合元件接合，并且其中所述高COF覆盖层施加到所述接合表面的小于全部的表面区域。
15.一种改进的芯部，所述芯部用于安装在一个或多个芯部接合元件上，所述芯部包括螺旋卷绕的纸，并且具有内表面和适于接纳在其上卷绕的片材的外表面，所述芯部具有两个轴向相反的端部，所述芯部包括形成接合表面的一个或多个内层，其中所述改进包括：
所述内表面的全部或部分被磨蚀，以增加所述内表面的粗糙度。
16.根据权利要求15所述的芯部，其中：
整个所述内表面被机械处理。
17.根据权利要求15所述的芯部，其中：
仅所述接合表面被机械处理。
18.根据权利要求15所述的芯部，其中：
所述内表面的全部或部分通过机械磨蚀来改变。
19.一种改进的芯部，所述芯部用于安装在一个或多个芯部接合元件上，所述芯部包括螺旋卷绕的纸，并且具有内表面和适于接纳在其上卷绕的片材的外表面，所述芯部具有两个轴向相反的端部，所述芯部包括靠近所述芯部的轴向相反的端部形成接合表面的一个或多个内层，所述接合表面由所述一个或多个芯部接合元件接合，其中所述改进包括：
在制造所述芯部之前对所述一个或多个内层进行化学处理，其中所述一个或多个内层在所述接合表面的小于全部的表面区域上被化学处理。
20.根据权利要求19所述的芯部，其中：
所述接合表面由纸板形成；并且
形成接合表面的所述纸板被化学处理。
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