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Die
Erfindung betrifft eine Rollenwickeleinrichtung mit einem Wickelbett
und einer Andruckwalzeneinrichtung.
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Eine
derartige Rollenwickeleinrichtung wird verwendet, um eine Materialbahn,
die quasi endlos vorliegt, zu einer für einen Verbraucher handhabbaren
Wickelrolle aufzuwickeln. Die Erfindung wird im Folgenden anhand
einer Papierbahn als Beispiel für eine
Materialbahn erläutert.
Sie ist jedoch auch bei anderen Materialbahnen anwendbar.
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Papierbahnen
werden quasi endlos und in einer großen Breite von bis zu 10 m
produziert. In einem der letzten Herstellungsschritte werden sie
in Längsbahnen
unterteilt, wobei jede Bahn eine Breite im Bereich von 0,3 bis 4,8
m aufweist, und zu Wickelrollen aufgewickelt, die einen Durchmesser
in der Größenordnung
von 0,8 bis 2,5 m haben können. Das
Aufwickeln der Papierbahn auf die Wickelrolle sollte möglichst
schnell erfolgen, damit eine Rollenwickeleinrichtung der Produktion
einer Papiermaschine folgen kann. Wickelvorgänge, bei denen die Papierbahn
mit einer Geschwindigkeit von 2500 bis 3000 m/min zugeführt wird,
sind dabei durchaus im Bereich des Möglichen.
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Die
Papierbahn wird üblicherweise
auf einen Wickelkern aufgewickelt, auf dem sich die Wickelrolle bildet.
Die Wickelrolle liegt dabei in einem Wickelbett, das beispielsweise
durch zwei Tragwalzen gebildet ist. Das Wickelbett kann jedoch auch
auf andere Weise gebildet sein, wobei die Wickelrolle zweckmäßigerweise
auf Stützflächen aufliegt,
die sich mit der Geschwindigkeit der zugeführten Papierbahn bewegen. Außer Tragwalzen
sind auch umlaufende Bänder
oder dergleichen denkbar.
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Beim
Anwickeln dient die Andruckwalzeneinrichtung zur Erzeugung von Wickelhärte. Die
noch leichten Wickelrollen werden durch die Andruckwalze ins Wickelbett
gedrückt.
Durch die resultierende Niplast wird die erforderliche Wickelhärte erzeugt.
Mit zunehmendem Rollendurchmesser steigt die Masse der Wickelrolle
an, so dass die Auflagekraft der Andruckwalze reduziert werden kann.
Die Andruckwalze liegt dann nur noch mit einer Restlinienlast auf
und hat theoretisch keine Funktion mehr.
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In
der Praxis treten jedoch bei vielen Rollenwickeleinrichtungen Schwingungen
auf. Diese Schwingungen treten mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen
und variierenden Eigenschwingungsformen der Rollenwickeleinrichtung
auf. Wenn Harmonische der Wickeldrehzahl auf Eigenfrequenzen der
Rollenwickeleinrichtung treffen, dann werden die Schwingungsamplituden
in diesen Frequenzen verstärkt.
Vibrationen verschlechtern die Rollenqualität und können zu Rollenauswürfen führen.
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Um
einen Auswurf der Wickelrolle aus der Rollenwickeleinrichtung zu
verhindern, lässt
man die Andruckwalzeneinrichtung mit der Andruckwalze auch bei einem
größeren Durchmesser
der Wickelrolle auf der Wickelrolle aufliegen. Diese an und für sich positive
Maßnahme
hat aber zur Folge, dass sich ein weiteres Problemfeld ergibt. Nunmehr
kann nämlich
auch die Andruckwalzeneinrichtung schwingen.
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Da
beim Wickeln die Drehzahl der Wickelrolle einen sehr großen Frequenzbereich
durchläuft,
ist eine maschinendynamische Auslegung der einzelnen Komponenten
einer Rollenwickeleinrichtung in der Form, dass Eigenfrequenzen
durch die Wickeldrehzahl bzw. deren Harmonischen niemals angeregt
werden können,
praktisch nicht möglich.
Der derzeit gangbare Weg ist, bei Auftreten von Schwingungen die
Wickelgeschwindigkeit zu vermindern, was sich negativ auf die Produktivität auswirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohe Produktivität sicherzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Rollenwickeleinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass die Andruckwalzeneinrichtung eine Tilgeranordnung mit mindestens
einem Tilger aufweist.
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Die
Tilgeranordnung wirkt zunächst
dämpfend
auf Schwingungen ein, die sich an der Andruckwalzeneinrichtung ergeben.
Darüber
hinaus ist sie aber auch in der Lage, über die Wickelrolle auf Schwingungen
einzuwirken, die sich in anderen Bereichen der Rollenwickeleinrichtung
ergeben, beispielsweise auf die Elemente, die das Wickelbett bilden.
Es ist zwar bekannt, beispielsweise eine Tragwalze mit einem Tilger
zu versehen. Dieser Tilger hat jedoch unter gewissen Bedingungen
nur eine begrenzte Wirkung, weil die sich auf der Tragwalze bildende
Wickelrolle nicht in allen Situationen mit der erforderlichen Steifigkeit
an die Tragwalze angekoppelt ist. Wenn man die Andruckwalzeneinrichtung ebenfalls
mit einer Tilgeranordnung versieht, dann kann man dafür sorgen,
dass Schwingungen gedämpft
oder vermieden werden, bei denen die Wickelrolle temporär zu weit
von den das Wickelbett bildenden Elementen abhebt.
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Vorzugsweise
weist die Tilgeranordnung mindestens zwei Tilger auf, von denen
jeder einem axialen Ende der Andruckwalzeneinrichtung zugeordnet
ist. Durch die beiden Tilger werden Bahnprofil bedingte Differenzen
in der Schwingungsintensität oder
-frequenz auf beiden Seiten der Wickelrolle ausgeglichen. Man berücksichtigt
also, dass sich über die
axiale Länge
der Wickelrolle verteilt unterschiedliche Anregungen und damit auch
unterschiedliche Schwingungsverhältnisse
ergeben können.
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Bevorzugterweise
weist die Andruckwalzeneinrichtung einen Träger auf, an dem eine Andruckwalze
angeordnet ist, wobei die Tilgeranordnung auf den Träger wirkt.
Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit,
einen Tilger an die Andruckwalzeneinrichtung anzukoppeln. Die Schwingungen,
die die Andruckwalze ausführt, übertragen
sich in erster Näherung
unmittelbar auf den Träger.
Umgekehrt kann man zu einer Beruhigung der Andruckwalzeneinrichtung
beitragen, wenn man die Tilgeranordnung über den Träger auf die Andruckwalze wirken
lässt.
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Vorzugsweise
weist die Tilgeranordnung einen Tilger auf, der in der Mitte des
Trägers
angeordnet ist. Dieser Tilger eliminiert die zweite überlagerte Eigenform,
die an die Biegeeigenfrequenz des Trägers gekoppelt ist. Diese Biegeeigenfrequenz
ist in allen Stellungen der Andruckwalzeneinrichtung und für praktisch
alle Betriebsbedingungen gleich. Die Biegeeigenfrequenz des Trägers ist
aber ein merklicher Einflussfaktor bei den Schwingungen, so dass die
Beseitigung dieser Schwingung zu einer merklichen Beruhigung der
Andruckwalzeneinrichtung führt.
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Vorzugsweise
weist mindestens ein Tilger eine Wirkrichtung auf, die in das Wickelbett
gerichtet ist. Wenn die Wirkrichtung des Tilgers in das Wickelbett
gerichtet ist, dann tilgt oder dämpft
der Tilger Schwingungen, die von den das Wickelbett bildenden Elementen
in die Wickelrolle eingetragen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Tilger eine Wirkrichtung aufweist,
die quer zu einer Druckrichtung der Andruckwalzeneinrichtung gerichtet
ist. Dieser Tilger wirkt also sozusagen tangential zu der sich bildenden Wickelrolle.
Wenn die Andruckwalze auf die Wickelrolle zu schwingt, so erhöht sich
die Andruckkraft und damit steigt die Rollreibungskraft, mit der
die Andruckwalze über
die Wickel rolle getrieben wird, an. Wenn in diesem Zeitpunkt die
Andruckwalze, in Laufrichtung der Materialbahn betrachtet, ebenfalls
quer zum Nip schwingt, so wird dem mechanischen System quer zum
Nip in dieser Halbschwingung durch die erhöhte Rollreibungskraft mehr
Energie zugeführt,
als bei der zurück
gerichteten Halbschwingung (gegen die Laufrichtung der Andruckwalze)
durch Rollreibungskraft wieder entzogen wird. Dies ergibt sich,
da zu diesem Zeitpunkt durch die überlagerte Schwingung in Belastungsrichtung
die Andruckwalzenkraft reduziert wird, was zu einer geringen Reibungskraft
führt.
Somit wird der Bewegung der Andruckwalze im Takt der Schwingung
ständig
Energie aus dem Antrieb zugeführt.
Dieser Schwingung wird durch den quer zur Druckrichtung arbeitenden
Tilger Energie entzogen.
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Vorzugsweise
weist die Tilgeranordnung eine einstellbare Wirkrichtung auf. Die
Einstellbarkeit der Wirkrichtung kann dadurch realisiert werden, dass
man einen Tilger tatsächlich
schwenkt. Sie kann aber auch dadurch realisiert werden, dass man
ansteuerbare Tilger vorsieht, die in unterschiedliche Wirkrichtungen
arbeiten, und die Tilgungsrichtung durch die Ansteuerung bestimmen.
Damit kann man gezielt Einfluss auf Schwingungen nehmen, auch wenn
sie nicht direkt in Pressenrichtung oder quer dazu auftreten.
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Vorzugsweise
ist mindestens ein Tilger als aktiver Tilger ausgebildet. Da die
Höhe der
Eigenfrequenz der Andruckwalze in Pressenrichtung bedingt durch
die variierende Kontaktsteifigkeit zur Rolle stark von der Papierrollenhärte und
der Andruckwalzenkraft abhängig
ist, ist es vorteilhaft, diese Eigenform durch ein ak tives System
zu dämpfen
oder sogar zu eliminieren, weil ein aktives System einen größeren Frequenzbereich
abdeckt als ein rein passiv wirkender gedämpfter Tilger. Bei einem aktiven
Tilger wird eine Masse durch einen Aktuator bewegt. Die dadurch
auftretenden Reaktionskräfte
wirken dämpfend
auf die Schwingungen ein.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass mindestens ein aktiver Tilger mit einer Sensoranordnung
verbunden ist, der eine Beschleunigung in der Andruckwalzeneinrichtung
ermittelt. Der Beschleunigungssensor dient als Schwingungsaufnehmer.
Mit ihm lässt
sich die Frequenz der Schwingung ermitteln, so dass man den aktiven
Tilger gezielt so ansteuern kann, dass er diese Schwingung dämpft oder
auslöscht.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass der Beschleunigungssensor in einen Regelkreis
eingebunden ist, der auf eine Beruhigung der Andruckwalzeneinrichtung
hin wirkt. Der aktive Tilger wird also so betrieben, dass er die
unerwünschte
Schwingung in der Andruckwalzeneinrichtung auslöscht oder zumindest so weit
dämpft,
dass sie nicht weiter stört.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Andruckwalzeneinrichtung permanent
mit einer relativ genau einstellbaren Kraft an der Wickelrolle anliegt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass mindestens ein aktiver Tilger mit einem Kraftsensor
verbunden ist, der eine Nipkraft am Eingang des Wickelbetts ermittelt.
Beispielsweise kann der Kraftsensor die dynamische Nipkraft an der
einlaufseitigen Tragwalze ermitteln. Der Aufbau der Wickelrolle
wird maßgeblich
durch die Höhe
der Normalkraft im ersten Nip be stimmt. Unrunde Rollen resultieren
letztendlich aus dynamischen Kraftschwankungen im ersten Nip. Diese
können
in einem bestimmten Frequenzbereich durch die Bewegung der Andruckwalze
beeinflusst werden. Hierzu wird die dynamische Nipkraft beispielsweise
durch die Messung der Beschleunigung der ersten Tragwalze ermittelt.
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Vorzugsweise
ist der Kraftsensor in einen Regelkreis eingebunden, der auf eine
Minimierung von Kraftänderungen
am Eingang des Wickelbetts hinwirkt. Die dynamische Nipkraft wird
durch Messung der Beschleunigung der ersten Tragwalze ermittelt
und als Eingangsgröße für einen
Regelkreis zur Ansteuerung des aktiven Schwingungstilgers in Pressrichtung
der Andruckwalze verwendet. Diese Regelstrategie ist besonders für die Schwingungsprobleme
geeignet, die sich durch Eigenfrequenzen an der Andruckwalzeneinrichtung
ergeben. Diese liegen in der Regel deutlich unterhalb der Biegeeigenfrequenzen
der Tragwalzen oder anderer das Wickelbett bildenden Elemente und
bilden sich daher in der ersten Harmonischen der Wickeldrehzahl
aus. Für sehr
langsam laufende Rollenwickeleinrichtungen kann dies auch die zweite
Harmonische der Wickeldrehzahl sein. Aus diesem Grund sind die Tragwalzen
(oder andere das Wickelbett bildende Elemente) an dieser Schwingungsform
der Rollenwickeleinrichtung nur gering beteiligt und lassen daher
eine Kraftmessung über
die Beschleunigung der ersten Tragwalze zu, da die erste Tragwalze
(oder andere das Wickelbett bildende Elemente) in diesem Frequenzbereich
unterkritisch erregt wird. Es ist also keine Verstärkung durch
die Tragwalzenschwingung selbst zu erwarten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Rollenwickeleinrichtung und
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2 eine
schematische Vorderansicht der Rollenwickeleinrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine Rollenwickeleinrichtung 1 mit zwei Tragwalzen 2, 3,
die zusammen ein Wickelbett 4 bilden. In dem Wickelbett
liegt eine Wickelrolle 5, auf die eine Papierbahn 6 aufgewickelt
ist. Die Papierbahn wird mit ihrem Anfang an einer Wickelhülse 7 befestigt.
Wenn sich die Tragwalzen 2, 3 in Richtung eines
Pfeils 8 drehen, dann wird die Papierbahn 6 auf
die Wickelrolle 5 gezogen. Bei diesem Wickelvorgang vergrößert sich
der Durchmesser der Wickelrolle 5.
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In
vielen Fällen
wird die Papierbahn 6 kurz vor dem Einlaufen in den Nip 9 zwischen
der ersten Tragwalze 2 und der Wickelrolle 5 noch
in Längsbahnen
geschnitten. Dies ist aus Gründen
der Übersicht hier
nicht dargestellt.
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Oberhalb
der Wickelrolle 5 ist eine Andruckwalzeneinrichtung 10 angeordnet,
die mit einer Andruckwalze 11 auf der Wickelrolle 5 aufliegt.
Die Andruckwalze 11 erzeugt zu Beginn des Wickelvorgangs,
wenn nur wenige Lagen der Papierbahn 6 um die Wickelhülse 7 herumgewickelt
worden sind, einen Anpressdruck, mit dem die Wickelhärte beeinflusst
wird. Wenn die Wickelrolle 5 ei nen größeren Durchmesser erreicht
hat, dann reicht das Eigengewicht der Wickelrolle 5 aus,
um den erforderlichen Anpressdruck zu schaffen. Die Auflagekraft
der Andruckwalze 11 kann dann vermindert werden.
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Die
Andruckwalze 11 ist an einem Träger 12 befestigt,
der mit nicht näher
dargestellten Aktuatoren, beispielsweise Hydraulikzylindern, verbunden ist,
die die Bewegung der Andruckwalzeneinrichtung 10 und die
Andruckkraft der Andruckwalze 11 auf die Wickelrolle 5 steuern.
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Am
Träger 12 sind
mehrere Tilger 13–18 angeordnet.
Dabei sind Tilger 13, 14 an den beiden axialen
Enden des Trägers 12 angeordnet
und wirken im Wesentlichen in Pressrichtung, also in das Wickelbett 4 hinein.
Tilger 16, 17 wirken quer zur Pressrichtung, also
parallel zu einer Tangente an die Wickelrolle 5. Diese
Tilger 13, 14, 16, 17 sind zweckmäßigerweise als
aktive Tilger ausgebildet, die eine Masse und einen Aktuator haben.
Der Aktuator bewegt die Masse. Die bei der Bewegung und der damit
verbundenen Beschleunigung der Masse entstehenden Reaktionskräfte wirken
entgegen den Schwingungen, die der Träger 12 und damit die
Andruckwalze 11 ausüben.
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Man
kann dabei unterschiedliche Tilger- oder Dämpfungsstrategien verfolgen.
Eine Strategie besteht darin, die Andruckwalze 11 in Pressrichtung
zu beruhigen. Hierzu ist für
jeden der Aktuatoren 13, 14, die in das Wickelbett 4 gerichtet
sind, ein Beschleunigungsaufnehmer 19 vorgesehen, der mit
einem Regler verbunden ist, der den Tilger 13, 14 betätigt. Der Regler
ist so ausgebildet, dass er die Schwingungen des Trägers 12 und
damit auch die Schwingungen der Andruckwalze 11 in Pressrichtung
eliminiert oder zumindest so weit vermindert, dass sie nicht mehr stören.
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Der
Träger 12 hat
eine zweite überlagerte
Eigenform, die sich in einer Biegeeigenfrequenz äußert. Dementsprechend können die
Tilger 15, 18 sowohl aktiv als auch passiv ausgestaltet
sein, da die Biegeeigenfrequenz des Trägers 12 in allen Stellungen
und für
nahezu alle Betriebsbedingungen unverändert ist. Die Bewegungsrichtung
des Tilgers 15, 18 ist vorzugsweise quer zur Belastungsrichtung
gerichtet. Meist genügt
ein Tilger 15, 18 in der Mitte des Trägers 12.
Im Falle eines aktiven Tilgers würde
man einen für
die Regelung benötigten
Schwingungssensor (nicht näher
dargestellt) ebenfalls in der Mitte des Trägers 12 anordnen.
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Eine
zweite Regelstrategie, die auch bei entsprechender Abstimmung gemeinsam
mit der erstgenannten Regelstrategie verfolgt werden kann, ist die Minimierung
der dynamischen Nipkraft an der ersten Tragwalze 2, also
im einlaufseitigen Nip 9. Der Aufbau der Wickelrolle 5 wird
maßgeblich
durch die Höhe
der Normalkraft im ersten Nip 9 bestimmt. Unrunde Rollen
resultieren letztendlich aus dynamischen Kraftschwankungen im ersten
Nip. Diese Kraftschwankungen werden mit Hilfe eines Kraftsensors 20 ermittelt,
der in einen Regelkreis eingebunden ist, der diese Kraftschwankungen
minimiert. Auch diese Kraftschwankungen können nämlich in einem bestimmten Frequenzbereich
durch die Bewegung der Andruckwalze 11 beeinflusst werden.
Die dynamische Nipkraft wird durch Messung beispielsweise der Beschleuni gung
der ersten Tragwalze 2 ermittelt und als Eingangsgröße für den Regelkreis
zur Ansteuerung der aktiven Schwingungstilger 13, 14 in Pressrichtung
der Andruckwalze 11 verwendet. Diese Regelstrategie ist
besonders für
die Schwingungsprobleme geeignet, die sich durch Eigenfrequenzen der
Andruckwalzeneinrichtung 10 ergeben.