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Die
Erfindung betrifft eine Walze zur Behandlung einer Faserstoffbahn,
insbesondere eine Mittelwalze eines Kalanders, mit einem rotierbaren
Walzenmantel, der an beiden Enden mit einem Zapfen verbunden ist
und mit diesen einen zylindrischen Innenraum der Walze begrenzt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dämpfung
von Schwingungen mit der Walze.
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Mittelwalzen
von Kalandern befinden sich in einem System mit unterschiedlichen
Eigenfrequenzen. Aufgrund von Anregungen, beispielsweise aus den
Antrieben, aus Unrundheiten der Walzen oder aus der Faserstoffbahn
selbst, kommt es gelegentlich zu unerwünschten Schwingungen,
die zu einer verminderten Papierqualität oder sogar zu
Beschädigungen der Walzenbeläge führen
kann.
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Nach
mehr oder weniger langer Betriebszeit dieser Kalander kommt es oft
zu einer unerwünschten Schwingungsproblematik, einer sogenannten Barring-Erscheinung.
Diese Barring-Erscheinung zeichnet sich durch streifenförmige
Markierungen der elastischen Walzen (Kunststoffbeläge)
aus. Über den Entstehungsmechanismus dieser Markierungen
ist derzeit folgendes bekannt:
Ein Walzenstapel, der aus mehreren
Walzen gebildet ist, hat eine Vielzahl von Eigenfrequenzen. Hierbei sind
nicht die Eigenfrequenzen der einzelnen Walzen für sich,
wie etwa Biegeeigenfrequenzen, gemeint, sondern die Eigenschwingungsformen,
die sich aus den schwingenden Walzenmassen auf den Feder- und Dämpfersystemen
der dazwischen geschalteten Kunststoffbeläge ergeben.
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Aufgrund
der Vielzahl der möglichen Erreger und der Vielzahl der
möglichen Eigenschwingungsformen lassen sich diese Resonanzstellen
konstruktiv nicht umgehen. In der Regel ist das Schwingungssystem
auch so stark gedämpft und die Erregerkräfte sind
so klein, dass die resultierenden Schwingbewegungen unmittelbar
nicht störend sind. Über einen mehr oder weniger
langen Zeitraum prägen sich diese Schwingbewegungen jedoch
in die Kunststoffbeläge der elastischen Walzen ein.
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Üblicherweise
werden die zur Eigenfrequenz nächstliegenden ganzzahligen
Vielfachen der Walzendrehfrequenz als Muster auf den Walzen eingeprägt.
Hierdurch erfolgt eine Rückkopplung der Schwingung. Die
Schwingungsausschläge nehmen dann exponentiell zu. Sie äußern
sich einerseits in einem erhöhten Schallpegel (bis mehr
als 120 dB(A)) und andererseits in periodischen Dickenschwankungen
der durchlaufenden Papierbahn.
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Es
gibt in der Patent- und sonstigen Literatur zahlreiche beschriebene
Möglichkeiten, solche Schwingungen zu dämpfen.
Dazu werden beispielsweise Tilger, Stützelemente oder andere
Dämpfungselemente eingesetzt.
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Aus
der
DE 199 15 848
A1 ist es bekannt, diese Dämpfung mit Hilfe von
mechanischer Reibung zu realisieren. Die Reibpartner sind allerdings
nur in der Nähe der Lager der Walzen, also im Bereich der geringsten
Schwingungsamplituden einsetzbar. Außerdem müssen
die Reibflächen an wenigstens zwei unterschiedlichen Bauteilen,
also an zwei Lagern oder an einem Walzenlager und der Kalanderstuhlung
vorgesehen sein, was den Aufwand zur Auslegung einer wirkungsvollen
Walzendämpfung sehr hoch werden lässt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung eine Walze zu schaffen, die eine neue,
einfach auszugestaltende Möglichkeit bietet, auftretende
Schwingungen zu dämpfen. Es weiterhin eine Aufgabe der
Erfindung, ein passendes Verfahren zur Dämpfung mit dieser Walze
aufzuzeigen.
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Bezüglich
der Walze wird die Aufgabenstellung dadurch erfinderisch gelöst,
dass in dem Innenraum wenigstens ein Dämpfungselement mit
einer Kontaktfläche zur Innenwandung des Mantels vorgesehen
ist, das im Fall von im Betrieb erzeugten Schwingungen des Walzenmantels
eine mechanische Reibung zwischen der Innenwandung und zumindest
einem Teil der Kontaktfläche erfährt.
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Die
Erfindung befasst sich in erster Linie mit der Reduzierung der Barring-Entstehung
in einem Kalander. Aus numerischen Simulationen des oben beschriebenen Problems
kann man zeigen, dass sich die ganzzahligen Muster auf den Walzen
immer unterhalb der Eigenfrequenzen des Walzenpaktes ausbilden,
bei denen die Walzen eine Kontaktschwingung zueinander ausführen.
Diese Eigenformen liegen meist jedoch in einem Frequenzbereich,
bei dem die Walzenschalen schon in Oberschwingungs-formen schwingen.
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Bei
diesen hohen Frequenzen (meist 400 bis 900 Hz) treten nur sehr kleine
Schwingamplituden auf. Aus diesem Grund ist eine passive Dämpfung der
Walzen von außen, z. B. an den Lagerstellen, nicht möglich.
Die Dämpfung der Walzen muss daher im Walzenkörper
selbst erfolgen. Da nur sehr kleine Amplituden und damit sehr kleine
dynamischen Dehnungen auftreten und die Steifigkeit der Walzenschalen
beibehalten werden muss, bietet sich hier die Reibdämpfung
durch zusätzlich erzeugte Fügestellen im Inneren
der Walze an.
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Es
ist von Vorteil, wenn das Dämpfungselement ring- oder rohrförmig
ausgebildet ist. Um ein Maximum an Reibung zu erzeugen, werden im
Inneren der Walze einzelne Metallringe eingefügt deren Länge
deutlich kleiner ist als die Länge des Walzenballens. Die
optimale Länge ist von dem Verhältnis der Wandstärke
des Walzenmantels zur Wandstärke der eingefügten
Ringe abhängig. Bei optimaler Länge und optimaler
Positionierung der Ringe wird die übertragene Schubspannung
maximal.
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Besonders
bevorzugt ist, wenn die Außenfläche des Dämpfungselementes
eine Länge L von dem 0,5- bis 3-fachen des Innendurchmessers
des Walzenmantels aufweist. Ein zu langer Ring würde – abgesehen
von seinen Enden – im Wesentlichen der Biegeverformung
des Walzenmantels folgen und damit nur einen geringen Schub erzeugen,
nämlich nur an seinen Enden. Sind die Ringe zu kurz, treten
bei Biegung der Walzenschale aufgrund der geringen Längenänderungen
auch nur geringe Schubspannungen zwischen den Ringen und der Walzenschale auf.
Bei dem bevorzugten Verhältnis ergibt sich das Reibungsoptimum
zwischen den Haftzonen (C) in der Mitte des Ringes und den Gleitzonen
(A, B) an den Enden.
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Mit
Vorteil ist dafür gesorgt, dass das Dämpfungselement
geschlitzt ist. Ein Ring mit einer gewissen Elastizität
ist so einfach zusammenzudrücken und durch den damit verkleinerten
Durchmesser leicht in das Walzenrohr einführbar.
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Es
ist günstig, wenn die Kontaktfläche aufgrund einer
Vorspannung des Dämpfungselementes an der Innenwandung
des Mantels anliegt. Dies ist leicht zu realisieren, wenn beispielsweise
ein geschlitzter Ring in unbelastetem Zustand einen etwas größeren
Außendurchmesser aufweist als der Innendurchmesser des
Walzenrohres ist.
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Vorzugsweise
ist ein unter Druck stehender Schwellkörper innerhalb des
Dämpfungselementes vorgesehen, der die Kontaktfläche
des Dämpfungselementes an die Innenwandung des Walzenmantels anpresst.
Hierzu eignen sich mit Druckgasen beaufschlagbare Behälter,
die sich aufgrund des Drucks leicht ausdehnen können. Zur
Erzeugung optimaler Dämpfung kann auf diese Weise auch
die Flächenpressung zwischen Walzenmantel und den Ringen einstellbar
gestaltet werden. Durch Variation der Druckvorspannung kann die
Flächenpressung zwischen dem Walzenmantel und den Ringen
den optimalen Verhältnissen angepasst werden. Den optimalen
Zustand gewinnt man durch Berechnungen oder durch eine Betriebsschwingungsanalyse
während der Produktion, bei der der Vorspanndruck variiert wird.
Im Zusammenhang mit einer Einstellbarkeit der Flächenpressung
ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn die Ringe am Umfang
geschlitzt sind. Zur Vermeidung von Passungsrost sollten die Oberflächen
mit einer Beschichtung – z. B. nach dem Nitrokarburierverfahren – versehen
werden.
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Bevorzugt
ist ein Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Walze, bei dem das Dämpfungselement mit zumindest einem
Teil seiner Kontaktfläche Schwingungsenergie durch Reibung an
der Innenwandung und damit verbundener Umwandlung in Wärme
vernichtet. Die Erzeugung von Wärme an der Innenwandung
des Walzenmantels kann sich auf einen Satinageprozess durchaus positiv
auswirken.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigt
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1:
eine schematische, längsgeschnittene Darstellung einer
erfindungsgemäßen Walze und
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2:
eine Perspektivische Ansicht eines Dämpfungselementes in
Form eines geschlitzten Ringes und
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3:
eine schematische Seitenansicht eines Kalanders mit den erfindungsgemäßen
Walzen.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Walze 1 am Beispiel
einer elastischen Mittelwalze 11 eines Kalanders 10.
Die Walze 1 besitzt einen Walzenmantel 17 aus
einem Stahl- oder Gusswerkrohr, in der Regel mit einer Wandstärke
von 30 bis 200 mm. An jedem Ende des Mantelrohres ist eine Zapfen 5 angeschraubt,
der die nicht dargestellte Lagerung der Walze 1 aufnimmt.
Auf dem Mantel ist ein elastischer Belag 20 aufgebracht.
Er dient dazu, die Faserstoffbahn unter Druck möglichst
gleichmäßig zu verdichten. Sind solche elastischen
Mittelwalzen 11, wie in 3 beispielhaft
gezeigt, in einem Kalander 10 eingesetzt, so sind während
des Betriebes, also der Satinage einer Faserstoffbahn 2,
Schwingungen unvermeidlich. Oft führen solche Schwingungen
zu unerwünschten Einprägungen in den elastischen
Belag 20 der elastischen Mittelwalze, so genannten Barrings.
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Um
diese Schwingungen zu dämpfen werden insbesondere in die
elastische Mittelwalze 11 Dämpfungselemente 3 eingesetzt.
In 1 erkennt man, dass man mehrere Dämpfungselemente
in axialer Richtung der Walze 1, 11 verwendet.
In dem Ausführungsbeispiel sind Dämpfungselemente 3 vorgesehen,
die die Form eines geschlitzten Ringes 6 haben. Ein solcher
Ring 6 wird deutlich in 2 dargestellt.
Die Außenfläche des Ringes bildet eine Kontaktfläche 7 zur
Innenwandung 8 des Walzenmantels 17, 18.
Um eine passsichere Anlage zu erzielen sollte der Außendurchmesser
des Ringes 6 gleich oder etwas größer
als der Innendurchmesser des Walzenmantels 17, 18 sein.
Die Länge L des Ringes spielt für die Erfindung
eine große Rolle. Über diese Länge gibt
es während der Schwingung der Walze 1 Gleitbereiche
A, B und Haftbereiche C. Die Reibung in den Gleitbereichen A, B
führt zur Erzeugung von Wärme und damit Vernichtung
von Schwingungsenergie. Wählt man die Länge L
des Ringes zu groß, so ist die Fläche der Gleitbereich
A, B an den Enden für die ganze Walze 1 zu klein.
Sind die Ringlängen zu klein, so verkleinern sich auch
die Gleitbereiche zu sehr. Die optimale Länge L liegt im
Bereich 0,5 bis 3 mal dem Innendurchmesser des Walzenmantels 17, 18.
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Es
ist vorgesehen, den Ring 6 mit einem Schlitz 25 zu
versehen, um ihn einfacher montieren zu können und ggf.
eine Vorspannung beim Anlegen der Kontaktfläche 7 an
die Innenwandung 8 nutzen zu können. Selbstverständlich
muss die Verdrehsicherheit nicht unbedingt durch Kraftschluss sondern kann
auch in nicht dargestellter Weise über Formschluss, beispielsweise
einem Anschlag im Bereich des Schlitzes, gewährleistet
werden.
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Um
einen eventuell bevorzugten Kraftschluss zwischen Kontaktfläche 7 des
Ringes 6 und der Innenwandung 8 des Walzenmantels 17, 18 noch zu
verbessern, ist, wie in 1 dargestellt, ein Schwellkörper 21 vorgesehen.
Er besitzt eine Druckfluid-Versorgungsleitung 22, über
die ein Druckraum 23 einmalig oder kontinuierlich geregelt
so mit Druck beaufschlagt wird, dass er sich ausdehnt und den Ring 6 aufspannt.
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Vorzugsweise
ist zwischen den Ringen 6 ein kleiner Spielraum vorgesehen,
so dass sich bei Schwingungen keine Kraft axial von einem Ring 6 auf den
anderen überträgt.
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3 zeigt,
dass nicht nur elastische Mittelwalzen 11 in einem Kalander 10 von
der Erfindung berührt sein können. Auch die harten
Walzen 12 sind von der Schwingungsproblematik betroffen.
Diese harten Walzen 12 sind in der Regel Stahl- oder Hartgusswalzen,
die über eine Heizeinrichtung 19 verfügen.
Beispielhaft für eine solche Heizeinrichtung 19 sind
in 3 periphere Kanäle im Walzenmantel 18 angedeutet,
durch die ein Heizmedium geleitet wird. Denkbar sind aber beispielsweise
auch induktive Außen- oder Innenheizungen.
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Auch
die Ober- und Unterwalze 13, 14 des Kalanders 10 sind
nicht grundsätzlich von der Erfindung ausgeschlossen. Alle
diese Walzen bilden einen Walzenstapel, wobei die Walzen 11, 12, 13, 14 unter
Bildung von so genannten Walzennips 24 mittels eines Druckgebers 16 zusammengepresst
werden. Alle diese Kalanderwalzen 11, 12, 13, 14 können
demnach in der Form der erfindungsgemäßen Walze 1 ausgebildet
sein. Über Leitwalzen 15 wird die Faserstoff 2 durch
die gewünschte Anzahl von Walzennips 24 geleitet
und dort satiniert.
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Von
den dargestellten Ausführungsformen kann in vielfacher
Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung
zu verlassen. Insbesondere müssen die erfindungsgemäßen
Walzen nicht unbedingt in einem Kalander angeordnet sein. Ähnliche
Schwingungsprobleme sind beispielsweise auch aus der Pressenpartie
oder bei einer Wickelmaschine für Faserstoffbahnen bekannt.
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- 1
- Walze
- 2
- Faserstoffbahn
- 3
- Dämpfungselement
- 4
- Innenraum
- 5
- Zapfen
- 6
- Ring
- 7
- Kontaktfläche
- 8
- Innenwandung
- 10
- Kalander
- 11
- elastische
Walze
- 12
- harte
Walze
- 13
- Oberwalze
- 14
- Unterwalze
- 15
- Leitwalze
- 16
- Druckgeber
- 17
- Walzenmantel
(elastische Walze)
- 18
- Walzenmantel
(harte Walze)
- 19
- Heizeinrichtung
- 20
- Elastischer
Belag
- 21
- Schwellkörper
- 22
- Druckfluid-Versorgungsleitung
- 23
- Druckraum
- 24
- Walzennip
- 25
- Schlitz
- L
- Ringlänge
- A,
B
- Gleitbereich
der Kontaktfläche
- C
- Haftbereich
der Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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