DE102004005087A1

DE102004005087A1 - Tragbalken

Info

Publication number: DE102004005087A1
Application number: DE200410005087
Authority: DE
Inventors: Christoph Henninger
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tragbalken (2, 2a) für eine lang gestreckte Funktionseinheit (1), insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem lang gestreckten, hohlförmigen Körper (3) aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei der Körper (3) in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von weniger als 2 x 10·-6· 1/K aufweist. Erfindungsgemäß ist gemäß einer ersten Lösung DOLLAR A a) ein Faseranteil A von 30 bis 50% mit seiner Faserorientierung annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ausgerichtet und/oder weicht in einem Winkel beta von 0 bis 20 DEG , bevorzugt 5-15 DEG , von der Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ab. DOLLAR A b) Ein Faseranteil B von 10 bis 50% bildet mit seiner Faserorientierung einen Winkel alpha von 35 bis 55 DEG bezüglich der Richtung der Längserstreckung und DOLLAR A c) ein Rest R ist annähernd in Umfangsrichtung, also senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ausgerichtet und/oder weicht in einem Winkel gamma von 70 bis 90 DEG , bevorzugt 78-89 DEG , von der Richtung der Längserstreckung ab. DOLLAR A Eine zweite Lösung der Erfindung gibt veränderte Faserorientierungen an.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tragbalken für eine lang gestreckte Funktionseinheit, bestehend aus einem lang gestreckten, hohlförmigen Körper mit rundem oder polygonalem Querschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei der Körper in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von weniger als 2 × 10^–6 1/K aufweist.
Tragbalken dienen zur Lagerung und Abstützung beispielsweise von Schaberklingen, mit denen in Papiermaschinen die Mantelflächen von Trockenzylindern gereinigt werden oder um die Papier- oder Kartonbahn von der Mantelfläche abzunehmen. Insbesondere in Streichmaschinen stützen sich Auftragseinrichtungen und rakel – bzw. Egalisiereinrichtungen auf den maschinenbreiten tragbalken ab. Derartige Teile werden in den genannten Maschinen unterschiedlichen thermischen Einflüssen ausgesetzt. Durch das Auftragsmedium (in Streichmaschinen) oder in Trockenpartien (innerhalb der Papiermaschine) kann eine einseitige Erwärmung über die Balkenlänge hinweg stattfinden. Auch beim Spülen von Düsen-Auftragswerken oder durch unterschiedliche thermische Beaufschlagung zwischen Betrieb und Stillstand sind Durchbiegungen aufgrund inhomogener, thermischer Ausdehnung am Auftragswerk die Folge. Derartige Tragbalken sind üblicherweise aus Stahl gefertigt. Durch die verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnung metallischer Werkstoffe von über 10 × 10^–6 1/K ergeben sich aus der inhomogenen, thermisch bedingten Verbiegung erhebliche Probleme bezüglich der Fertigungstoleranzen beim Betrieb der Anlagen. Insbesondere verursachen bei Rakeleinrichtungen in Auftragswerken derartige Verbiegungen eine ungleichmäßige Schichtdicke der aufgetragenen Streichfarbe.

Wesentliche Weiterentwicklungen der Tragbalken in jüngerer Zeit führten zu Faserverbundwerkstoffen, die eine mit Stahl vergleichbare hohe Biegesteifigkeit aufweisen. So sind aus der Offenlegungsschrift DE 100 59 281 A1 Tragbalken aus Kohlefaserwerkstoffen für eine Papier- oder Streichmaschine bekannt, die im Wickelverfahren hergestellt sind. Mit dem Wickelverfahren sollen Tragbalken nicht nur biegesteif, sondern auch schwingungsarm konstruiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragbalken der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher die für den Einsatz erforderliche Biegesteifigkeit besitzt und möglichst keine ungleichmäßige thermisch bedingte Verformung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Tragbalken nach Anspruch 1 und einen Tragbalken nach Anspruch 2 gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Tragbalken für eine lang gestreckte Funktionseinheit, bestehend aus einem lang gestreckten, hohlförmigen Körper mit rundem oder polygonalem Querschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff mit Halterungen vorgesehen, wobei der Körper in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von weniger als 2 × 10^–6 1/K aufweist und wobei gemäß einer ersten Lösung ein Faseranteil A von 30 bis 50 % mit seiner Faserorientierung annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet ist.

Dieser Faseranteil kann auch in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5° bis 15° von der Richtung der Längserstreckung des Körpers abweichen.

Ein Faseranteil B von 10 bis 50 % bildet erfindungsgemäß mit seiner Faserorientierung einen Winkel ☐ von 35 bis 55° bezüglich der Richtung der Längserstreckung. Ein verbleibender Rest ist dann annähernd in Umfangsrichtung, also senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet und/oder in einem Winkel γ von 70° bis 90°, bevorzugt 78° bis 89° von der Richtung der Längserstreckung des Körpers abweichend.

Gemäß einer zweiten Lösung ist ein überwiegender Faseranteil A von 70–90 %, bevorzugt aber gleich oder größer als 80 %, annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet. Dabei können auch Abweichungen von der Richtung der Längserstreckung in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5–15° auftreten. Der Rest, der hier ein Faseranteil B von 10–30 %, bevorzugt gleich oder kleiner als 20 % ist, ist annähernd in Umfangsrichtung, d.h. senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers, ausgerichtet. Auch hierbei können Abweichungen der Faserorientierung in einem Winkel γ von 70 bis 90 %, bevorzugt 78 bis 89% von der Umfangsrichtung vorhanden sein.

Durch die beiden vorgeschlagenen Lösungen der Faserorientierung, lässt sich eine höhere Biegesteifigkeit sowie ein geringerer Wärmeausdehnungskoeffizient als bisher erreichen.

Insbesondere lässt sich der Tragbalken bzw. der besagte Körper in einer Papier- und/oder Veredelungsmaschine einsetzen. Bei der letztgenannten Maschine ist an eine Streichmaschine zum direkten oder indirekten Beschichten einer laufenden Materialbahn, insbesondere aus Papier oder Karton gedacht.

Die Erfindung schlägt außerdem einen Tragbalken aus einem Faserverbundwerkstoff vor, der aus zumindest einem, entsprechend den thermischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählten Fasertyp besteht und mit Kunstharz zu einem kompakten lang gestreckten, hohlförmigen Körper mit rundem oder polygonalem Querschnitt verbunden ist. Die im Wärmeausdehnungskoeffizienten anisotropen Fasern können hierzu lagenweise auf einen Wickeldorn bis zur gewünschten Wandstärke aufgebracht und mit Kunstharz getränkt werden, welches anschließend ausgehärtet wird.

Die oben beschriebenen Winkel der Faserorientierung in Bezug auf die Richtung der Längserstreckung und/oder der Umfangsrichtung werden dabei erfindungsgemäß variiert.

Beim Einsatz, beispielsweise in einer Streichmaschine, findet bei derartigen Tragbalken eine lokal unterschiedliche Erwärmung durch das Auftragsmedium statt. Derartige Faserverbundwerkstoffe verleihen den Tragbalken außer der erforderlichen Biegesteifigkeit eine entsprechende Beständigkeit gegen thermisch bedingte, ungleichmäßige Verformungen. Durch die Beseitigung thermischer Störeinflüsse können in Streichmaschinen beim Auftragen der Streichfarbe gleichmäßigere Schichtdicken erzielt werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Tragbalken in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung zwischen –1 × 10^–6 und +1 × 10^–6 1/K aufweisen kann. Hierdurch wird gegenüber bisherigen Lösungen die thermische Verformung auch bei einer Balkenlänge von bis zu 12 m so weit reduziert, dass die an Papier- oder Streichmaschinen auftretenden thermischen Störeinflüsse nur noch untergeordnete Bedeutung haben.

Durch eine geeignete Auswahl unterschiedlicher Wickelwinkel ☐ und β und γ können die anisotropen thermischen und mechanischen Eigenschaften der Faserwerkstoffe in besonderer Weise genutzt werden. Vorteilhafterweise kann der Tragbalken in Richtung seiner Längserstreckung keine Wärmeausdehnung aufweisen. Hierdurch kann unabhängig von lokal unterschiedlicher Erwärmung von einer Nullausdehnung über die gesamte Länge ein verformungsfreier Zustand erzeugt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften und daher bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der resultierende E-Modul in Richtung der Längserstreckung des Körpers mindestens 60 GPa betragen kann. Über diesem Wert kann zudem die Schwingungsanfälligkeit des Tragbalkens deutlich reduziert werden. Vorteilhafterweise liegt der resultierende E-Modul in Richtung der Längserstreckung des Körpers zwischen 80 und 300 GPa.

In bevorzugter Ausführungsform können die Halterungen mit dem lang gestreckten, hohlförmigen Körper durch Aufschrumpfen, Kleben, Nieten, Verschraubungen oder einer Kombination dieser Anbindungsmöglichkeiten verbunden sein. Hierdurch kann ein Formschluss oder Kraftschluss erzielt werden, der bei der Instandhaltung nach Bedarf auch das Auswechseln einzelner Maschinenkomponenten ermöglicht.

Es können vorteilhafterweise als Faserverbundwerkstoffe Kohlefaserwerkstoffe (CFK), Glasfaserwerkstoffe (GFK), Aramid oder deren Kombination Verwendung finden. Auch unterschiedliche Faserarten können lagenweise übereinander folgen. Mit Wechsellagen kann bezüglich der Biegesteifigkeit und der Längenausdehnung eine entsprechende Anpassung der jeweiligen thermischen und mechanischen Eigenschaften vorgenommen werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Faserverbundwerkstoff einen Faseranteil von 40 bis 70% aufweisen. Hierdurch kann unter bevorzugter Verwendung von Kohlefaserwerkstoffen bereits ab einem Anteil ab 40% die für einen Einsatz benötigte Biegesteifigkeit erreicht werden. Derartige Fasern zeichnen sich als Werkstoffe mit besonders hoher Festigkeit aus.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.

Nachzutragen ist, dass der erfindungsgemäße Tragbalken sich auch einsetzen lässt für in Streichmaschinen vorgesehene Rakeleinrichtungen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
1 einen Querschnitt eines Direktstreichaggregates mit Freistrahl-Auftragswerk,
2, 2a, 2b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Tragbalkens mit Faserwicklungen,
3 einen Querschnitt eines Direktstreichaggregates mit Walzenauftrag
4 einen Querschnitt eines indirekten Auftragswerks Die in der Figur gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
In 1 ist die Einbindung eines als Rakelbalken ausgestalteten Tragbalkens 2 im Zusammenhang mit einem Auftragswerk 1 dargestellt. Bei dem Auftragswerk 1 handelt es sich um ein Direktstreichaggregat, welches als so genannter JetFlowF bezeichnet wird. Bei diesem Auftragswerk wird ein freier, durch Druck- unterstützter Auftragsmediumsstrahl, beispielsweise Streichfarbe, von einer Freistrahldüse geformt. Die Querverteilung der Farbe erfolgt durch ein Farbverteilerrohr 5 über die gesamte Maschinenbreite. Die Freistrahldüse wird von einem Tragbalken 2a gehalten, der auch das Verteilrohr beinhaltet. Beim direkten Auftrag läuft die Materialbahn 7 an der Düse vorbei und wird direkt mit dem freien Strahl des Auftragsmediums beaufschlagt. Dabei wird die Materialbahn 7 kontinuierlich über eine Gegenwalze 6 in Laufrichtung L zum Rakelbalken 2 transportiert. Mit dem Rakelelement (z.B. einer Klinge) des Rakelbalkens 2 wird die überschüssige Farbe abgezogen. Der Farbüberschuss läuft von der Klinge in die Rücklaufrinne 8, wird dort gesammelt und wiederverwertet.
Durch die abgerakelte Streichfarbe wird der Rakelbalken 2 über seinen Umfang unterschiedlich erwärmt. Der Rakelbalken 2 und auch der Tragbalken 2a bestehen aus Faserverbundwerkstoff und besitzen einen polygonalen Querschnitt, deren Körper 3 aus Kohlefaserwerkstoff mit in der Figur nicht dargestellten metallischen Halterungen 4 zum Einbau in Haltevorrichtungen bestehen. Die Faserwicklungen sind gemäß der erfindungsgemäßen Lösung unter den jeweiligen Winkeln α, β, γ mehrlagig in Bahnen angeordnet und beispielsweise mit Epoxidharz verbunden. Die Kohlefaserwerkstoffe mit ihren besonders hohen Festigkeitswerten von 200 bis zu 700 GPa verleihen den Tragbalken 2 und 2a einerseits die erforderliche Biegesteifigkeit und andererseits die entsprechende Beständigkeit gegen thermisch bedingte, ungleichmäßige Verformungen. Durch die Beseitigung thermischer Störeinflüsse wird in Streichmaschinen beim Auftragen der Streichfarbe ein glatter und gleichmäßiger Farbfilm erzeugt.
Eine Wicklung kann so, wie in 2 dargestellt, erfolgen. Die 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des, zylindrischen hohlförmigen Körpers 3 eines Tragbalkens 2 mit Faserwicklungen 9, bei denen sich der Winkel ☐☐☐ der Faserorientierung jeweils über den Umfang des Balkens kontinuierlich ändert. In radialer Richtung überkreuzen sich die aufeinander folgenden Faserwicklungen 9 unter einem variablen Winkel erfindungsgemäß so, dass der hohlförmige Körper 3 die gewünschten Eigenschaften bezüglich der Biegesteifigkeit und der Längenausdehnung annimmt. So lässt sich insbesondere ein Tragbalken 2 mit einer besonders an die Temperaturunterschiede im Einsatz angepassten geringen Ausdehnung in radialer Richtung und in Längsrichtung herstellen.
In 2a ist eine bevorzugte Ausführungsform des Körpers 3 gezeigt. Ein Faseranteil A von 30 bis 50 % ist hier mit seiner Faserorientierung annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet.
Dieser Faseranteil kann auch in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5° bis 15° von der Richtung der Längserstreckung des Körpers abweichen.
Ein Faseranteil B von 10 bis 50 % bildet erfindungsgemäß mit seiner Faserorientierung einen Winkel σ von 35 bis 55° bezüglich der Richtung der Längserstreckung. Ein verbleibender Rest ist dann annähernd in Umfangsrichtung, also senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet und/oder in einem Winkel γ von 70° bis 90°, bevorzugt 78° bis 89° von der Richtung der Längserstreckung des Körpers abweichend.
2b zeigt eine weitere Lösung, bei der ein überwiegender Faseranteil A von 70–90 %, bevorzugt aber gleich oder größer als 80 %, annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers ausgerichtet ist. Dabei können auch Abweichungen von der Richtung der Längserstreckung in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5–15° auftreten. Der Rest, der hier einen Faseranteil B bildet von 10–30 %, bevorzugt gleich oder kleiner als 20 %, ist annähernd in Umfangsrichtung, d.h. senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers, ausgerichtet. Auch hierbei können Abweichungen der Faserorientierung in einem Winkel γ von 70 bis 90 %, bevorzugt 78 bis 89% von der Umfangsrichtung vorhanden sein.
In 3 ist die Einbindung eines als Rakelbalken ausgestalteten erfindungsgemäßen Tragbalkens 2 im Zusammenhang mit einem Direktstreichaggregat mit Walzenauftrag dargestellt. Dieses Aggregat wird auch als „GL-Coater" bezeichnet, welches bevorzugt in der Kartonproduktion eingesetzt ist.
Im Auftragswerk 1 wird die Streichfarbe gleichmäßig einer Auftragswalze 10 zugeführt (siehe aufstrebender Pfeil). Die Farbe wird danach direkt von der Materialbahn 7 mit einem Rakelelement (das kann ein glatter oder auch profilierter Rakelstab oder eine Klinge sein) auf das gewünschte Strichgewicht gebracht, also dosiert. Der Sitz des Rakelelementes ist Bestandteil des Tragbalkens 2, der deshalb auch als Rakelbalken 2 bezeichnet wird. Die Halterungen 4 gewährleisten engste Toleranzen bei der Anstellung des Balkens. Dies gewährleistet in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Tragbalken 2 aus Faserverbundwerkstoffen konstant gute Strichquerprofile.
In 4 ist die Einbindung eines Tragbalkens 2 für ein indirekt wirkendes Auftragswerkes dargestellt. Dieses Auftragswerk 1 wird als Filpresse oder als Speedsizer bezeichnet. Der Tragbalken 2 ist dabei über ein Verbindungselement 11 mit dem Farbverteilerrohr 5 verbunden, welches wiederum mit einer Düsenkammer 12 in Verbindung steht. Aus dieser Kammer 12 wird die Streichfarbe auf die vorbeilaufende Materialbahn 7 aufgebracht. Die zur Kühlung dienende Abdeckung 13 ist optional und deckt den Tragbalken 2 zum Teil ab. Durch die geringe Ausdehnung des erfindungsgemäßen Tragkörpers 2 aus Faserverbundwerkstoffen kann auf eine Kühlung dieser Art im Regelfall sogar ganz verzichtet werden.
In den vorliegenden Beispielen ist nur die einseitige Anordnung der Tragbalken 2 gezeigt. Bei beidseitiger Behandlung der Materialbahn 7 sind Tragbalken dementsprechend beiden Bahnseiten zugeordnet.

1: Auftragswerk
2: Tragbalken/Rakelbalken
3: Körper
4: Halterungen
5: Farbverteilerrohr
6: Gegenwalze
7: Materialbahn
8: Rücklaufrinne
9: Faserwicklung
10: Auftragswalze
11: Verbindungselement
12: Düsenkammer
13: Abdeckung
L: Laufrichtung
R: Rest
α: Wickelwinkel
β: Wickelwinkel
γ: Wickelwinkel

Claims

Tragbalken (2, 2a) für eine lang gestreckte Funktionseinheit (1), insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem lang gestreckten, hohlförmigen Körper (3) aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei der Körper (3) in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von weniger als 2 × 10^–6 1/K aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Faseranteil A von 30 bis 50 % mit seiner Faserorientierung annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ausgerichtet ist und/oder in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5–15°, von der Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) abweicht, b) ein Faseranteil B von 10 bis 50 % mit seiner Faserorientierung einen Winkel α von 35 bis 55° bezüglich der Richtung der Längserstreckung bildet und c) ein Rest R annähernd in Umfangsrichtung, also senkrecht zur Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ausgerichtet ist und/oder in einem Winkel γ von 70 bis 90°, bevorzugt 78–89° von der Richtung der Längserstreckung abweicht.
Tragbalken (2, 2a) für eine lang gestreckte Funktionseinheit (1), insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem lang gestreckten, hohlförmigen Körper (3) aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei der Körper (3) in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von weniger als 2 × 10^–6 1/K aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein überwiegender Faseranteil A von 70 bis 90 %, bevorzugt ≥ 80 %, mit seiner Faserorientierung annähernd achsparallel in Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) ausgerichtet ist und/oder in einem Winkel β von 0 bis 20°, bevorzugt 5–15°, von der Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) abweicht, b) ein Faseranteil B von 10 bis 30 %, bevorzugt 20 %, mit seiner Faserorientierung annähernd in Umfangsrichtung des Körpers (3) ausgerichtet ist und/oder in einem Winkel γ von 70 bis 90°, bevorzugt 78–89°, von der Richtung der Längserstreckung abweicht.
Tragbalken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung zwischen –1 × 10^–6 und +1 × 10^–6 1/K aufweist.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) in Richtung seiner Längserstreckung keine Wärmeausdehnung aufweist.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende E-Modul in Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) mindestens 60 GPa beträgt.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende E-Modul in Richtung der Längserstreckung des Körpers (3) zwischen 80 und 300 GPa liegt.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Halterungen (4) vorhesehen sind, die mit dem lang gestreckten, hohlförmigen Körper (3) durch Aufschrumpfen, Kleben, Nieten, Verschraubungen oder einer Kombination dieser Anbindungsmöglichkeiten verbunden sind.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserverbundwerkstoffe Kohlefaserwerkstoffe (CFK), Glasfaserwerkstoffe (GFK), Aramid oder deren Kombination Verwendung finden.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff einen Faseranteil von 40 bis 70% aufweist.
Tragbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweist.
Auftrags- und/oder Rakeleinrichtung in einer Maschine zur Herstellung- und/oder Veredelung einer Materialbahn, insbesondere aus Papier oder Karton, gekennzeichnet durch Tragbalken (2, 2a) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.