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Die
Erfindung betrifft eine Rakelstange für das Dosiersystem einer Vorrichtung
zum Beschichten einer Materialbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn,
ein Dosiersystem mit einer Rakelstange als Dosierelement und eine
Vorrichtung zum Beschichten einer laufenden Materialbahn, insbesondere
einer Papier- oder Kartonbahn.
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Zum
Beschichten von laufenden Papier- oder Kartonbahnen werden bekannterweise
Vorrichtungen eingesetzt, die ein Auftragssystem zum Auftragen eines
flüssigen
Beschichtungsmaterials im Überschuss
und ein nachfolgendes Dosiersystem mit einer Rakelstange als Dosierelement
aufweisen, die den Überschuss
an Beschichtungsmaterial bis auf das gewünschte Strichgewicht wieder
abrakelt. Das Auftragen und Dosieren erfolgt entweder direkt auf die
Bahn oder indirekt zunächst
auf eine die Bahn umlenkende Walze, die anschließend den dosierten Film von
Beschichtungsmaterial an die Bahn übergibt.
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Ein
Dosiersystem mit einer Rakelstange als Dosierelement ist in der
DE-A 3022955 beschrieben. Die Rakelstange wird in einem Rakelbett
aus gummielastischem Material gehalten, das in einem mit dem Maschinengestell
in Verbindung stehenden Halter gelagert ist. An seiner der Rakelstange
abgewandten Rückseite
wird das Rakelbett von einem Druckschlauch abgestützt, so
dass sich die Dicke des dosierten Films auf der Walze oder der Bahn
begrenzt über
den Druck im Druckschlauch variieren läßt. Im Rakelbett sind zwei
parallel zur Rakelstange verlaufende und zur Rakelstange hin offene
Spülkanäle angeordnet,
in die eine Spülflüssigkeit,
z.B. Wasser, eingeleitet werden kann, um die Lagerung der Rakelstange
zu schmieren und eingedrungenes Beschichtungsmaterial zu entfernen.
Derartige Rakel-Dosiersysteme, bei denen das Rakelbett von einem
Druckschlauch abgestützt
wird, werden als Rollschaber-Systeme
bezeichnet. Sie werden zum direkten Dosieren auf der Bahn in einem
Bereich eingesetzt, in dem diese von einer Gegenwalze abgestützt wird. Es
sind auch sogenannte Rollrakel-Systeme bekannt, bei denen die Bahn
in einem freilaufenden Bereich um die Rakelstange geführt wird.
Bei diesen Systemen ist das Rakelbett ohne Druckschlauch in einem
starren Halter befestigt.
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Die
Rakelstangen sind üblicherweise
aus Stahl mit einem Durchmesser zwischen 6 mm–40 mm gefertigt. Da sie sich
quer über
die Bahn erstecken, entspricht ihre axiale Länge der Breite der zu beschichtenden
Bahn, die bis zu 12 m betragen kann. Die beim Beschichten von Papier-
oder Kartonbahnen üblicherweise
als Beschichtungsmaterial verwendeten Pigmentstreichfarben sind
sehr abrasiv. Daher ist es zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit bekannt,
die Rakelstangen an ihrer Oberfläche
mit verschleißfesten
Materialien zu beschichten.
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Je
nach Anwendungsfall werden Rakelstangen mit glatter Mantelfläche oder
Rakelstangen mit Umfangsrillen eingesetzt. Bei Rakelstangen mit
glatter Mantelfläche
stellt sich im Betrieb ein geringer Spalt zu der zu beschichtenden
Bahn ein, durch den das Beschichtungsmaterial in der gewünschten
Menge durchtritt. Rakelstangen mit Umfangsrillen liegen beim Dosieren
an der Bahn oder Walze an. Das verbleibende Strichgewicht wird primär durch
den Rillenquerschnitt bestimmt, durch den das Beschichtungsmaterial
durchtreten kann. Das charakteristische, das verbleibende Strichgewicht
bestimmende Merkmal einer gerillten Rakelstange wird als Volumenindex
bezeichnet. Unter Volumenindex versteht man den Quotient aus der
Querschnittsfläche
einer Rille und dem Abstand der Mittellinien zweier benachbarter
Rillen. Der Volumenindex wird üblicherweise
in ml (milliliter = 10–6 m3)
pro m2 angegeben. Er gibt somit die verbleibende
Strichmenge an Beschichtungsmaterial pro m2 der
Bahn direkt an. Bei den bekannten Rakelstangen mit Umfangsrillen
sind diese umfänglich
in Form einer Schraubenlinie verlaufend in einen zylindrischen Grundkörper eingearbeitet.
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Die
Rakelstange wird in einer Nut des Rakelbetts gehalten, wobei die
Nut mit zwei lippenförmigen Vorsprüngen die
Rakelstange 180° und
mehr umfaßt, um
diese im Betrieb sicher zu halten und zugleich das Rakelbett mit
den Spülkanälen gegen
Eintritt von Beschichtungsmaterial und gegen Austreten von Spülflüssigkeit
(üblicherweise
Wasser) abzudichten.
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Bei
der Verwendung von den bekannten Rakelstangen mit schraubenlinienförmigen Umfangsrillen
hat es sich im Betrieb als sehr schwierig gezeigt, das Rakelbett
gegen die Rakelstange abzudichten. Aus dem Rakelbett austretendes
Spülwasser
führt zu einem
schwankenden Strich- und Feuchteprofil der beschichteten Bahn, eintretendes
Beschichtungsmaterial beeinträchtigt
die Schmierfunktion der Spülflüssigkeit.
Zudem neigen die Umfangsrillen dazu, zu verschmutzen. Bei Verwendung
von Pigmentstreichfarbe als Beschichtungsmaterial bilden sich im
Betrieb oder bei Stillstand durch trocknende Streichfarbe Anbackungen
in den Rillen, die deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Rakelstange mit
Umfangsrillen bereit zu stellen, die einen gleichmäßigeren
Auftrag bei verlängerten
Standzeiten ohne Verschmutzung ihrer Umfangsrillen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Rillen jeweils in sich geschlossen und senkrecht zur Längsachse
der Stange verlaufen, die Mittellinien zweier benachbarter Rillen
in einem Abstand (d) zwischen 0,1 mm und 0,8 mm, bevorzugt zwischen
0,15 mm und 0,4 mm, voneinander verlaufen, und dass die Rillen im
Querschnitt so gestaltet sind, dass ihr Volumenindex (= Querschnittsfläche F einer
Rille / Abstand d zwischen den Mittellinien zweier benachbarter
Rillen) 5 ml/m2 bis 150 ml/m2,
bevorzugt 5 ml/m2 bis 60 ml/m2,
beträgt.
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Der
Verlauf und die Form der Umfangsrillen gemäß der Erfindung gewährleisten
zum einen eine gleichmäßige Beschichtung.
Zum anderen ermöglichen
sie es, das Rakelbett so zu gestalten, dass es im Betrieb an der
Dichtungsfläche
ein dem Rillenprofil angepasstes Profil aufweist, damit sich Erhebungen
des Rakelbetts bis in die Rillen erstrecken und so die Rillen abdichten.
Die Erhebungen des Rakelbetts haben neben der dichtenden auch eine
reinigende Wirkung, da sie beim Drehen der Rakelstange Verunreinigungen
und Anbackungen in den Rillen abstreifen.
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Es
bestehen folgende Möglichkeiten,
beim Einspannen der Rakelstange dichtende Teile des Rakelbetts in
die Rillen zu bewegen: Entweder ist der sich an die Rakelstange
anlegenden Bereich des Rakelbetts so weich und elastisch verformbar,
dass es sich beim Einspannen der Rakelstange in die Rillen drückt, oder
das Rakelbett weist in der Nut ein dem Rillenprofil entsprechendes
Innenprofil auf. Vorteilhaft läßt sich
das Innenprofil zu erzeugen, dass man in einer Einlaufphase vor
oder zu Beginn der Beschichtung die Rillen sich in eine glatte Innenfläche des
Rakelbetts eingraben läßt und so
angepaßte
Erhebungen bildet.
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Die
Unteransprüche
enthalten bevorzugte, da besonders vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Die
Zeichnung dient zur Erläuterung
der Erfindung anhand von vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
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1 einen
Querschnitt durch eine Vorrichtung zum indirekten Auftragen von
Streichfarbe auf eine Papier- oder Kartonbahn,
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2 vergrößert das
Auftrag- und Dosiersystem aus 1,
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3 eine
Rakelstange nach der Erfindung,
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4 eine
Vorrichtung zum direkten Auftragen auf eine Bahn,
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5–7 ein
Dosiersystem, das eine oszillierende Bewegung ausführen kann,
und die
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8–11 verschiedene
Dosiersysteme mit einer Einrichtung zum Vorspannen des Rakelbetts
und/oder der Rakelstange.
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Alle
in den Figuren dargestellten und nachfolgend näher beschrieben Ausführungsformen
dienen zum Beschichten von Papier- oder Kartonbahnen mit Pigmentstreichfarben.
Bei diesen Beschichtungsvorrichtungen läßt sich eine erfindungsgemäße Rakelstange
besonders vorteilhaft als Dosierelement einsetzen.
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Die
Vorrichtung nach 1 dient zum indirekten Auftragen
der Streichfarbe auf die Bahn 1. Ein vordosierter Film
von Beschichtungsmaterial wird zunächst auf zumindest eine Walze 2, 3 aufgetragen und
anschließend
von dieser an die Bahn 1 abgegeben. Die Vorrichtung nach 1 enthält für einen beidseitigen
Auftrag zwei Presswalzen 2, 3, zwischen denen
die Bahn 1 in einem Preßspalt durchgeführt wird,
in dem die Streichfarbe an die beiden Seiten der Bahn abgegeben
wird. An der dem Preßspalt abgewandten
Seite ist jeder Preßwalze 2, 3 ein
Auftrag- und Dosiersystem 4 zugeordnet, mittels dem zunächst Steichfarbe
im Überschuß auf die
jeweilige Walze 2, 3 aufgetragen und anschließend von
einer Rakelstange 5 bis auf das gewünschte Strichgewicht abgerakelt
wird.
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Das
in 2 vergrößert dargestellte
Auftrag- und Dosiersystem 4 enthält in Drehrichtung zunächst eine
Auftragkammer 6, die zur Walze 2 hin offen ist und
der Steichfarbe im Überschuß zugeführt wird. Der Überschuß fließt gegen
die Drehrichtung der Walze 2 in eine Auffangwanne 7 ab.
Die Zufuhr der Streichfarbe in die Auftragkammer 6 erfolgt über einen
Zuführkanal 8.
Auslaufseitig wird die Auftragkammer 6 von einem Dosiersystem
abgeschlossen, das als Dosierelement die Rakelstange 5 enthält.
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Die
Rakelstange 5 ist in einem zur Bahn 1 hin teilweise
offenen Rakelbett 9 mittels eines Drehantriebs drehbar
gelagert ist. Ihr Aufbau ist in 3 detailierter
dargestellt:
Sie besteht aus einem zylinderförmigen,
bevorzugt aus Stahl, beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl, gefertigten
Grundkörper 10,
in dessen Aussenfläche umlaufende
Rillen 11 eingearbeitet sind. Die Rillen 11 sind
jeweils in sich geschlossen und verlaufen senkrecht zur Längsachse 12 der
Rakelstange 5. Die Mittellinien zweier benachbarter Rillen 11 verlaufen
in einem Abstand d zwischen 0,1 mm und 0,8 mm, bevorzugt zwischen
0,15 mm und 0,4 mm, voneinander. Die Tiefe t einer Rille 11 – gemessen
vom Grund bis zur höchsten
Erhebung- beträgt
0,015 mm bis 0,350 mm.
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Bevorzugt
sind die umlaufenden Rillen 11 im Querschnitt so gestaltet
sind, dass ihre Begrenzungslinien in Form eines Sinus, eines Trapezes oder
eines konvex nach außen
gewölbten
Halbkreises verlaufen. Bei jedem Querschnitt beträgt der Volumenindex
(= Querschnittsfläche
F einer Rille/Abstand d) 5 ml/m2 bis 150
ml/m2, bevorzugt 5 ml/m2 bis 60
ml/m2.
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Bevorzugt
ist die Rakelstange 5 außen mit einer Schutzschicht,
insbesondere aus Chrom oder Keramik, gegen Verschleiß beschichtet.
Ihr äußerer Durchmesser
beträgt
9 mm–38
mm, bevorzugt 9 mm–25
mm, insbesondere 9 mm–14
mm. Die axiale Länge
der Rakelstange 5 entspricht der Arbeitsbreite der Beschichtungsvorrichtung,
die bis zu 12 m betragen kann.
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Bevorzugt
werden die umlaufenden, in sich geschlossenen Rillen 11 durch
sogenanntes "Rollwalzen" erzeugt. Dazu wird
der zylindrische Grundkörper 10 in
seiner Achsrichtung zwischen zwei angetrieben Werkzeugen vorwärts bewegt,
von denen die Rillen 11 eingedrückt werden. Die beiden Werkzeuge
sind zylinderförmig
und weisen auf ihrer Mantelfläche
Erhebungen in Form der Rillen auf, die ein- oder mehrgängig in
Schraubenlinienform verlaufen. Die zylinderförmigen Werkzeuge sind so in
einem geringen Winkel schräg
gestellt, dass die Stange in axialer Richtung vorgeschoben und dabei
so gedreht wird, dass umlaufende, in sich geschlossene Rillen 11 eingedrückt werden.
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Das
die Rakelstange 5 haltende Rakelbett 9 ist aus
einem Elastomer (Gummi oder Kunststoff) gefertigt, vorzugsweise
aus Polyurethan mit einer Härte von
50 Shore A bis 65 Shore D. Auf bekannte Weise weist das Rakelbett 9 eine
Nut auf, in die die Rakelstange 5 eingelegt wird, wobei
die Rakelstange 5 in einem Winkelbereich von zumindest
180° umfaßt wird,
damit sie sicher gehalten wird. Das Rakelbett 9 ist über die
Arbeitsbreite der Beschichtungsvorrichtung, also die Länge der
Rakelstange 5 mit gleichbleibendem Querschnitt ausgestaltet.
In das Rakelbett 9 ist zumindest ein zur Rakelstange 5 hin
offener Kanal eingearbeitet, in den während des Betriebes Wasser als
Schmier- und Reinigungsmittel eingeleitet wird.
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Beim
Einspannen der Rakelstange 5 bewegen sich dichtende und
reinigende Teile des Rakelbetts 9 in die Rillen 11.
Nach einer Ausführungsform ist
dazu der sich an die Rakelstange 5 anlegenden Bereich des
Rakelbetts 9 so weich und elastisch verformbar, dass sich
Teile des Rakelbettes 9 beim Einspannen der Rakelstange 5 in
die Rillen 11 drücken und
so diese abdichten. Alternativ weist das Rakelbett 9 in
der Nut ein dem Rillenprofil entsprechendes Innenprofil auf. Vorteilhaft
läßt sich
das Innenprofil so erzeugen, dass man in einer Einlaufphase vor
oder zu Beginn der Beschichtung die Rillen 11 sich in eine glatte
Innenfläche
des Rakelbetts 9 eingraben läßt und so angepaßte Erhebungen
bildet.
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Das
Rakelbett 9 ist auf bekannte Weise mit seinem Fuß 12 in
einem Tragbalken 13, der Teil des Rahmens des Dosiersystems 4 ist,
lösbar
festgeklemmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Klemmung
des Fußes 12 mit
einem Klemmelement bewirkt, das sich quer über die Arbeitsbreite der Beschichtungsvorrichtung
erstreckend in einer zum Fuß 12 hin
offenen Nut eines abgewinkelten Lagerteils 14 angeordnet
ist, das auf dem Tragbalken 13 festgeschraubt ist. Oben
am senkrechten Schenkel des Lagerteils 14 ist ein Druckschlauch 15 befestigt, der
sich quer über
die Länge
des Rakelbetts 9 erstreckt. Der Druckschlauch 15 stützt sich
am Rahmen des Systems ab und drückt
gegen die Rückseite des
Rakelbetts 9, um den gewünschten Anpressdruck der Rakelstange 5 gegen
die Walze 2, 3 aufzubauen.
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Beim
indirekten Auftragen besteht die Gefahr, das sich die Erhebungen
zwischen den Umfangsrillen bei längeren
Betriebszeiten in die Walzen 2,3 eingraben, gegen
die die Rakelstange 5 gedrückt wird. Um Riefen und somit
Unregelmäßigkeiten
im Strichprofil zu verhindern, wird dazu der Tragbalken 13 mit
den daran gelagerten Elementen des Dosiersystems 4 in eine
oszillierende Bewegung in Richtung der Längsachse der Rakelstange 5 versetzt.
Der Hub der oszillierenden Bewegung wird dabei so gewählt, dass
er kein Vielfaches des Rillenabstandes d beträgt. Die Frequenz der Oszillation
beträgt
einige Hertz; z.B. 2–3
Hz.
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In
den 5–7 ist
ein Dosiersystem 4 schematisch dargestellt, bei dem der
Tragbalken 13 mit dem daran gelagerten Teilen des Dosiersystems 4 (Rakelbett 9 mit
Rakelstange 5, Drehantriebe der Rakelstange 5)
mittels eines Antriebs in eine oszillierende Bewegung in Richtung
der Längsachse
der Walze 2 und somit auch in Achsrichtung der Rakelstange 5 versetzen
läßt. Die 5–7 zeigen
die verschiedenen Positionen des Dosiersystems 4 relativ
zur Walze 2. Durch die Oszillation wechseln die Erhebungen
der Rakelstange 5 jeweils ihre Position auf der Walzenoberfäche. Diese
wird somit gleichmäßig über die
gesamte Fläche
belastet und ein ungleichmäßiger Abrieb
wird verhindert.
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Die
Rakelstange 5 nach der Erfindung kann ebenso vorteilhaft
in einer Beschichtungsvorrichtung eingesetzt werden, bei dem das
Beschichtungsmaterial direkt auf die Papier- oder Kartonbahn 1 aufgetragen
und auf dieser dosiert wird. In 4 ist ein
sogenanntes Rollschaber-System dargestellt, bei dem die Bahn 1 im
Bereich des Dosiersystems von einer Gegenwalze 16 abgestützt wird.
Ansonsten stimmt die Vorrichtung in Aufbau und Funktion mit der
Vorrichtung nach 1 überein, daher sind die übereinstimmenden
Merkmale auch mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht bei sogenannten
Rollrakel-Systemen, bei denen die Bahn in einem freien Abschnitt
ohne Abstützung
durch eine Walze über
die Rakelstange geführt
wird.
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Da
sich beim Einspannen der Rakelstange 5 Teile des Rakelbetts 9 in
die Rillen 11 bewegen, werden die Rakelstange 5 und
das Rakelbett 9 in Achsrichtung formschlüssig verbunden.
Dieser Formschluß kann
bei Beschichtungsvorrichtungen, die im Betrieb starken Temperaturunterschieden
unterworfen werden, durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Rakelbett 9 und
Rakelstange 5 verloren gehen, die Erhebungen des Rakelbetts 9 werden
in axialer Richtung aus den Rillen 11 geschoben.
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In
den 8–11 ist
dargestellt, wie diesem negativen Effekt durch eine Vorspannung
des Rakelstange 5 und/oder des Rakelbettes 9 in
Längsrichtung
der Rakelstange (5) entgegen gewirkt werden kann:
Die
Ausgangsposition bei Zimmertemperatur, also ohne Wärmeausdehnung
in axialer Richtung, des Rakelbetts 9 ist mit A0, die der Rakelstange 5 mit B0 bezeichnet.
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Da
sich das Rakelbett 9 aus Kunststoff bei Erwärmung um
einen Faktor größer 30 stärker als
die Rakelstange 5 aus Stahl ausdehnt, reicht es in einigen
Anwendungsfällen,
insbesondere bei geringen Arbeitsbreiten und geringen Temperaturschwankungen
aus, nur das Rakelbett 9 mechanisch in Achsrichtung bis
auf die maximale Wärmeausdehnung
A1 vorzuspannen. Diese Position ist so gewählt, dass sich
die Erhebungen des Rakelbetts 9 in den jeweiligen Rillen 11 der
Rakelstange 5 befinden. Erwärmt sich nun das Rakelbett 9,
so vergrößert sich
nicht seine Länge,
sondern die Vorspannung wird abgebaut (8).
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Falls
es erforderlich ist, auch einer Wärmeausdehnung der Rakelstange 5 entgegen
zu wirken, wird auch diese bis auf ihre maximale Längenausdehnung
vorgespannt. In 9 ist die vorgespannte Position
der Rakelstange 5 mit B1 bezeichnet.
Ist die Rakelstange 5 in Position B1 und
das Rakelbett 9 in Position A1,
so befinden sich die Erhebungen des Rakelbetts 9 in den
jeweiligen Rillen 11 der Rakelstange 5. Erwärmen sich
nun das Rakelbett 9 und die Rakelstange 5, so
vergrößert sich
nicht deren Länge,
sondern die Vorspannungen werden abgebaut.
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In 10 ist
eine vorteilhafte Ausführungsform
dargestellt, bei der das Rakelbett 9 und die Rakelstange 5 miteinander
gekoppelt gelagert sind. Die Rakelstange 5 ist gegen axiale
Verschiebung gesichert in einem Lagerteil 17 drehbar gelagert,
das selbst axial verschiebbar gelagert ist. Die Vorspannungseinrichtung
des Rakelbetts 9 ist über
einen Bügel 18 an
der verschiebbaren Lagerung 17 der Rakelstange 5 befestigt.
Bei dieser Ausführungsform
wird zunächst
nur das Rakelbett 9 in die Position A1 vorgespannt,
in der sich die Erhebungen des Rakelbetts 9 in den jeweiligen
Rillen 11 der Rakelstange 5 befinden. Dehnt sich
nun die Rakelstange 5 durch Erwärmung aus, so zieht ihre Lagerung 17 das
Rakelbett 9 im gleichen Maße mit. Rakelbett 9 und
Rillen 11 bleiben so relativ zueinander unverändert.
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Die
gekoppelte Lagerung bietet zugleich die vorteilhafte Möglichkeit,
das Rakelbett 9 mit der Rakelstange 5 oszillierend
axial zu bewegen, um -wie vorstehend beschrieben- die Entstehung
von Riefen in der Walze 2, 3 zu verhindern. Diese
Ausführungsform
ist in 11 dargestellt, wobei die beiden
Pfeile die Richtungen der Oszillationsbewegung anzeigen.