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Die
Erfindung betrifft eine Walzenanordnung, die mindestens eine Walze
mit einem Walzenmantel, der einen Innenraum umgibt, und ein Gegendruckelement
aufweist, wobei zwischen Walze und Gegendruckelement ein Nip mit
einer Pressenrichtung ausgebildet ist, durch den eine Materialbahn
führbar ist, wobei zumindest der Walzenmantel durch mindestens
einen Aktor in translatorische Schwingungen versetzbar ist, deren
Richtung ungleich der Pressenrichtung ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Walzenanordnung,
wobei die Walze mit dem Gegendruckelement einen Nip bildet, durch
den eine Materialbahn führbar ist.
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In
einer derartigen Walzenanordnung, die häufig auch als Kalander
bezeichnet wird, erfolgt eine Oberflächenbehandlung einer
Materialbahn, beispielsweise einer Papierbahn. Die Anforderungen, die
an die Oberflächenqualität der Materialbahn gestellt
werden, sind dabei in der Regel hoch. Beispielsweise werden in der
Druckin dustrie Papiere mit einer glatten Oberfläche gefordert,
damit ein gutes Druckergebnis erzielt werden kann.
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Die
Beschaffenheit der Oberfläche und insbesondere die Glätte
der Oberfläche wird durch mehrere maßgebende Faktoren
beeinflusst. Dazu gehört der Druck, dem die Materialbahn
im Nip der Walzenanordnung ausgesetzt ist. Auch die Temperatur und der
Feuchtigkeitsgehalt der Materialbahn sind maßgebend. Als
weiterer Einflussfaktor kommt noch die Bearbeitungszeit hinzu, also
die Zeit, die die Materialbahn zum Durchlaufen des Nips benötigt
und in der sie dem Druck im Nip ausgesetzt ist.
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Grundsätzlich
lässt sich durch Erhöhung des Drucks im Nip, der
so genannten Streckenlast, ein besseres Glättergebnis erzielen.
Allerdings wird dadurch gleichzeitig das Volumen der Materialbahn
verringert, was in der Regel unerwünscht ist. Um dennoch
eine ausreichende Dicke der Materialbahn zu erhalten, muss dementsprechend
mehr Material zur Verfügung gestellt werden, was zusätzliche
Kosten verursacht.
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Zum
Erzeugen von Papier mit einer Hochglanzoberfläche, wie
beispielsweise bei Spielkarten, ist es bekannt, so genannte Friktionskalander
zu verwenden, bei denen zwei Walzen, die einen Nip bilden, mit einer
Differenzgeschwindigkeit betrieben werden. Dabei tritt zwischen
einer Oberfläche der Materialbahn und einer Walze Schlupf
auf, der zu einer glänzenden Oberfläche führt.
Friktionskalander sind allerdings nur bei relativ geringen Bearbeitungsgeschwindigkeiten
verwendbar.
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Es
sind auch Bemühungen unternommen worden, das Glättergebnis
mit Hilfe einer Ultraschallanregung einer Walze zu verbessern. So
ist beispielsweise aus
US 3,908,808 bekannt,
mindestens eine Walze einer zwei Walzen aufweisenden Walzenanordnung
mit Ultraschall zum Vibrieren anzuregen. Die Vibrationen treten
dabei entweder radial oder entlang der Längsausdehnung
der Walze, also in Richtung der axialen Ausdehnung der Walze, auf.
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Technische
Umsetzungen dieser Idee sind jedoch nicht bekannt. Vor allem ist
es problematisch, die großen Massen beispielsweise von
Walzen eines Kalanders zur Papierherstellung mit einer Frequenz im
Bereich von Ultraschall, also höher als 18 kHz, zu Schwingungen
anzuregen. Es hat sich dabei herausgestellt, dass für eine
Glättung der Materialbahn auf Faserebene Frequenzen von
mehr als 20 MHz erforderlich sind, was jedoch derzeit nicht realisierbar
ist.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Walzenanordnung bereit
zu stellen, mit der ein gutes Glättergebnis auch bei geringer
Linienlast erzielbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Walzenanordnung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Frequenz der Schwingungen
zwischen 150 und 10.000 Hz, insbesondere zwischen 200 und 2.000
Hz beträgt.
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Die
Pressenrichtung entspricht der Richtung der Kraft, die im Nip durch
die Walze bzw. dem Walzenmantel auf die Materialbahn ausgeübt
wird. In einem Breitnip können eventuell durch die Walze
Kräfte in leicht unterschiedlichen Richtungen auf die Materialbahn
ausgeübt werden. Die Pressenrichtung entspricht dann der
Richtung einer resultierenden Kraft. Durch die translatorischen
Schwingungen des Walzenmantels wird dieser mit einer veränderlichen Differenzgeschwindigkeit
zum Gegendruckelement bewegt. Durch diese Relativbewegung tritt
ein Schlupf zwischen der Materialbahn und dem Walzenmantel und/oder
dem Gegendruckelement auf, der evtl. eine Scherung zwischen der
Oberseite der Materialbahn und der Unterseite der Materialbahn verursacht.
Dies führt zu einer Glättung der Oberfläche
der Materialbahn. Dieser Effekt wird als Friktionsglättung bezeichnet.
Im Unterschied zu bekannten Verfahren weist die Walze jedoch die
gleiche Umfangsgeschwindigkeit wie das Gegendruckelement auf, die Differenzgeschwindigkeit
wird alleine durch die translatorischen Schwingungen hervorgerufen.
Die Schwingungen werden unabhängig von der Drehbewegung
in den Walzenmantel eingeleitet. Dadurch lässt sich die
Amplitude und Frequenz der Schwingungen sehr genau einstellen, wodurch
das Glättergebnis verbessert wird. Bisher wurden Walzenanordnungen
möglichst steif ausgeführt, um Schwingungen zu
vermeiden. Erfindungsgemäß werden die Schwingungen
jedoch gezielt eingebracht, um so das Glättergebnis zu
verbessern. Im Unterschied zum Stand der Technik weisen die Schwingungen
eine relativ geringe Frequenz von weniger als 10.000 HZ auf. Die
Schwingungen können dadurch auch bei großen, schweren
Walzen eingebracht werden. Dabei wird nicht der Impuls der Schwingung
zum Glätten der Oberfläche genutzt, sondern die
Friktion, die aufgrund der periodisch sich ändernden Differenzgeschwindigkeit
zwischen Walzenmantel und Materialbahn entsteht.
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Bevorzugterweise
liegt die Richtung der Schwingungen in einer Ebene senkrecht zur
Pressenrichtung. Die Pressenrichtung steht in der Regel senkrecht
auf der zu behandelnden Materialbahn. Die Ebene, in der die Schwingungen
verlaufen, liegt dann innerhalb der Materialbahn. Die Amplitude
der Schwingungen wird so optimal ausgenutzt, wobei Druckschwankungen,
die in das Innere der Materialbahn gerichtet sind, vermieden werden.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass die Aktoren auf Lagerblöcke
wirken, in denen die Walze gelagert ist. Eine derartige Anordnung
ist ohne großen Aufwand herstellbar. Die Lagerblöcke
einer Walze sind in der Regel an den Stirnseiten der Walze angeordnet,
wobei die Walze über Antriebszapfen in den Lagerblöcken
gehalten ist. Die Aktoren befinden sich dadurch in einem maximalen
Abstand zueinander. Geringfügige Abweichungen der Stellbewegungen der
jeweiligen Aktoren führen daher kaum zu einem ungewollten
Winkelversatz der Walze.
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Bevorzugterweise
ist die Richtung der Schwingungen quer zur axialen Ausdehnung der Walze.
Die Schwingungen verlaufen also in Bahnlaufrichtung. Die Walze muss
dann nicht breiter als die Materialbahn sein.
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Vorzugsweise
ist die Walze als Biegeausgleichswalze ausgebildet, wobei im Inneren
der Walze Stützelemente angeordnet sind, die in Pressenrichtung
auf den Walzenmantel wirken. Mit einer Biegeausgleichswalze lässt
sich der Druck über den Nip in axialer Richtung der Walze
einstellen. Dadurch ist es möglich, einen besonders gleichmäßigen
Druck auf die Materialbahn auszuüben, was zu einem guten Glättergebnis
führt. Insbesondere bei Walzen mit größerer
axialer Ausdehnung ist sonst häufig zu beobachten, dass
im Bereich der Stirnseiten der Walze ein anderer Druck auf die Materialbahn
ausgeübt wird als in der Mitte zwischen den Stirnseiten.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass die Aktoren im Inneren der Walze angeordnet
sind und quer zur Pressenrichtung auf den Walzenmantel wirken. Die
Aktoren können also zusätzlich und neben bzw. zwischen
den Stützelementen im Inneren der Walze angeordnet sein.
Dadurch sind sie zum einen geschützt untergebracht, zum
anderen wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt.
Durch die Wirkung der Aktoren quer zur Pressenrichtung auf den Walzenmantel
werden Schwingungen im Walzenmantel ebenfalls quer zur Pressenrichtung
erzeugt. Die Richtung der Schwingungen entspricht dabei im Wesentlichen
der Bahnlaufrichtung. Zur Erzeugung einer homogenen Schwingung ist
dabei eine Vielzahl von Aktoren in axialer Richtung nebeneinander
angeordnet.
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Vorzugsweise
ist zwischen den Aktoren und dem Walzenmantel ein Ölfilm
ausgebildet. Dieser Ölfilm verringert die Reibung zwischen
den Aktoren, die nicht rotieren, und dem beweglichen Walzenmantel. Dabei
dient er auch zur Kühlung der Aktoren, insbesondere der
entstehenden Reibungswärme. Insgesamt ergibt sich dadurch
eine längere Lebensdauer.
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Bevorzugterweise
ist jeweils mindestens ein Stützelement mit mindestens
einem Aktor zu einem Bauteil zusammengefasst. Sowohl die Aktoren
als auch die Stützelemente wirken dadurch an der gleichen
axialen Position auf den Walzenmantel ein. Die Bauteile mit mindestens
einem Stützelement und mindestens einem Bauteil können
in einem sehr geringen axialen Abstand nebeneinander angeordnet werden.
Damit wird eine homogene Krafteinleitung sichergestellt. Günstig
ist es, je zwei Aktoren mit je zwei Stützelementen in einem
Bauteil zusammenzufassen, wobei die Aktoren und die Stützelemente
sich jeweils diametral gegenüberliegen und gleichmäßig über
den Umfang des Walzenmantels verteilt angeordnet sind. Die Stützelemente
wirken dabei in Pressrichtung und die Aktoren quer zur Pressenrichtung.
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Vorzugsweise
sind die Aktoren als Piezo-Aktoren ausgebildet. Piezo-Aktoren weisen
relative kleine Verstellwege bei großen Kräften
auf. Dabei entstehen innerhalb der Aktoren nur geringe Verluste. Piezo-Aktoren
können daher gut mit der erforderlichen Frequenz betrieben
werden. Die Größe der Verstellbewegung lässt
sich dabei gut mit Hilfe der angelegten Spannung einstellen. Insgesamt
ergibt sich dabei eine gut steuerbare, zuverlässige Anordnung.
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Vorzugsweise
weist die Walzenanordnung mindestens eine Messvorrichtung zur Erfassung
der Walzenschwingungen auf. Diese Messvorrichtung kann beispielsweise
durch Beschleunigungsaufnehmer gebildet sein, aber auch auf dem
Prinzip der Wirbelstromtechnik oder Lasertechnik beruhen.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass der Walze mindestens zwei Messvorrichtungen
zugeordnet sind, die in Axialrichtung der Walze nebeneinander angeordnet
sind. Dadurch ist eine lokale Messung der Walzenschwingungen möglich,
wobei die Querschwingung der Walze abschnittsweise geregelt werden
kann, so dass die Schwingbewegung zur Erzielung einer hohen Glätte
optimiert wird. Dies entspricht einer abschnittsweise einstellbaren
Friktionsglättung.
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Bevorzugterweise
weist die Walzenanordnung eine Regeleinrichtung auf, mit der die
Aktoren in Abhängigkeit von den Walzenschwingungen ansteuerbar
sind. Die Amplitude und Phasenlage der Schwingungen wird so durch
die Regeleinrichtung überwacht und gleichzeitig durch eine
entsprechende Ansteuerung der Aktoren gegebenenfalls berichtigt.
Dadurch wird ein optimales Endergebnis gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass der Walzenmantel zu translatorischen Schwingungen
mit einer Frequenz zwi schen 150 und 10.000 Hz, insbesondere zwischen
200 und 2.000 Hz angeregt wird.
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Durch
diese Schwingungen wird eine Differenzgeschwindigkeit zwischen dem
Walzenmantel und der Oberfläche einer Materialbahn erzeugt,
die zu einer Glättung der Oberfläche führt.
Die Umfangsgeschwindigkeit des Walzenmantels bleibt dabei konstant
und entspricht der Bewegungsgeschwindigkeit der Materialbahn und
auch der Umfangsgeschwindigkeit des Gegendruckelements. Da die Schwingungen
eine relativ geringe Frequenz von weniger als 10.000 Hz, beispielsweise
zwischen 150 und 3.000 Hz aufweisen, ist die zur Erregung notwendige
Energie relativ gering. Dadurch ist es möglich, auch große
und schwere Walzen in Schwingungen zu versetzen. Im Gegensatz zu
Verfahren, bei denen eine Schwingung im Ultraschallbereich erzeugt
wird, wird nicht der durch die Schwingungen in die Materialbahn
eingebrachte Impuls zur Glättung der Oberfläche
der Materialbahn genutzt, sondern die Friktion, die aufgrund der
sich periodisch ändernden Frequenzgeschwindigkeit zwischen
Walzenmantel und Materialbahn entsteht. Dadurch wird das Glättergebnis
verbessert, wobei die Streckenlast gleich bleibt oder sogar verringert
werden kann.
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Vorzugsweise
verlaufen die Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur Pressenrichtung
und zur axialen Ausdehnung der Walze. Die Schwingungen verlaufen
also im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Materialbahn.
Dadurch wird verhindert, dass ein veränderlicher Druck
in das Innere der Materialbahn eingebracht wird. Die Amplitude der
Schwingungen wird dabei optimal zur Erzeugung der Differenzgeschwindigkeit
genutzt. Dadurch tritt eine möglichst große Friktion
auf, was zu einem guten Glättergebnis führt.
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Vorzugsweise
werden die Schwingungen durch Aktoren erzeugt, die im Innenraum
angeordnet sind und auf den Walzenmantel wirken, wobei eine Vielzahl
von Aktoren axial nebeneinander angeordnet ist. Durch die Anordnung
der Aktoren im Innenraum sind diese vor Umwelteinflüssen
geschützt. Insbesondere wird dabei für die Aktoren
auch kein zusätzlicher Bauraum benötigt. Wenn
die Walze als Biegeausgleichswalze ausgeführt ist, können
die Aktoren mit den Stützelementen, die für den
Ausgleich der Biegung der Walze notwendig sind, zu Bauelementen
zusammengefasst werden. Da die Aktoren im Innenraum angeordnet sind,
können sie auch direkt auf den Walzenmantel wirken. Zwischenelemente,
die zu Verlusten beispielsweise durch Reibung führen, sind
dann nicht erforderlich. Durch die Anordnung einer Vielzahl Aktoren
axial nebeneinander kann eine homogene Schwingung in den Walzenmantel
eingebracht werden. Dabei werden die Aktoren in der Regel in zwei
Reihen angeordnet, so dass sich immer zwei Aktoren diametral gegenüber
stehen. Die Schwingung, die durch den einen Aktor angeregt wird,
kann dadurch durch den zweiten Aktor verstärkt werden.
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Bevorzugterweise
werden die Aktoren unter Berücksichtigung der resultierenden
Schwingung gesteuert. Beispielsweise mit Hilfe einer Messeinrichtung
wird dabei die Schwingung der Walze überwacht und die Aktoren
so geregelt, dass eine optimale Friktion hervorgerufen wird. Dadurch
wird ein optimales Glättergebnis gewährleistet.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Aktoren
einzeln angesteuert. Dadurch ist es möglich, entlang der
axialen Ausdehnung der Walze leicht unterschiedliche Schwingungen
in den Walzenmantel einzuprägen, wodurch eine Profilierung der
Materialbahn erfolgen kann. Dadurch ist es aber auch möglich,
auf Ergebnisse, die aus einer Querprofilüberwachung der
Materialbahn gewonnen werden, zu reagieren und so durch entsprechende
Ansteuerung der einzelnen Aktoren ein möglichst homogenes Glättergebnis
zu erreichen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
Walze im Querschnitt und
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2 einen
Aktor in schematischer Ansicht.
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In 1 ist
ein Querschnitt einer Walze 1 schematisch dargestellt.
Die Walze 1 weist einen Walzenmantel 2 mit einer
Innenseite 3 und einer Außenseite 4 auf.
Der Walzenmantel 2 umschließt einen Innenraum 5.
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Die
Walze 1 bildet zusammen mit einem nur schematisch dargestellten
Gegendruckelement 14 einen Nip 15, wobei die Pressenrichtung
durch einen Pfeil 6 in der Figur symbolisiert wird. Das
Gegendruckelement 14 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als
Walze ausgebildet.
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Die
Walze 1 ist als Biegeausgleichswalze ausgebildet. Zur Einstellung
der Durchbiegung der Walze 1 sind im Innenraum 5 der
Walze 1 Stützelemente 7, 8 angeordnet,
die eine Kraft in Pressenrichtung 6 auf den Walzenmantel 2 ausüben
können. Die beiden Stützelemente 7, 8 liegen
sich dabei diametral gegenüber und sind über ein
Joch 9 miteinander verbunden. In Richtung der axialen Ausdehnung
der Walze, also in die Zeichenebene hinein, sind weitere Stützelemente
angeordnet.
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Am
Joch 9 sind zwei Aktoren 10, 11 angeordnet,
die senkrecht zur Pressenrichtung und senkrecht zur axialen Ausdehnung
der Walze 1 auf den Walzenmantel 2 wirken.
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Die
Aktoren 10, 11 prägen eine translatorische
Schwingung in den Walzenmantel 2 der Walze 1 ein,
deren Richtung durch den Doppelpfeil 12 gekennzeichnet
ist. Mit Hilfe einer Messvorrichtung 13, die als Beschleunigungssensor
ausgebildet ist, werden diese Schwingungen erfasst und an eine nicht dargestellte
Regeleinrichtung übermittelt. Die Messvorrichtung 13 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel am Aktor 10 angeordnet.
Sie könnte aber genauso gut direkt am Walzenmantel 2 oder
am Aktor 11 angeordnet sein.
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Die
Figur zeigt nur einen Querschnitt der Walze 1. Sowohl die
Walze 1 als auch das Joch 9 erstrecken sich in
die Zeichenebene hinein. In dieser Richtung sind auch noch weitere
Aktoren und Stützelemente angeordnet, so dass durch die
Aktoren lokal wirksame Querbewegungen in den Walzenmantel eingebracht
werden können.
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Die
Aktoren 10, 11 können als Piezo-Aktoren oder
als elektromotorische Motoren ausgebildet sein. Wichtig ist nur,
dass sie mit einer ausreichend hohen Frequenz betrieben werden können.
Diese Frequenz liegt im Bereich kleiner als 10.000 Hz, wobei eine Frequenz
zwischen 150 und 3.000 Hz, insbesondere zwischen 200 und 2.000 Hz
bevorzugt wird. Beispielsweise werden die Aktoren mit einer Frequenz von
1.000 Hz angesteuert. Die dadurch im Walzenmantel hervorgerufenen
Querschwingungen dürfen natürlich nicht zu einem
Abriss der Materialbahn im Nip führen. Die Amplitude der
Schwingungen sollte daher in Abhängigkeit von der Frequenz
im Bereich von ca. 1 bis 8 mm/s liegen.
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Die
Aktoren 10, 11 erzeugen also eine bewusste translatorische
Schwingung des Walzenmantels quer zur Pressenrichtung 6,
wodurch eine Relativbewegung zwischen Walzenmantel 2 und
einer Materialbahn hervorgerufen wird. Durch die dabei auftretende
Friktion erfolgt eine Glättung der Oberfläche
der Materialbahn. Das Glättergebnis lässt sich
so auch bei verringerter Linienlast verbessern.
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Zur
Verringerung der Reibung zwischen den Aktoren 10, 11,
den Stützelementen 7, 8 und dem Walzenmantel 2 kann
an der Innenseite 3 des Walzenmantels 2 ein Ölfilm
angeordnet sein. Denkbar ist aber auch, dass die Aktoren und Stützelemente
an ihren Kontaktstellen mit dem Walzenmantel 2 eine hydrostatische
Schmierung aufweisen.
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Das
Joch 9 ist mit einer feststehenden Achse 16 drehfest
verbunden. Die Achse 16 ist dabei hohl ausgebildet, wobei
durch die Achse 16 und Kanäle 17 Öl
zu den Aktoren 10, 11 und den Stützelementen 7, 8 geleitet
wird.
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2 zeigt
ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Aktors 10, 11.
Prinzipiell können die Stützelemente 7, 8 gleich
ausgebildet sein. Als Aktor wird in diesem Zusammenhang nicht nur
der eigentliche Antrieb bezeichnet, sondern die gesamte Konstruktion,
die zum Erzeugen und Übertragen einer Stellbewegung benötigt
wird. Der Aktor ist dabei als hydrostatisches Stützelement
ausgebildet. Ein derartiges Stützelement ist unter der
Bezeichnung Nipco-Element bekannt.
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Bei
einem derartigen Aktor wird eine Kolbenkammer 18 über
eine Zuleitung 19 durch die Achse 16 mit Öl
versorgt, wobei dieses Öl unter einem gewissen Druck steht.
Durch Kapillare 20, 21 gelangt das Öl
in eine Drucktasche 22, die durch eine Aussparung in der
Stirnseite eines Zwischenelements 23 gebildet ist. Die
Aussparung 23 wird dabei durch den Walzenmantel 2 verschlossen,
was in 2 jedoch nicht dargestellt ist.
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Mit
Hilfe eines längenveränderlichen Elements 24,
das bei diesem Ausführungsbeispiel als Stapelaktor aus
Piezo-Aktoren ausgeführt ist, kann in der Drucktasche 22 eine
pulsierende Druckschwankung erzeugt werden. Diese Druckschwankungen bewirken
eine Walzenschwingung. Die Frequenz der Walzenschwingung entspricht
dabei der Frequenz der Druckschwankungen bzw. der Ansteuerfrequenz des
Stapelaktors.
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Der
Stapelaktor selber kommt bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht in Kontakt mit dem Walzenmantel. Dadurch ist eine geringe
Störanfälligkeit und hohe Lebensdauer gewährleistet.
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Andere
Ausführungsformen der Aktoren und der Stützelemente
sind natürlich ebenfalls denkbar. Das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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