-
Die
Erfindung betrifft eine Rollenwickeleinrichtung, die zwei Tragwalzen
aufweist, die ein Wickelbett bilden, in dem beim Wickeln eine Wickelrolle angeordnet
ist.
-
Um
die Wickelrolle zu erzeugen, wird mindestens eine der beiden Tragwalzen
angetrieben und versetzt dadurch die Wickelrolle in Rotation. Bei
dieser Rotation zieht die Wickelrolle eine Materialbahn auf sich.
Ihr Durchmesser steigt.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand einer Papierbahn als Beispiel
für eine
Materialbahn beschrieben. Sie ist jedoch auch bei anderen Materialbahnen
anwendbar, die auf ähnliche
Weise gewickelt werden müssen.
-
Papierbahnen
werden in großer
Breite von derzeit über
10 m und quasi endlos produziert. Um für einen späteren Verwender, beispielsweise
eine Druckerei, handhabbar zu sein, müssen sie auf eine geringere
Breite im Bereich von 0,2 bis 4,8 m geschnitten und dann zu Wickelrollen
mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 2,5 m aufgewickelt werden.
Das Aufwickeln erfolgt dabei mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung
von 2000 bis 3000 m/min. Das Wickeln einer Rolle dauert größenordnungsmäßig etwa
5 bis 15 Minuten, wobei in Abhängigkeit
vom Durchmesser natürlich Überschreitungen oder
Unterschreitungen dieser Zeiten möglich sind.
-
Man
hat nun beobachtet, daß insbesondere beim
Wickeln von Papierbahnen mit einem hohen Haftreibwert Schwierigkeiten
auftreten. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Haftreibwert der
Papierbahnlagen untereinander größer ist
als 0,5, insbesondere den Wert 0,7 und mehr erreicht. Beim Wickeln
solcher Papiere kommt es häufig
zu starken Vibrationen, die sich wiederum negativ auf die Wickelrollen
auswirken.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Probleme beim Wickeln von
Materialbahnen mit hohem Haftreibwert zu vermindern.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Rollenwickeleinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß mindestens
eine Tragwalze einen Schwingungstilger aufweist.
-
Man
geht dabei von der Überlegung
aus, daß sich
bei Materialbahnen mit hohem Haftreibwert die einzelnen Bahnlagen
in der Wickelrolle praktisch nicht gegeneinander verschieben können. Dies
hat zur Folge, daß sich
dynamisch bedingte Wickelhärtedifferenzen
am Umfang der Wickelrolle einstellen, die zu Radienveränderungen
am Umfang der Wickelrolle führen,
weil durch die fehlende Bahnlagenverschiebung diese Wickelhärteunterschiede
nicht ausreichend egalisiert oder verwischt werden können. Mit anderen
Worten verbleibt bei jeder dynamischen Verformung der Wickelrolle
bzw. der dynamischen Belastung der Wickelrolle an den Tragwalzen
ein kleiner Anteil als bleibende ortsfeste Verformung, welche dann
beim Wiedereinlauf in eine Wickelkontaktzone wie eine Wegerregung
wirkt. Dieser regenerative Effekt führt beim Zusammentreffen der
ein oder anderen Harmonischen der Wickeldrehzahl mit bestimmten
Eigenfrequenzen des Wickelsystems aus Tragwalzen und Wickelrolle
zu einem Selbsterregungsprozeß.
Man kann diesen Selbsterregungsprozeß stören, indem man bei mindestens
einer Tragwalze einen Schwingungstilger vorsieht. Dieser Schwingungstilger
kann zwar nicht das Entstehen von Schwingungen verhindern. Er wirkt
sich aber positiv auf den Aufschwingvorgang aus, indem er den Schwingungen
Energie entzieht. Man wird also nach wie vor eine gewisse Schwingungsneigung
beobachten können.
Allerdings ist die Auswirkung dieser Schwingung dann wesentlich
geringer.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß der
Schwingungstilger eine Eigenfrequenz aufweist, die auf eine Frequenz
in einem vorbestimmten Bereich unterhalb der zweithöchsten Kontakteigenfrequenz
zum Ende des Wickelvorgangs zwischen der Tragwalze und der Wickelrolle
abgestimmt ist. Der vorbestimmte Bereich hat eine Größenordnung
von etwa 5 bis 10 % der Eigenfrequenz. Erstaunlicherweise bleibt die
absolute Größe der Problemfrequenz
(in einigen Fällen
gibt es auch mehrere Problemfrequenzen) bei unterschiedlichen Wickeldurchmessern
relativ konstant. Es ergeben sich auch praktisch keine Abhängigkeiten
von der Produktionsgeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit, mit
der die Materialbahn auf die Wickelrolle aufgewickelt wird. Die
Eigenfrequenz des Schwingungstilgers wird dann auf die Frequenz
eingestellt, die unterhalb der zweithöchsten Kontakteigenfrequenz
zwischen Tragwalze und Wickelrolle liegt, bei der sich am Umfang
der Wickelrolle ein ganzzahliges Wellenmuster ergeben würde. Wenn
man diese Frequenz genau trifft, hat man das Optimum erreicht. Da sich
der Umfang der Wickelrolle mit zunehmendem Durchmesser vergrößert, ist
es allerdings praktisch nicht möglich,
diese Bedingung durchgehend einzuhalten. Es reicht aber in den meisten
Fällen
aus, wenn man den Schwingungstilger so dimensioniert, daß er für einen
bestimmten Durchmesser, der beispielsweise bei einem Durchmesser
von 80 bis 100 des Enddurchmessers liegt, diese Bedingung erfüllt. Für die übrigen Durchmesserbereiche
ist der Schwingungstilger noch in ausreichendem Maße in der
Lage, die entstehenden Schwingungen abzudämpfen. Da die Tilgerfrequenz
unterhalb der zweithöchsten Kontakteigenfrequenz
liegt, dämpft
der Tilger zwar nicht optimal, bezogen auf eine einzelne Frequenz. Sie
deckt aber den zu erwartenden Frequenzverlauf bei zunehmendem Durchmesser
der Wickelrolle besser ab als eine Tilgerfrequenz, die oberhalb
der zweithöchsten
Kontakteigenfrequenz liegt.
-
Vorzugsweise
weist die einlaufseitige Tragwalze den Schwingungstilger auf. Hier
werden die meisten Schwingungen eingetragen. Eine Dämpfung der
ersten Tragwalze führt
also in vielen Fällen
bereits dazu, daß die
Rollenwickeleinrichtung insgesamt in ausreichendem Maße gedämpft wird.
-
Alternativ
dazu können
auch beide Tragwalzen jeweils einen Schwingungstilger aufweisen.
Dies ergibt eine verbesserte Schwingungsdämpfung. Jede Tragwalze kann
dann auf die eigene Kontaktfrequenz mit der Wickelrolle abgestimmt
werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Tragwalzen
unterschiedliche Durchmesser aufweisen oder ihr Kontaktnip mit der
Wickelrolle in unterschiedlichen Höhen, bezogen auf die Schwerkraftrichtung, angeordnet
sind.
-
Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger als passiver Schwingungstilger mit einer
Tilgermasse ausgebildet. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, Hilfsenergien
von außen
zuzuführen.
Der Schwingungstilger entzieht dem schwingungsfähigen System einfach dadurch
Energie, daß die
Tilgermasse gegen einen Dämpfer
bewegt wird.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Tilgermasse in der Tragwalze angeordnet ist. Die Walze weist hierzu ein
Walzenrohr oder einen Walzenmantel auf, ist also hohl. In diesem
Hohlraum kann man ohne größeren Zusatzaufwand
die Tilgermasse unterbringen. Dies hat zwei Vorteile. Zum einen
wird Bauraum außerhalb
der Tragwalze eingespart, weil man einen ohnehin vorhandenen, aber
bislang praktisch nicht genutzten Raum innerhalb der Walze verwendet.
Zum anderen kann die Tilgermasse unmittelbar auf die Tragwalze wirken,
muß also
ihre Wirkung nicht auf dem Umweg über irgendwelche Lager oder ähnliches
entfalten.
-
Vorzugsweise
wirkt die Tilgermasse von innen auf einen Walzenmantel. Mit anderen
Worten greift die Tilgermasse von innen am Walzenmantel an. Dies
ist eine sehr unmittelbare Form der Schwingungsdämpfung. Wenn die Rollenwickeleinrichtung in
Schwingungen gerät,
dann entstehen diese Schwingungen primär durch das Zusammenwirken von
Wickelrolle und Walzenmantel. Wenn man dann die Schwingungen direkt
am Walzenmantel abdämpft,
dann verhindert man mit hoher Zuverlässigkeit, daß sich die
Schwingungen weiter ausbreiten.
-
Bevorzugterweise
entspricht die Tilgermasse mindestens 5 % der Masse der Tragwalze.
Je größer die
Tilgermasse ist, desto breiter ist der Frequenzbereich, in dem der
Schwingungstilger wirksam ist. Man muß dementsprechend die Frequenz,
die gedämpft werden
soll, nicht genau treffen. Dies hat umgekehrt die positive Auswirkung,
daß man
im Grunde ein ganzes Frequenzband mit dem Schwingungstilger abdecken
kann und zwar genau das Frequenzband, das sich ausbildet, wenn der
Durchmesser der Wickelrolle von etwa 60 oder 70 % auf 100 % des
Durchmessers ansteigt. Wie oben bereits ausgeführt, ist dieses Frequenzband
aber ohnehin nicht allzu breit.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn die Tilgermasse höchstens 10 % der Masse der
Tragwalze entspricht. Prinzipiell könnte man zwar davon ausgehen,
daß die Dämpfungswirkung
um so besser ist, je größer die Tilgermasse
ist. Neben der Dämpfungswirkung
sind beim Betrieb einer Rollenwickeleinrichtung allerdings auch
noch andere Randbedingungen zu berücksichtigen, beispielsweise
die Antriebsleistung und die Bremsleistung. Mit einer Größe von etwa
10 % der Walzenmasse für
die Tilgermasse ist ein annehmbarer Kompromiß zwischen der Dämpfungsleistung
und der Antriebsleistung erreicht.
-
Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger in mehrere Einzelmodule aufgeteilt, die über die
axiale Länge
der Tragwalze verteilt sind. Dies bietet dann die Möglichkeit,
daß der
Schwingungstilger bzw. seine Einzelmodule auf Unsymmetrien, die
in der Praxis auftreten können,
besser reagieren können.
Auch erfolgt die Dämpfung über die
axiale Länge
der Tragwalze gleichmäßiger als
dann, wenn der Schwingungstilger an einer Position konzentriert
ist.
-
Hierbei
ist von Vorteil, wenn die Einzelmodule unterschiedliche Eigenfrequenzen
aufweisen. Wenn man den Schwingungstilger auf unterschiedliche Einzelmodule
aufteilt, ist es möglich,
diese Einzelmodule auf eine leicht unterschiedliche Frequenz vom
Rand zur Mitte der Tragwalze hin abzustimmen und natürlich auch
von der Mitte wieder zum Rand. Dies kann insbesondere bei sehr breiten
Maschinen nützlich
sein, bei denen sich die Kontakteigenfrequenzen aufgrund von Antriebselementen,
beispielsweise der angekoppelten Masse einer Kardanwelle, auf beiden
Seiten der Maschine nicht exakt gleich ausbilden.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn der Schwingungstilger im Hinblick auf seine
Eigenfrequenz einstellbar ist. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen
kann man dann beispielsweise bei der Inbetriebnahme eine Feinabstimmung
vornehmen, um die optimale Schwingungsdämpfung zu erreichen. Zum anderen kann
man dann gleiche Schwingungstilger für unterschiedliche Anwendungszwecke
ver wenden, was die Ersatzteilbevorratung und die Wartung vereinfacht.
-
Hierbei
ist bevorzugt, wenn der Schwingungstilger eine Tilgungsmassenlagerung
aufweist, die eine Feder mit einer nicht linearen Kennlinie aufweist,
wobei die Vorspannung der Feder veränderbar ist. Durch eine Veränderung
der Vorspannung der Feder der Tilgermassenlagerung ergibt sich dann eine
andere Federkonstante, die wiederum die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers
verändert.
-
In
vielen Fällen
wird es ausreichend sein, die Feinabstimmung des Schwingungstilgers
im Stillstand der Maschine durchzuführen. In manchen Fällen ist
es jedoch von Vorteil, wenn mindestens ein hilfskraftbetätigtes Einstellelement
zum Verändern der
Vorspannung vorgesehen ist. Als Hilfskraft kann man pneumatische,
hydraulische oder elektrische Energien verwenden. In diesem Fall
ist die Verstellung sozusagen ferngesteuert möglich. Dies ist relativ komfortabel.
-
Vorzugsweise
weist der Schwingungstilger mindestens ein Piezoelement auf, das
mit einem elektrischen Schwingkreis verbunden ist. In vielen Fällen ist
es dabei günstig,
mehrere über
den Umfang der Walze verteilte Piezoelemente zu verwenden, die jeweils
mit einem eigenen Schwingkreis verbunden sind. Man kann auch mehrere
Piezoelemente mit einem gemeinsamen Schwingkreis verbinden. Das
Piezoelement erzeugt bei einer Walzenverformung, die bei einer Schwingung
auftritt, eine elektrische Spannung. Diese elektrische Spannung
wird an den elektrischen Schwingkreis weitergegeben. Wenn der elek trische
Schwingkreis in seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, die auf
die Problemfrequenz der mechanischen Struktur abgestimmt ist, dann wirkt
die elektrische Spannung auf das Piezoelement zurück. Bei
einer entsprechenden Auslegung kann man erreichen, daß das Piezoelement
annähernd
in Gegenphase zur Schwingung angeregt wird. Durch die Rückkopplung
der schwingenden elektrischen Ströme wird über die Ausdehnung der Piezoelemente
eine dämpfende
Ausdehnungskomponente in die Tragwalze eingeleitet, welche die gleichen
dämpfenden
Effekte wie rein mechanisch wirkende Tilgermodule bewirkt.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß das
Piezoelement als Folienmodul ausgebildet ist. Piezokeramische Folienmodule
sind im Handel zu vertretbaren Kosten erhältlich. Sie lassen sich leicht
handhaben und anschließen.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Piezoelemente mit ihrer Wirkrichtung parallel zur Richtung der größten Dehnung
der Tragwalze von innen am Walzenmantel befestigt sind. Die Piezoelemente
wirken also unmittelbar auf den Walzenmantel. Jedes Piezoelement
wird dann sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben, in
Abhängigkeit
von der Position, wo es sich gerade befindet.
-
Der
Schwingungstilger kann in einer bevorzugten Ausgestaltung auch als
aktives System ausgebildet sein, das mehrere elektromechanische
Aktuatoren, insbesondere Piezoelemente, aufweist, die mit einem
elektrischen Regelkreis verbunden sind, der elektrische Energie
von außen
zuführt.
Der elektrische Regelkreis weist außerdem noch einen Sensor auf,
der die durch die Schwingung der Tragwalze bedingten Verformungen
ermittelt. Dieser Sensor kann allerdings auch durch einen elektromechanischen
Aktuator selbst gebildet sein. Ein aktives System hat den Vorteil,
daß man
sehr flexibel auf sich verändernde
Problemfrequenzen reagieren kann.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Schwingungstilger
mindestens einen Walzeneinschub aufweist, der sich über Federn von
innen am Walzenmantel abstützt,
wobei ein Spalt zwischen Walzeneinschub und Walzenmantel mit einer
zähflüssigen Flüssigkeit
gefüllt
ist. Mit Hilfe der zähflüssigen Flüssigkeit
lassen sich die Dämpfungseigenschaften
einstellen. Die Federn bestimmen hingegen die Resonanzfrequenz.
-
In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Schwingungstilger
mindestens einen Walzeneinschub aufweist, der sich über Gummifeder-Pakete
am Walzenmantel abstützt.
Eine Gummifeder vereint in einem Bauelement eine Federfunktion und
eine Dämpfungsfunktion.
Durch die Wahl des Materials der Gummifeder-Pakete lassen sich also in gewissen
Grenzen die gewünschten
Eigenfrequenzen und die gewünschten
Dämpfungseigenschaften
realisieren.
-
In
einer dritten Alternative kann vorgesehen sein, daß der Schwingungstilger
mindestens einen Walzeneinschub aufweist, der sich über ein
Federpaket am Walzenmantel abstützt,
wobei eine hydraulische Kolben-Zylinder-Anordnung in Reihe mit oder parallel
zu dem Federpaket angeordnet ist. Auch hier ist die Feder wieder
für die
Eigenfrequenz verantwortlich, während
die Kolben-Zylinder-Anordnung
die Dämpfung
bewirkt. Hierbei ist es ausreichend, wenn die Kolben-Zylinder-Anordnung
eine Flüssigkeit
von einer Kammer in eine andere verdrängt und in dem Verbindungsweg
zwischen den beiden Kammern eine Drossel oder eine ähnliche
Engstelle vorgesehen ist, um der Schwingung Energie zu entziehen.
-
Schließlich kann
vorgesehen sein, daß mindestens
ein walzenförmiger
Einschubkörper
im Walzenmantel angeordnet ist, der in eine Zwischenschicht aus
viskoelastischem Material eingeschrumpft ist. Dabei kann es sich
beispielsweise um einen Gummi- oder Kunststoffbelag handeln. Damit ergibt
sich sozusagen eine ringförmige
Abstützung des
Walzenkörpers
im Walzenmantel, der zu einer allseitigen Dämpfung führt.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine
Rollenwickeleinrichtung in schematischer Darstellung,
-
2 eine
schematische Darstellung der Rollenwickeleinrichtung zur Erläuterung
von Schwingungsausbildungen,
-
3 eine
erste Ausgestaltung einer Tragwalze im schematischen Längsschnitt,
-
4 eine
schematische Darstellung eines Feder-Dämpfungs-Elements,
-
5 eine
abgewandelte Ausführungsform einer
Tragwalze im Längsschnitt,
-
6 eine dritte Ausgestaltung einer Tragwalze
im Längs-
und im Querschnitt und
-
7 eine
vierte Ausgestaltung einer Tragwalze.
-
Eine
Rollenwickeleinrichtung 1 weist zwei Tragwalzen 2, 3 auf,
die ein Wickelbett 4 bilden, in dem beim Wickeln eine Wickelrolle 5 ruht.
Auf die Wickelrolle wird eine Materialbahn, im vorliegenden Fall eine
Papierbahn 6, aufgewickelt. Die Papierbahn 6, die
im Ausgangszustand eine Breite von bis zu 10 m oder sogar darüber hinaus
haben kann, durchläuft vor
dem Auftreffen auf die zulaufseitige Tragwalze 2 eine Längsschneideeinrichtung 7,
mit deren Hilfe sie in ihre Teilbahnen geschnitten wird, die eine
Breite im Bereich von 0,2 bis 4,8 m aufweisen.
-
Zu
Beginn eines Wickelvorganges wird die Papierbahn 6 zunächst an
einer Wickelhülse 8 befestigt,
beispielsweise durch Kleben. Am Ende eines Wickelvorganges wird
das Ende der Papierbahn 6 am Umfang der Wickelrolle 5 befestigt,
beispielsweise ebenfalls durch Kleben. Um den Anfang und das Ende
der Papierbahn 6 zu erzeugen, ist eine nur schematisch
dargestellte Querschneideeinrichtung 9 vorgesehen.
-
Man
kann nun beobachten, daß es
insbesondere beim Wickeln von Papierbahnen 6 (und auch anderen
Materialbahnen), die einen hohen Haftreibbeiwert haben, zu Problemen
kommt. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Haft reibwert der Papierlagen
untereinander größer ist
als 0,5, insbesondere den Wert 0,7 und mehr erreicht. Beim Wickeln
solcher Papiere kommt es häufig
zu starken Schwingbewegungen der Wickelrolle 5 und der
Tragwalzen 2, 3. Derartige Schwingbewegungen sind
aus mehreren Gründen
unerwünscht.
Zum einen besteht die Gefahr, daß die Wickelrolle 5 aus
dem Wickelbett 4 ausgeworfen wird. Zum anderen kommt es
zu Unrundheiten in der Wickelrolle 5, die sich wiederum
störend auf
die Weiterverarbeitung auswirken.
-
Einen
Teil der Probleme kann man dadurch vermindern, daß man eine
Belastungswalze 10 vorsieht, die die Wickelrolle 5 in
das Wickelbett 4 drückt. Die
Belastungswalze 10 kann auch zu Beginn eines Wickelvorganges
einen ausreichenden Anpreßdruck erzeugen,
um die Wickelhärte
im radialen Inneren der Wickelrolle zu steigern. Dennoch treten
unerwünschte
Schwingungen auf.
-
Dieses
Verhalten ist möglicherweise
durch einen Selbsterregungseffekt auf der Wickelrolle 5 zu erklären. Bedingt
durch einen hohen Haftreibwert der Papierlagen untereinander werden
die üblichen
Lagenverschiebungen beim Aufwickeln der Papierbahn 6 weitgehend
unterdrückt.
Dies hat zur Folge, daß sich
dynamisch bedingte Wickelhärtedifferenzen
am Umfang des Wickels einstellen, welche zu Radienveränderungen
am Umfang des Wickels führen,
weil durch die fehlenden Papierlagenverschiebungen diese Wickelhärteunterschiede
nicht ausreichend egalisiert oder verwischt werden. Anders ausgedrückt: Aus
jeder dynamischen Wickelverformung bzw. dynamischen Wickelbelastung
an den Tragwalzen 2, 3 verbleibt ein kleiner Anteil
als bleibende ortsfeste Ver formung, die dann beim Wiedereinlauf
in eine Wickelkontaktzone 11–13 wie eine Wegerregung
wirkt. Dieser regenerative Effekt führt beim Zusammentreffen einiger
Harmonischen der Wickeldrehzahl mit bestimmten Eigenfrequenzen des
Wickelsystems (Tragwalzen 2, 3 und Wickelrolle 5)
zu einem Selbsterregungsprozeß.
Meist handelt es sich dabei um die Eigenfrequenzen, bei denen die
Wickelrolle selbst eine große
dynamische Verformung erfährt,
die im Grunde mit einem Federweg gleichzusetzen ist. Dies ist insbesondere
bei den sogenannten Kontakteigenfrequenzen der Fall, bei denen die
Tragwalzen 2, 3 und die Wickelrolle 5 in
einer gegenphasigen Bewegung zueinander schwingen.
-
2 zeigt
nun in einer stark vereinfachten Darstellung die Rollenwickeleinrichtung 1,
bei der alle bewegten Massen, also die beiden Tragwalzen 2, 3,
die Wickelrolle 5 und die Belastungswalze 10, jeweils
einen Freiheitsgrad der Bewegung in X-Richtung (horizontale Richtung)
und einen in Y-Richtung (vertikale Richtung) haben. Für ein derartiges
Berechnungsmodell sind die beiden Tragwalzen 2, 3, die
Wickelrolle 5 und die Belastungswalze 10 als über Federn
und Dämpfer
(Dämpfer
sind in 2 der Einfachheit halber nicht
dargestellt) verbundene Massepunkte abgebildet. Die einzelnen Federsteifigkeiten
sind so abgestimmt, daß jede
Masse für
sich die Eigenfrequenz des zugehörigen
Bauteils im nicht gekoppelten Zustand möglichst exakt abbildet.
-
In
einem derartigen System lassen sich nun die Eigenfrequenzen berechnen
und zwar auch für unterschiedliche
Durchmesser der Wickelrolle 5. Dabei zeigt sich, daß die meisten
Eigenfrequenzen der Rollenwickeleinrichtung 1 mit zunehmendem
Durchmesser der Wickelrolle 5 sinken. Dies war im Grunde zu
erwarten. Für
die zweithöchste
Kontakteigenfrequenz ergibt sich jedoch ein Verlauf, der sich mit
dem Durchmesser der Wickelrolle 5 nur unbedeutend ändert.
-
Wenn
man nun den Verlauf der Wickeldrehzahl und deren Harmonische in
das gleiche Diagramm wie die Eigenfrequenzen einträgt, also
bezogen jeweils auf den Durchmesser der Wickelrolle 5, dann
erkennt man, daß es
in Abhängigkeit
von der Wickelgeschwindigkeit zu unterschiedlichen Schnittpunkten
der Harmonischen mit den Eigenfrequenzen kommt. Für die Bildung
der Wickelwelligkeiten sind jedoch immer die Kontakteigenfrequenzen
verantwortlich. An den Schnittpunkten besteht die Gefahr, daß sich das
System aus Tragwalzen 2, 3, Wickelrolle 5 und
Belastungswalze 10 aufschaukelt.
-
Es
läßt sich
nun beobachten, daß auch
bei unterschiedlichen Wickelgeschwindigkeiten oder Produktionsgeschwindigkeiten
die Problemfrequenz immer im gleichen Frequenzbereich liegt, der
in der Größenordnung
der zweiten Kontakteigenfrequenz liegt.
-
Um
ein Aufschwingen der Rollenwickeleinrichtung 1 zu vermeiden,
weisen daher die beiden Tragwalzen 2, 3 jeweils
einen Schwingungstilger 14, 15 auf.
-
Jeder
Schwingungstilger weist eine Tilgermasse 16, 17 auf,
die über
eine Feder-Dämpfer-Anordnung 18, 19 an
der Innenwand 20, 21 des Walzenmantels 22, 23 der
beiden Tragwalzen 2, 3 befestigt ist. Für die Ausbildung der
Feder-Dämpfer-Anordnung
gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten.
Man kann beispielsweise eine Feder 24 parallel zu einem Dämpfer 25 anordnen.
Man kann auch eine Feder 26 in Reihe mit einem Dämpfer 27 anordnen.
-
Unabhängig von
der konkreten Ausbildung der Feder-Dämpfer-Anordnung 18, 19 kann
man durch eine geeignete Dimensionierung der verwendeten Elemente
dafür sorgen,
daß die
Schwingungstilger 14, 15 eine Eigenfrequenz aufweisen,
die auf eine Frequenz direkt unterhalb der zweithöchsten Kontakteigenfrequenz
abgestimmt ist. Gegebenenfalls bezieht sich diese zweithöchste Kontakteigenfrequenz
dann auf einen vorbestimmten Wickeldurchmesser, der beispielsweise
im Bereich von 80 bis 100 des Enddurchmessers der Wickelrolle 5 liegt. Damit
ergeben sich zwar gewisse Ungenauigkeiten bei kleineren Durchmessern.
Dies ist jedoch unkritisch, weil die Schwingungstilger 14, 15 auch
in benachbarten Frequenzen noch eine ausreichende Dämpfungswirkung
entfalten.
-
Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn die Tilgermassen 16, 17 einen
nennenswerten Anteil an der Masse der Tragwalzen 2, 3 haben
und stark gedämpft
werden. In der Regel reichen 5 bis 10 % der Tragwalzenmasse als
Tilgermasse 16, 17 aus, um die Welligkeitsbildung
an der Wickelrolle 2 stark zu reduzieren.
-
3 zeigt
nun ein Beispiel, wie man eine Tragwalze 2 mit einem Schwingungstilger
ausbilden kann. Die Tragwalze 2 weist einen Walzenmantel 22 auf,
in dem eine Tilgermasse 16 als Walzeneinschub angeordnet
ist. Die Tilgermasse 16 ist über Federn 24 mit
der Innenseite des Walzenmantels 22 verbunden. In einem
Spalt 28 zwi schen der Tilgermasse 16 und dem Walzenmantel 22 ist
ein zähflüssiges Öl angeordnet,
dessen Viskosität
die Dämpfungseigenschaften
beeinflußt.
Durch Wahl einer geeigneten Viskosität lassen sich also auch die
Dämpfungseigenschaften
verändern.
Die Federn 24 können
beispielsweise als Tellerfedern ausgebildet sein.
-
4 zeigt
einen Ausschnitt aus der Tragwalze 3, bei dem erkennbar
ist, daß die
Tilgermasse 17 über
die Feder-Dämpfer-Anordnung 19 mit
dem Walzenmantel 23 verbunden ist. Die Feder-Dämpfer-Anordnung 19 weist
eine Feder 26 auf, die als Federpaket aus Tellerfedern
ausgebildet ist. Die Feder liegt in Reihe mit einem Dämpfer 27,
der einen Kolben 29 aufweist, der in einem Zylinder 30 hin
und her bewegbar ist. Der Kolben 29 weist eine Drosselbohrung 31 auf,
durch die bei der Bewegung des Kolbens 29 Flüssigkeit
strömen
muß. Alternativ
dazu kann auch vorgesehen sein, daß zwischen dem Außenumfang
des Kolbens 29 und dem Innenumfang des Zylinders 30 ein
Ringspalt 32 vorgesehen ist, der im Grunde die gleiche
Aufgabe wie die Drosselbohrung 31 erfüllt.
-
In 5 ist
eine abgewandelte Ausgestaltung der Tragwalze 2 dargestellt,
bei der die Tilgermasse 16 mit dem Walzenmantel 22 über eine
viskoelastische Zwischenschicht 33, beispielsweise aus einem
Gummimaterial oder einem Kunststoff, verbunden ist. Die Zwischenschicht 33 erfüllt dann
sowohl die Aufgabe der Feder 24 als auch die Aufgabe des
Dämpfers 25.
-
In 6 ist eine abgewandelte Ausgestaltung
der Tragwalze 2 dargestellt, bei der die Tilgermasse über mehrere
Gummifeder-Pakete 34 mit dem Walzenmantel 22 ver bunden
ist. Die einzelnen Gummifeder-Pakete 34 haben sowohl in
axialer Richtung einen Abstand zueinander als auch in Umfangsrichtung,
wie aus den 6a und 6b hervorgeht.
-
Eine
derartige Ausgestaltung hat darüber
hinaus den Vorteil, daß man
den Schwingungstilger sozusagen in mehrere Einzelmodule 14a, 14b,..., 14n aufteilen
kann, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
noch die Tilgermasse 16 gemeinsam haben. Man kann allerdings die
Eigenfrequenzen der einzelnen Tilgermodule 14a–14n in
Axialrichtung der Tragwalze 2 unterschiedlich gestalten.
Dies bietet dann die Möglichkeit,
daß die
Schwingungstilger auf Unsymmetrien, die in der Praxis auftreten
können,
reagieren können.
Beispielsweise kann man bei sehr breiten Maschinen berücksichtigen,
daß sich
die Kontakteigenfrequenzen aufgrund von Antriebselementen, beispielsweise
der angekoppelten Masse einer Kardanwelle, auf beiden Seiten der
Rollenwickeleinrichtung 1 nicht exakt gleich ausbilden.
-
Eine ähnliche
Ausgestaltung ist in 7 gezeigt. In 7 ist
eine Tragwalze 2 im schematischen Längsschnitt vorgesehen, bei
der mehrere Tilgermassen 16a–16c in den Walzenmantel 22 eingeschrumpft
sind und zwar unter Einschluß einer
Zwischenschicht 33a–33c,
wobei zwischen der Zwischenschicht 33a–33c und dem Walzenmantel 22 piezokeramische
Folienmodule 35a–35c angeordnet sind.
Diese piezokeramischen Folienmodule erstrecken sich nicht über den
gesamten Umfang. Man kann vielmehr über den Innenumfang des Walzenmantels 22 verteilt
vier oder mehr derartiger Folienmodule 35a–35c vorsehen.
-
Im
Zusammenhang mit einem nicht näher dargestellten,
aber innerhalb der Tragwalze 2 angeordneten passiven elektrischen
Netzwerk läßt sich mit
den piezokeramischen Folienmodulen ein passiver elektromechanisch
wirkender Schwingungstilger realisieren. Hierzu werden die piezokeramischen
Folienmodule 35a–35c in
ihre Wirkrichtung so an den Innenumfang des Walzenmantels 22 angeklebt,
daß ihre
Wirkrichtung der Richtung der größten Dehnung der
Walze entspricht. Die bei einer Schwingung auftretenden axialen
Walzendehnungen erzeugen in den Folienmodulen 35a–35c eine
elektrische Spannung. Die an den Folienmodulen 35a–35c angeschlossenen
elektrischen Schwingkreise werden in ihrer Resonanzfrequenz auf
die Problemfrequenz der mechanischen Struktur hin abgestimmt. Schwingt
die mechanische Struktur in diese Frequenz, so wird durch die elektromechanische
Kopplung auch das elektrische Netzwerk in seiner Resonanz betrieben. Durch
die Rückkopplung
der schwingenden elektrischen Ströme wird über die Dehnung der piezokeramischen
Folienmodule 35a–35c eine
dämpfende Dehnungskomponente
in den Walzenmantel 22 eingeleitet, welche die gleichen
dämpfenden
Effekte wie die rein mechanisch wirkenden Tilgermodule bewirkt.
-
In ähnlicher
Weise kann man durch die Verwendung von piezokeramischen Folienmodulen 35a–35c ein
aktives Dämpfungssystem
realisieren. Hierzu ist dann allerdings ein Regelkreis notwendig, mit
dem die Folienmodule 35a–35c spannungsmäßig angesteuert
werden. Zur Regelung dieser Spannung kann die erfaßte Schwingbewegung
nach Amplitude und Phasenlage der jeweiligen Tragwalze 2, 3 erfaßt werden.
Ein aktives System hat natürlich
den Vorteil, daß man
sehr flexibel auf sich verändernde Problemfrequenzen
reagieren kann. Es ist allerdings mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden,
weil man beispielsweise in die drehende Tragwalze eine elektrische
Energie zuführen
muß.
-
In
nicht näher
dargestellter Weise kann man vorsehen, daß die Schwingungstilger 14, 15 bzw.
die Tilgermodule 14a–14n in
einem begrenzten Frequenzbereich einstellbar sind. Dies kann man
beispielsweise dadurch realisieren, daß man eine Vorspannung einer
nicht linear wirkenden Feder der Tilgermassenlagerung verändert.
-
In
den meisten Fällen
ist es ausreichend, diese Feinabstimmung im Stillstand der Rollenwickeleinrichtung 1 durchzuführen. Eine
Fernverstellung der Eigenfrequenzen der Schwingungstilger 14, 15 über Stellelemente,
die beispielsweise pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt sein
können, ist
denkbar und auch komfortabel.