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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steueranordnung für eine in
Papier-/Kartonmaschinen einzusetzende Durchbiegungseinstellwalze,
die ein feststehendes Querhaupt, einen von Gleitlagern gestützt um das
Querhaupt drehbaren Walzenmantel und hydrostatische Stützelemente,
die mit einem hydraulischen Druckmedium gegen die Mantelinnenfläche gedrückt werden,
umfasst, wobei das Druckmedium den Stützelementen über eine
am Querhaupt ausgebildete Zuführungsleitung
zugeführt
wird und an diese Zuführungsleitung
Regelventile angeschlossen sind, mit denen der Druckmediumfluss
in die Stützelemente
geregelt werden kann.
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Bei
den heutigen Durchbiegungseinstellwalzen ist die Druckregelung des
einzelnen Stützelements
oder der von mehreren Stützelementen
gebildeten Zone mit einem geräte-
und regeltechnisch komplizierten System verbunden. Dieses System dient
zur Regulierung der Querprofils der Papierbahn. Die vom Ventil des
Stützelements
oder vom Zonenventil geregelte Strömung wird in Druck umgesetzt,
der gemessen wird. Der Druck wird an Hand des Messwertes mit dem
Ventil dem vorgegebenen Wert entsprechend geregelt. Das Regeln geschieht auf
der Basis einer dem Hauptsteuersystem zuzuführenden Feedbackinformation,
und diese Information wird vom Papier-Messrahmen geliefert. Die
Zonenventile sind im Allgemeinen außerhalb der Walze angeordnet.
Die den einzelnen Zonen zugeordneten Ventile sind jeweils über einen
eigenen Schlauch und einen an der Walze angeordneten Vorlauf- d.h.
Zuführungskanal
an das Stützelement
angeschlossen. Die bisherigen Systeme basieren also auf einem geschlossenen
Hydrauliksystem, d.h. einem Regelsystem, in dem die hydraulischen
Druckregelkreise innerhalb eines geschlossenen Prozessregelsystems (Messung
und Regelung der Papierdicke so, dass das Sollprofil erreicht wird)
wirken.
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Bei
einer großen
Walze, die etwa 70 bis 75 Zonenventile aufweisen kann, ist somit
eine beträchtliche
Menge Platz erfordernde zu dem System gehörende Regelhydraulik und Ventil-Elektromechanik vorhanden.
Die Zuverlässigkeit
solcher feinstrukturierter Regelsysteme über einen längeren Zeitraum ist nach wie
vor ungewiss. Bei Durchbiegungseinstellwalzen, besonders bei solchen
Walzen mit Verbundstoffmantel, ist es von Nutzen, eine dichtere
Zonenteilung als oben genannt zu wählen, zum Beispiel 100 Zonen
pro Walze, und da beginnt dann an der Walze Platzmangel für die Zuführungskanäle zu herrschen.
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Mit
der vorliegenden Erfindung soll nun eine zur Steuerung der Ventilzonen
dienende neuartige Anordnung geschaffen werden, die am Walzenquerhaupt
weniger Platz als die bisherigen Systeme erfordert und gleichzeitig
zuverlässig
im Betrieb ist.
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Gelöst wird
die vorgenannte Aufgabe mit der erfindungsgemäßen Anordnung, für die charakteristisch
ist, dass den Regelventilen Stellglieder zugeordnet sind, deren
Steuerung elektrisch erfolgt, und die Steuerung eine Steuereinheit
umfasst, von der das Regelsignal den Stellgliedern zugeleitet wird, und
dass die Steuereinheit von den Stellgliedern getrennt angeordnet
ist.
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Diese
Anordnung bietet den Vorteil, dass eine umfangreiche Menge bisher
an den Ventilen angeordneter Technik – vor allem mit der Ventilsteuerung
verbundene Technik – dezentralisiert
und losgelöst
von den Ventilen angeordnet werden kann und so eine unkomplizierte
und betriebssichere Ventilkonstruktion erreicht wird.
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Das
Ventil kann dann an schwierigeren (zum Beispiel schmutzigeren und
heißeren)
Stellen, wie etwa unter dem Stützelement,
angeordnet werden. Als Vorteil einer solchen Platzierung sei genannt, dass
sich die Zahl der Zuführungskanäle wesentlich reduzieren
lässt,
sogar bis herunter zu einem Kanal. Auf diese Weise bleibt auch Platz
für eine
Erhöhung der
Zahl der Stützelemente.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den unselbständigen Patentansprüchen dargelegt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Walzen-Steueranordnung;
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2 eine
schematische Darstellung des Regelventils nach einer der Ausführungsformen;
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2a eine
schematische Darstellung des Regelventils nach einer anderen Ausführungsform.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Durchbiegungseinstellwalze 30 (im
Folgenden kurz als Walze bezeich net). Die Walze 30 hat
ein langgestrecktes feststehende Querhaupt 1, das in seinen Stirnseitenbereichen
auf den Walzenständern 3 und 4 abgestützt ist.
Umgeben wird das Querhaupt 1 von einem im Wesentlichen
zylindrischen Walzenmantel 2. Dieser Walzenmantel 2 ist
um die Längsachse
des Querhauptes 1 drehbar, und zu diesem Zweck sind in beiden
Stirnseitenbereichen des Walzenmantels 2 zwischen Querhaupt 1 und
Mantel 2 Lager 6, zum Beispiel hydrostatische
Gleitlager, angeordnet, auf die gestützt der Walzenmantel 2 rotiert.
Der Walzenmantel kann zum Beispiel aus Metall oder aus Verbundwerkstoff
hergestellt sein.
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Am
Querhaupt 1 der Walze 30 sind in einer im Wesentlichen
in Walzenlängsrichtung
verlaufenden Reihe hydrostatische Stützelemente 5 angeordnet,
die in ihrer Konstruktion und Funktionsweise an sich bereits bekannt
sind. Die Stützkörper der
Stützelemente 5 erstrecken
sich in radialer Richtung der Walze bis an die Innenfläche des
Walzenmantels. Bei dieser Ausführungsform
bildet jedes Stützelement eine
eigene Stützzone,
und die Walze kann bis zu hundert solche Stützzonen aufweisen. Jedes der Stützelemente 5 drückt, durch
ein hydraulisches Druckmedium belastet, gegen den Walzenmantel 2 und
ist so an der Bildung des Belastungsprofils des Walzenmantels beteiligt. Über das
Belastungsprofil wird, während
sich die Papierbahn in Mantelumfangsrichtung betrachtet an den Stützelementen 5 in Kontakt
mit dem Walzenmantel befindet, Einfluss auf ihre Formung in Bahnquerrichtung
genommen.
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Zur
Regulierung des Profils wird jedes der Stützelemente (-zonen) über ein
eigenes Regelventil 8 mit hydraulischem Druckmedium versorgt;
eine bevorzugte Ausführungsform
dieses Ventils 8 ist in 2 schematisch
dargestellt. Die Regelventile 8 sind am Querhaupt 1 der
Walze, bevorzugt jeweils unter dem zugeordneten Stützelement 5 oder
in dessen Nähe
angeordnet. Die bekannte Kennlinie (Steuersignal-Druck-Beziehung) des Ventils 8 ist
im (nicht dargestellten) Hauptsteuersystem der Papiermaschine gespeichert.
Da die Beziehung zwischen Druck und Steuersignal bekannt ist, braucht
das vom Ventil 8 geregelte Ergebnis (Druck) nicht gemessen
zu werden. Wie man die Regelinformation für die Steuerung des Ventils 8 erhält, ist
weiter unten im Text beschrieben. Die Eingangsseite eines jeden
Regelventils 8 ist so an den am Querhaupt 1 ausgebildeten
langen Druckmedium-Zuführungskanal 10 angeschlossen, dass
die besagten Eingangsseiten von vom Zuführungskanal 10 zu
den Regelventilen 8 führenden
Kanalabzweigungen gebildet werden. Hier ist nur ein Zuführungskanal 10 dargestellt,
aber es können
auch mehrere solche Kanäle 10 vorhanden
sein. So können
zum Beispiel zwei Zuführungskanäle 10 so
in der Walze 30 angeordnet sein, dass sich von beiden Stirnseiten
der Walze je ein Kanal in Walzenlängsrichtung im Wesentlichen
bis in die Walzenmitte erstreckt. Da bei gestaltet es sich vorteilhaft,
beiden Zuführungskanälen eine
möglichst
gleichgroße
Anzahl Stützelemente 5 zuzuordnen.
Das Wesentliche dabei ist auf jeden Fall, dass die Zahl der Zuführungskanäle in der
Durchbiegungseinstellwalze gegenüber
der bisherigen Praxis beträchtlich
reduziert werden kann – sogar
bis herunter auf einen einzigen Kanal.
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Ermöglicht wird
dies dadurch, dass zur Steuerung des Regelventils dienende Mittel
getrennt von den Regelventilen angeordnet sind. Zu diesen Steuermitteln
gehört
die Steuereinheit 9, die getrennt von den Regelventilen
platziert ist. Eine solche Steuereinheit 9 ist hier am
Walzenquerhaupt 1 – bevorzugt in
dessen einem Stirnseitenbereich – angeordnet. Die Steuereinheit 9 kann
auch außerhalb
der Walze und damit unter günstigeren
Umgebungsbedingungen angeordnet werden. Die Steuereinheit 9 umfasst Mittel,
mit denen die auf nachfolgend beschriebene Weise der Steuereinheit 9 zugeführte, bevorzugt elektrische
Information für
jedes der Regelventile 8 in ein Regelsignal umgewandelt
wird. Ihren Betriebsstrom erhält
die Steuereinheit 9 über
ein passendes Kabel oder eine entsprechende Leitung 12 von
einer (nicht dargestellten) externen Stromquelle. Die Steuermittel
umfassen auch Steuerbusse oder -leitungen 11' zwischen der Steuereinheit 9 und
den Regelventilen 8. Über
die Steuerbusse oder -leitungen 11' kann das Regelsignal von der Steuereinheit 9 zu
den einzelnen Regelventilen und somit zu dem das Regelventil 8 betätigenden
Stellglied übermittelt
werden. Das Ventil 8 wird also von der separaten Steuereinheit 9 elektrisch
gesteuert.
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Das
Regelventil 8 ist wie gesagt in 2 exemplarisch
und schematisch dargestellt. Das Ventil 8 hat einen zylindrischen
Raum 20, in dem sich die Stellspindel 21 bewegt.
An der Stellspindel 21 sind die Schieber 22 und 23 angeordnet,
von denen der im ersten Endbereich der Spindel 21 befindliche
erste Schieber 22 so bemessen ist, dass er sich im Bereich der
ringförmigen
Zulauföffnung 22a,
die vom Zuführungskanal 10 in
den eingangseitigen zylindrischen Raum mündet, bewegt. Die Bewegung
der Kante des Schiebers 22 ist allerdings so bemessen,
dass während
des Betriebs aus dem Zuführungskanal 10 stets hydraulisches
Druckmedium über
die Zulauföffnung 22a in
den Raum 20 und aus dem Raum 20 weiter in den
ausgangseitigen Kanal 10a strömt. In einem Abstand vom ersten
Schieber 22 ist an der Spindel 21 ein zweiter
Schieber 23 angeordnet, der so bemessen ist, dass er sich
zusammen mit der Spindel 21 an der zum Tank T führenden
Ablauföffnung 23a bewegt.
Der Schieber 23 ist an der Ablauföffnung 23a so eingerichtet,
dass sich bei Reduzierung der Zulauföffnung 22a die Ablauföffnung 23a vergrößert.
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Die
Bewegungen der Spindel 21 und somit auch der Schieber 22 und 23 werden
hier mit einem Magneten, einem so genannten Proportionalmagneten 13 gesteuert, der
am Ventil 8 angeordnet ist. Die Steuerung des Magneten 13 ist
proportional zu dem über
den Steuerbus 11' zugeleiteten
Steuersignal. In diesem Fall wird dem Ventil ein bestimmter elektrischer
Strom zugeführt,
der das Positionieren der Spindel 21 und der Schieber 22 und 23 in
eine dem Steuerstrom (Steuersignal) des Magneten entsprechende Stellung
und eine bestimmte, der Stellung der Spindel 21 entsprechende
Strömung
hydraulischen Druckmediums von der Eintrittsseite des Ventils 8 zum
Kanal 10a der Austrittsseite bewirkt. Über den austrittsseitigen Kanal 10a wird
also dem Stützelement
hydraulisches Druckmedium in der geregelten Durchflussmenge (Druck)
zugeführt.
Der Druck auf der Austrittsseite ist geringer als der Vorlaufdruck im
Zuführungskanal 10.
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Die
(austrittsseitige) Druckmedium-Durchflussmenge in Abhängigkeit
vom Steuerstrom des Magneten 13 bildet die Kennlinie des
Ventils, die bevorzugt konstant ist. Da diese Kennlinie bekannt
ist, kann sie zum Beispiel in den Speicher des Steuersystems der
Papier-/Kartonmaschine eingegeben und das Regelsignal aus dieser
Kennlinie bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Ventilkonstruktion möglichst
einfach gehalten werden, und man erzielt dennoch eine genaue Steuerung.
Das Ventil erfordert keinen separaten Regler, der bestrebt wäre, die
Differenz zwischen dem Einstellwert des Ventils und dem vom Ventil
geregelten Druck zu beseitigen. Die Genauigkeit der Kennlinie lässt sich
auf ein fache Weise verbessern, zum Beispiel durch austrittsseitige
hydraulische Rückkopplung 15.
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2a zeigt
in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventils 8,
bei dem nun statt des Proportionalmagneten 13 als Ventil-Stellglied
eine Feder 25 dient, mit der die die Spindel 21 und
die Schieber 22 und 23 bewegende Kraft auf diese
ausgeübt
wird. Erzeugt wird diese Kraft zum Beispiel mit einem der Feder 25 zugeordneten dritten
Schieber 24.
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Da
jedem zu steuernden Lagerelement ein eigenes Ventil zugeordnet ist,
bleibt die ventilbezogene Strömung
gering. Die auf den Ventilschieber wirkenden Strömungskräfte sind gering, so dass der Schieber
ohne Vorsteuertechnik gesteuert werden kann. Direkt auf die Hauptspindel 21 wirkende
(direktgesteuertes Ventil) bekannte Stellglieder sind: Proportionalmagnet,
Linearmotoren, Schrittmotoren mit Übersetzung, Schwenkmotoren.
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Es
sei erwähnt,
dass dies Ausführungsbeispiele
verschiedener elektrischer Steuerungsweisen zum Bewegen der Spindel 21 und
der Schieber 22 und 23 sind, und dass deren Konstruktionsdetails
in vielfältiger
Weise variiert werden können.
Eine Alternative ist zum Beispiel das elektrisch gesteuerte Vorsteuerventil.
Als Stellglieder für
Vorsteuerventile können
zum Beispiel Piezostellvorrichtungen, die einen kleinen Bewegungsbereich
haben, eingesetzt werden.
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Die
oben genannten Steuersignale für
die einzelnen Ventile und damit die richtigen hydrostatischen Drücke für die einzelnen
Stützelemente
erhält man
zum Beispiel vom Papier-Messrahmen, in welchem das Querprofil oder
die Dicke des Papiers gemessen wird. Auch andere Profilwerte können gemessen
werden, zum Beispiel das Glanzprofil. Die Papierprofil- oder -dickenwerte
werden über
die Datenübertragungsleitung 11 (s. 1)
der Steuereinheit 9 zugeführt, wo sie in ein Steuersignal
umgesetzt werden. Das Steuersignal wiederum wird über einen bestimmten
Steuerbus oder eine bestimmte Leitung 11' dem betreffenden Ventil-Stellglied
und somit der betreffenden Zone, die in Papierbahnquerrichtung jener
Stelle entspricht, von der die Profilinformation stammt, zugeleitet.
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Es
ist dies ein so genanntes offenes Regelsystem, bei dem nicht unbedingt
Rückkopplung
oder Ventildruckwerte (Ventildurchflusswerte) erforderlich sind
um eine ausreichend genaue Regelung zu erzielen, sondern bei dem
Informationen über
das Papierprofil oder die Papierdicke und über die Ventilkennlinie genügen. Das
System ist also frei von untergeordneten Regelkreisen (z.B. eigenen
Regelkreisen des Ventils) wie sie früher bei der Steuerung benötigt wurden.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich nicht auf die angeführten
Ausführungsformen
sondern kann im Rah men des in den Patentansprüchen definierten Schutzbereichs
zur Anwendung gebracht werden.