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Die
Erfindung betrifft eine Presswalze zur Behandlung einer Papier-,
Karton-, Tissue- oder
einer anderen Faserstoffbahn in einer Maschine zur Herstellung und/oder
Veredlung derselben, mit einem, um eine feststehende, vorzugsweise
einstückige
Achse rotierbaren Walzenmantel, welcher von einer Stützeinrichtung
der Achse zur Bildung eines Pressspaltes in Richtung (Pressrichtung)
eines Gegendruckelementes gedrückt
wird, wobei die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels unter
der Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung liegt.
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Die
Achsen von Presswalzen, insbesondere von durchbiegungsgesteuerten
Presswalzen, haben wegen der hohen Presskräfte im Pressspalt sowie der
Länge von
oft über
10 m enorme Dimensionen und damit auch ein sehr hohes Gewicht.
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Hinzu
kommt die Gewährleistung
der Schwingungsstabilität,
wobei die Erregung von der Rotation des Walzenmantels ausgeht. In
Verbindung mit stetig steigenden Maschinengeschwindigkeiten führt die
damit notwendige, hohe Eigenfrequenz der Achse ebenfalls zu Dimensions-
und Gewichtssteigerungen bei der Achse.
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Das
hohe Gewicht der Achse kann so leicht die Kapazität verfügbarer Hebezeuge
im Bereich der Maschine übersteigen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher das Gewicht der Achse bei Gewährleistung
einer ausreichenden Belastbarkeit und Schwingungsstabilität zu vermindern.
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Erfindungsgemäß wurde
die Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung unter der
Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung liegt und an der Achse
wenigstens ein Versteifungselement befestigt ist, welches die Steifigkeit
der Achse quer zur Pressrichtung erhöht.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn der Achse zumindest ein Dämpfungselement
zugeordnet ist, welches Schwingungen quer zur Pressrichtung dämpft.
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Als
Gegendruckelement eignet sich insbesondere eine Gegenwalze oder
ein Pressband.
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Entgegen
der üblichen
runden Ausführung der
Achse wird hier ein Querschnitt gewählt, dessen Flächemomente
in den beiden Hauptträgheitsachsen in
und quer zur Pressrichtung unterschiedliche, vorzugsweise stark
unterschiedlich sind.
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Die
Dimensionierung des Querschnitts in Pressrichtung wird dabei von
der Belastung, insbesondere infolge der Presskräfte im Pressspalt sowie der
Gewichtskraft und der erforderlichen Eigenfrequenz in Pressrichtung
bestimmt.
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Da
die Schwingungserregung im Wesentlichen von der Rotation des Walzenmantels
mit der Frequenz der Walzenmanteldurchläufe durch den Pressspalt ausgeht,
hängt auch
die erforderliche Eigenfrequenz der Achse von der Rotationsgeschwindigkeit
des Walzenmantels, d. h. der Maschinengeschwindigkeit ab.
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Weil
die Belastung der Achse in Pressrichtung wesentlich größer als
quer zu dieser ist, genügt es
oft auch, wenn die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung um wenigstens
100%, vorzugsweise um wenigstens 150% höher als quer zur Pressrichtung
ist.
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Die
geringere Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung führt zu einer
geringeren Ausdehnung der Achse quer zur Pressrichtung verbundenen mit
einem geringeren Gewicht der Achse. Möglich wird dies auch wegen
der geringeren Kräfte,
die quer zur Pressrichtung auf die Achse einwirken.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung ausreichend weit von
der Erregerfrequenz entfernt ist, sollte die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des
Walzenmantels während
des Betriebs mindestens 15%, vorzugsweise zumindest 25% und insbesondere
mindestens 30% kleiner als die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung
sein.
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Auch
quer zur Pressrichtung ist es allerdings von Vorteil, wenn die Erregerfrequenz
nicht oder zumindest nur kurze Zeit in den Bereich der Eigenfrequenz
der Achse kommt.
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Dies
kann erfindungsgemäß dadurch
sichergestellt werden, dass die Eigenfrequenz der Achse quer zur
Pressrichtung unter der Frequenz der Pressspaltdurchläufe des
Walzenmantels während
des Betriebs, d. h. insbesondere auch bei minimaler Betriebsgeschwindigkeit
liegt.
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Um
dies möglichst
sicher zu gestalten, sollte die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des
Walzenmantels während
des Betriebs der Maschine mindestens 15%, vorzugsweise zumindest
25% und insbesondere mindestens 30% über der Eigenfrequenz der Achse
quer zur Pressrichtung liegen.
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Auf
diese Weise liegt die Erregerfrequenz, d. h. die Frequenz der Pressspaltdurchläufe des
Walzenmantels während
des Betriebs immer zwischen der Eigenfrequenz der Achse in und quer
zur Pressrichtung.
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Lediglich
beim Anlauf und dem Bremsen der Maschine durchläuft die Erregerfrequenz die
Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung.
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Die
Erfindung macht sich folglich die Erkenntnis zunutze, dass die Dimensionierung
der Achse quer zur Pressrichtung bisher überwiegend von der Erregerfrequenz
und wesentlich weniger von der Biegebeanspruchung bestimmt ist.
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Indem
man die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung unter die
Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung legt, kann so eine große Verminderung
der Ausdehnung der Achse quer zur Pressrichtung erreicht werden.
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Im
Ergebnis erlaubt dies bei einer Achse mit einem etwa rechteckigen
Querschnitt, dass die Ausdehnung in Pressrichtung wenigstens 2,5
mal, vorzugsweise wenigstens 3 mal größer als quer zur Pressrichtung
sein kann.
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Eine
in Pressrichtung höhere
Eigenfrequenz als quer zur Pressrichtung kann mit Vorteil durch Achsen
mit T-Profil-Querschnitt erreicht werden.
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Unabhängig davon,
wo die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung liegt, können jedoch
entstehende Schwingungen über
das Dämpfungselement
gedämpft
werden. Liegt die Eigenfrequenz unter der Erregerfrequenz, so ist
eine Dämpfung
meist nur beim Anlauf oder beim Abbremsen der Maschine nötig, nämlich dann,
wenn die Erregerfrequenz in den Bereich der Eigenfrequenz quer zur Pressrichtung
kommt. Liegt die Eigenfrequenz während
des Betriebs im Bereich der Erregerfrequenz, so ist eine ständig wirkende
Dämpfung
von Vorteil.
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Das
Dämpfungselement
sollte von einem sich vorzugsweise auf der Achse oder einem Versteifungselement
abstützenden,
hydraulischen Zylinder gebildet werden, welcher quer zur Pressrichtung
gegen die Innenfläche
des Walzenmantels gedrückt wird.
Schwingungen zwischen der Achse und dem Walzenmantel werden dabei
vom hydraulischen Druckraum gedämpft.
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Alternativ
oder in Verbindung damit kann es ebenso von Vorteil sein, die Steifigkeit
und damit auch die Eigenfrequenz der Achse quer zur Pressrichtung
durch wenigstens ein Versteifungselement zu erhöhen.
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Als
Versteifungselemente eignen sich insbesondere Halbschalen, Vierkantprofile
o. ä..
Um die Schwingungen zu minimieren, sollte die Eigenfrequenz der
Achse gemeinsam mit dem Versteifungselement quer zur Pressrichtung
zumindest um 20% über
der maximalen Frequenz der Pressspaltdurchläufe des Walzenmantels während des
Betriebs liegen.
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Dabei
sollte wenigstens ein Versteifungselement fest mit der Achse verbunden
sein.
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Es
kann aber auch von Vorteil sein, wenn wenigstens ein Versteifungselement
mit Spiel mit der Achse verbunden ist. In diesem Fall werden über das Spiel
zwischen Versteifungselement und Achse Bewegungen erlaubt, die Schwingungen
dämpfen.
Dabei fungiert das Versteifungselement gleichzeitig als Dämpfungselement.
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Außerdem ist
es infolge der hohen mechanischen Belastung von Vorteil, wenn die
Achse aus Metall, vorzugsweise geschmiedetem Stahl besteht.
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Anwendung
sollte einer derartige Presswalze wegen der hohen, erforderlichen
Presskräfte
im Pressspalt in Anordnungen finden, bei denen die Faserstoffbahn
zur Glättung
oder Entwässerung
durch den Pressspalt geführt
wird.
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Nachfolgend
soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In der beigefügten
Zeichnung zeigt:
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1:
eine schematischen Querschnitt durch eine Presswalze;
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2:
Geschwindigkeits-Frequenz-Diagramm;
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3:
einen Quer- und Längsschnitt
durch eine Presswalze mit Dämpfungselement 7;
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4–8:
einen Querschnitt durch eine Presswalze mit festem Versteifungselement 8 und
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9 und 10:
eine Presswalze mit losem Versteifungselement 8.
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Die
in 1 dargestellte, durchbiegungsgesteuerte Presswalze
besitzt einen, um eine feste Achse 2 rotierbaren, zylindrischen
Walzenmantel 1 aus Stahl. Dabei stützt sich der Walzenmantel 1 auf einer
hydraulischen Stützeinrichtung 3 auf
der Achse 2 ab.
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Diese
Stützeinrichtung 3 gleicht
die Durchbiegung des Walzenmantels 1 aus und presst diesen außerdem in
Pressrichtung 6 zur gegenüberliegenden Gegenwalze 4.
Durch den dabei entstehenden Pressspalt kann die Faserstoffbahn 5 allein
zur Glättung
oder gemeinsam mit zumindest einem wasseraufnehmenden Band zur Entwässerung
geführt
werden.
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Der
Spalt zwischen der hier konvexen Stützfläche der Stützeinrichtung 3 und
dem Walzenmantel 1 kann hydrostatisch und/oder hydrodynamisch
geschmiert werden.
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Infolge
der Rotation des Walzenmantels 1 kann es zu Schwingungen
kommen, die die Stabilität der
Konstruktion gefährden.
Dabei entspricht die Erregerfrequenz der Frequenz der Mantelumläufe und hängt damit
von der Rotationsgeschwindigkeit des Walzenmantels 1 und
somit der Maschinengeschwindigkeit ab. Die Schwingungen entstehen
insbesondere auf Grund von Unwuchten des Walzenmantels 1.
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Da
die einstückigen
Achsen 2 aus geschmiedetem Stahl durchaus über 10 m
lang sein können, kommt
es allein schon durch das Eigengewicht zu einer erheblichen Belastung
der Achse 2. Hinzu kommen die Presskräfte der Stützeinrichtung 3, welche wie
hier bei nach oben gerichteter Stützfläche die Achse 2 gemeinsam
mit der Gewichtskraft entgegen der Pressrichtung 6 belasten.
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Im
Ergebnis ist die Belastbarkeit der Achse 2 für diese
Kräfte
in bzw. entgegen der Pressrichtung 6 am größten.
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Bleibt
noch die Schwingungsstabilität
der Achse 2, welche dann gegeben ist, wenn die Eigenfrequenz
außerhalb
des Bereichs der Erregerfrequenz liegt, so dass sich keine Resonanzerscheinungen
entwickeln können
und/oder wenn die Schwingungen gedämpft werden.
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Hierzu
wird die Eigenfrequenz in Pressrichtung 6, wie bekannt, über die
Erregerfrequenz während
des Betriebs gelegt.
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Aber
quer zur Pressrichtung 6 liegt die Eigenfrequenz unter
der Eigenfrequenz in Pressrichtung, insbesondere sogar unter der
Erregerfrequenz.
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Um
dies zu erreichen, müssen
die Flächenträgheitsmomente
der Achse 2 in und quer zur Pressrichtung 6 entsprechend
ausgelegt werden.
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Da
die Auslegung der Achsen 2 bei hohen Maschinengeschwindigkeiten
von über
1500 m/min und Längen
von mehr als 6 m ohnehin von der Eigenfrequenz und nicht von den
Press- und Gewichtskräften
geprägt
ist, kann die Achse 2 quer zur Pressrichtung 6 wegen
der geringeren Eigenfrequenz auch viel schmaler ausgebildet werden
als in Pressrichtung 6.
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Infolgedessen
kann das Gewicht der Achse 2 wesentlich reduziert werden,
ohne die Stabilität,
insbesondere die Schwingungsstabilität zu beeinträchtigen.
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Um
sicherzustellen, dass die Erregerfrequenz nicht in den Bereich einer
Eigenfrequenz kommt, wird die Eigenfrequenz quer zur Pressrichtung 6 um
20% unter die minimale Erregerfrequenz, welche sich bei minimaler
Betriebsgeschwindigkeit vmin der Maschine
ergibt, gelegt. Außerdem
liegt, wie in 2 zu sehen, die Eigenfrequenz
a in Pressrichtung 6 20% über der maximalen Erregerfrequenz, welche
sich bei maximaler Betriebsgeschwindigkeit vmax der
Maschine einstellt.
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Nimmt
man beispielsweise an, dass die maximale Betriebsgeschwindigkeit
vmax der Konstruktionsgeschwindigkeit und
die minimale Betriebsgeschwindigkeit vmin der
Hälfte
der Konstruktionsgeschwindigkeit entspricht, so ergibt sich unter
Berücksichtigung
des Sicherheitsaufschlags auf 1,2 vmax und des
Sicherheitsabschlags auf 0,8 vmin, dass
die Eigenfrequenz der Achse in Pressrichtung 6 dreimal höher als
quer zur Pressrichtung 6 sein muss.
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Da
die Eigenfrequenz a proportional der Wurzel aus dem Flächenmoment
ist, muss das Flächenmoment
in Pressrichtung 6 neunmal größer als das Flächenmoment
quer zur Pressrichtung 6 sein.
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Bei
einem rechteckigen Querschnitt führt dies
dazu, dass die Ausdehnung der Achse 2 in Pressrichtung 6 dreimal
größer als
quer zur Pressrichtung 6 ist.
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Liegt
die Eigenfrequenz quer zur Pressrichtung 6 jedoch nahe
der Erregerfrequenz im Betrieb, so sollte zumindest ein Dämpfungselement 7,
wie dies in 3 dargestellt ist, zum Einsatz
gelangen.
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Die
in 3 dargestellte Presswalze ist doppelseitig wirkend,
weshalb zwei gegenüberliegende Stützeinrichtungen 3 den
Walzenmantel 1 nach oben und nach unten zu je einer Gegenwalze 4 drücken.
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Dabei
hat die Achse 2 einen rechteckigen Querschnitt mit den
langen Seiten parallel zur Pressrichtung 6. Dadurch ergibt
sich eine hohe Eigenfrequenz sowie eine hohe Belastbarkeit in Pressrichtung 6,
aber eine verminderte Eigenfrequenz quer zur Pressrichtung 6.
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Daher
wird die Belastbarkeit der Achse 2 quer zur Pressrichtung
durch mehrere, seitlich quer zur Pressrichtung 6 an der
Achse 2 verteilt und daran befestigte Versteifungselemente 8 in
Form von Halbschalen erhöht.
Die Halbschalenform vermindert den Zwischenraum zum Walzenmantel 1,
was sich positiv auf den Schmierfluidbedarf der Presswalze auswirkt.
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Außerdem besitzen
diese Versteifungselemente 8 noch je ein Dämpfungselement 7 in
Form eines sich am jeweiligen Versteifungselement 8 abstützenden,
hydraulischen Zylinders, welcher quer zur Pressrichtung 6 gegen
die Innenfläche
des Walzenmantels 1 gedrückt wird.
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Während über die
Dämpfungselemente 7 die Schwingungen
gedämpft
werden, kann über
die Versteigungselemente 8 die Eigenfrequenz der Achse 2 mit
den Versteifungselementen über
die Erregerfrequenz gehoben werden, ohne das Gewicht der Achse 2 wesentlich
zu erhöhen.
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Falls
die Eigenfrequenz durch die Versteifungselemente 8 ausreichend
hoch über
die Erregerfrequenz gehoben werden kann, so kann auf die Dämpfungselemente 7 verzichtet
werden, wie dies bei dein Ausführungen
der 4 bis 10 der Fall ist.
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In
den 4 bis 8 sind verschieden gestaltete,
insbesondere einfach herzustellende Versteifungselemente 8 dargestellt,
die fest an der Achse 2 befestigt sind. Dabei hängt ihre
Gestaltung auch von der Querschnittsform der Achse 2 ab.
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Als
Achsen 2 kommen hier I-, T-, Doppel-T-Träger und
Zylinder zum Einsatz.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführung wird die Rotation des
Schmieröls
durch die halbzylindrische Gestaltung der Versteifungselemente 7 erleichtert,
was die Planschleistung minimiert.
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Die
in den 9 und 10 gezeigten Versteifungselemente 7 sind
mit Spiel mit der Achse 2 verbunden. Dies erlaubt Minimalbewegungen
zwischen Achse 2 und Versteifungselement 7, was
zur Dämpfung
von Schwingungen führt.