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Die
Erfindung betrifft eine Walze mit einem drehbaren Walzenmantel gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Diese
Walzenart wird verbreitet eingesetzt und häufig auch als
Biegeausgleichswalze bezeichnet. Bei dieser Walze ist in der Regel
eine Reihe von Stützelementen an einem biegesteifen Balken
angebracht, den ein elastisch verformbarer Walzenmantel umgibt.
Der Walzenmantel ist relativ zu dem Balken drehbar. Die Stützelemente,
die in Gegenüberlage zu dem Walzenspalt oder Nip auf der
Walzenmantelinnenseite angeordnet sind, gleiten an dem drehenden Walzenmantel
auf der Innenseite ab und stellen die Anpresskraft der Walze zur
Verfügung. Dadurch, dass die Stützelemente einzeln
oder in Gruppen steuerbar sind, kann der Druckverlauf im Nip in
Maschinenquerrichtung (üblicherweise als CD-Richtung bezeichnet)
gesteuert werden. Auf diese Weise können insbesondere bei
der Behandlung bahnförmiger Materialien, wie beispielsweise
in Kalandern, gezielt Dickeunterschiede der Bahn ausgeglichen, ein Überpressen
der Bahn oder andere nachteilige Effekte vermieden werden.
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In
einer herkömmlichen Konstruktion, wie sie beispielsweise
in der gattungsgemäßen
DE 102 39 097 A1 beschrieben
ist, werden die Stützelemente jeweils von außen
mit einem Arbeitsmedium unter geeignetem Druck versorgt. Als Arbeitsmedium
kommt in der Regel Öl zur Anwendung, das durch Leitungen mit
entsprechender Hochdruckausrüstung zu den individuellen
Kolbenzylinderanordnungen der einzelnen Stützelemente geleitet
wird. Um nun den Druck im Walzenspalt entsprechend einstellen zu
können, muss der jeweils individuell geregelte Druck dem
jeweiligen Stützelement separat zugeführt werden. Dies
bedeutet, dass beachtliche Rohrleitungsbündel in das Walzeninnere
führen, wodurch beispielsweise ein Walzenwechsel sehr aufwändig
wird, denn die umfangreiche Regelungseinrichtung mit dem Rohrbündel
muss von der Walze getrennt werden, da sie in der Regel außerhalb
der Walze verbaut ist. Zudem ist, um die Leitungslänge
gering zu halten, die Regeleinrichtung in der Nähe wenigstens
eines der Axialenden der Walze angebracht. Dies vergrößert
die Baugröße (Breite) der Maschine.
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Wie
eingangs erwähnt, gleitet der Walzenmantel auf den Stützelementen
ab. Üblicherweise haben die Stützelemente an ihren
Gleitabschnitten zur Anlage mit dem Walzenmantel Taschen für
Hydraulikflüssigkeit oder Öl, das unter Druck
in die Taschen gepumpt wird und einen Gleitfilm zwischen dem Walzenmantel
und dem Stützelement ausbildet. Dieses Gleitlager arbeitet
einerseits hydrostatisch, d. h. wenn der Walzenmantel nicht dreht
und Hydrauliköl in die Taschen der Stützelemente
gepumpt wird, hebt der entstehende Druck in den Taschen den Walzenmantel
aus dem Reibeingriff mit dem Stützelement weitestgehend
ab. Dies ist wichtig, damit beim Anfahren der Walze hier kein übermäßiger
Verschleiß auftritt. Ferner können die Stützelemente
an ihrer Anlagefläche mit dem Walzenmantel eine stärker
gekrümmte Form haben, als der Krümmung des Walzenmantels
entspricht. Auf diese Weise bildet sich ein Strömungskeil
aufgestauten Öls, d. h. das Lager wirkt dann andererseits
hydrodynamisch. Es sind auch Walzen bekannt, bei denen die Schmierung
und das Abgleiten durch andere Mittel hervorgerufen wird, so ist
beispielsweise ein Vorschlag bekannt, Kunststoffe einzusetzen, um
die Gleitreibung zu vermindern. Es können auch wälzende
Elemente verwendet werden, die sind jedoch bei den hohen Walzengeschwindigkeiten
in Papiermaschinen und Kalandern von eher untergeordneter Bedeutung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Walze gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, dass eine kompakte Bauweise
erreicht wird, die einen einfachen Walzenwechsel ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
eine Walze mit einem drehbaren Walzenmantel und einer Reihe von
Stützelementen vorgesehen, die stationär und biegesteif innerhalb
des Walzenmantels angebracht sind. Diese Stützelemente
sind einzeln oder gruppenweise gesteuert mittels hydraulischem Arbeitsdruck
gegen den Walzenmantel vorspannbar, um die Form des Walzenmantels örtlich
zu beeinflussen. Der Walzenmantel kann aus Metall oder aus einem
Verbundmaterial, wie beispielsweise faser- oder gewebeverstärktem
Kunststoff, bestehen. Ventileinrichtungen zur Steuerung des hydraulischen
Drucks in den Stützelementen sind innerhalb der Walze und
benachbart zu oder an dem jeweils zu steuernden Stützelement bzw.
der Gruppe der zu steuernden Stützelemente angebracht.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, Ventileinrichtungen,
die den tatsächlich in den Stützelementen erforderlichen
Arbeitsdruck einstellen, unmittelbar in der Nähe der Stützelemente,
also im Walzeninneren, anzubringen. Auf diese Weise kann erreicht
werden, dass mit einer oder wenigen Versorgungsleitungen, die in
das Walzeninnere führen, ein Betrieb der Walze möglich
ist. Wird diese Walze ausgewechselt, genügt es, die Versorgungsleitung
oder Versorgungsleitungen zu trennen, deren Anzahl erheblich geringer
sein kann als die Anzahl der Stützelemente.
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Vorzugsweise
sind Steuerleitungen zu den jeweiligen Ventileinrichtungen in das
Walzeninnere eingebaut. Die Steuerleitungen sind aber in der Regel
keine hochleistungsübertragenden Leitungen, sondern übertragen
Steuersignale mit geringer Leistung, so dass die mechanischen Anforderungen
an diese Leitungen und deren Anschlussmimik eher gering sind. Wird
beispielsweise eine pneumatische Steuerung der Ventile verwendet,
so kann eine Art Druckluftstecker mit einer Vielzahl von Anschlüssen verwendet
werden, um die Steuerleitungen im Walzeninneren mit den Steuereinrichtungen
außerhalb der Walze zu verbinden bzw. davon zu trennen.
Werden elektrische Steuersignale über Kabel an die entsprechenden
Ventileinrichtungen übertragen, so genügt ein
Kabelstrang, der gegebenenfalls mit einem Stecker oder wenigen Steckern
trennbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Walzenwechsel
deutlich vereinfachen.
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In
Verbindung mit den individuellen steuernden Ventileinrichtungen
an den Stützelementen kann es also genügen, in
einer zentralen Versorgungsleitung der Zentralleitung, einen Solldruck
einzustellen. Diese Zentralleitung versorgt alle steuernden Ventileinrichtungen
mit einem Versorgungsdruck, von dem ausgehend der tatsächlich
in den Stützelementen einzustellende Druck von den individuellen
Ventileinrichtungen eingestellt wird.
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In
einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung sind die
Ventileinrichtungen einfache on/off Ventile, d. h. Absperrventile,
die einen Durchlass zu dem zugeordneten Stützelementzylinder
freigeben oder unterbrechen. Diese Ventile sind vorzugsweise elektrisch
angetrieben. Bei dieser Anordnung kann eine einzige gemeinsame Versorgungsleitung
oder Zentralleitung in der Walze verlegt sein, wobei ausgehend von
dieser Versorgungsleitung zu jedem Stützelementzylinder
eine Leitung führt, die mit einem solchen Abschaltventil
ausgerüstet ist. Die Zentralleitung ist mit einem digitalhydraulischen Druckregler
verbunden, der mit sehr kurzer Ansprechzeit den Druck in der Zentralleitung
einstellen kann.
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Die
hier verwendete Technik der Abschaltventile gestattet ein Multiplexen,
d. h. Durchschalten der Stützelemente, um den Druck in
den individuellen Stützelementzylindern passend einzustellen.
Dabei wird so vorgegangen, dass das Abschaltventil zu einem Zylinder,
dessen Druck einzustellen ist, geöffnet wird, während
der digitalhydraulische Regler den Druck in der Zentralleitung passend
einstellt. Dann wird das Abschaltventil des Zylinders geschlossen und
dort der Druck auf dem gewünschten Wert gehalten, denn
im Unterschied zu üblichen beweglichen Regelventilen kann
ein solches Abschaltventil die Kolbenzylinderanordnung des zugeordneten
Stützelements dicht abschließen.
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Nun
wird zum nächsten Stützelementzylinder geschaltet,
d. h. der in diesem Zylinder einzustellende Druck wird von dem digitalhydraulischen Druckregler
in der Zentralleitung eingestellt und aus der Zentralleitung und
durch das nun geöffnete Abschaltventil in den entsprechenden
nächsten Stützelementzylinder eingeführt.
Dann wird der Zylinder durch das Abschaltventil verschlossen. Auf
diese Weise kann man mit Hilfe des schnellen digitalhydraulischen
Druckreglers und der Reihe von Abschaltventilen die einzelnen Stützelemente
durchschalten, d. h. multiplexen, um so auf eine Art Abtastvorgehensweise
die gewünschten Drücke in allen Stützelementen
einzustellen.
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Der
zuvor als digitalhydraulischer Druckregler beschriebene Apparat
lässt sich kurz zusammengefasst wie folgt beschreiben.
Dieser Druckregler umfasst eine Reihe parallel angeordneter Abschaltventile,
die jeweils einen voneinander verschiedenen Volumenstrom durchlassen,
wenn sie auf Freigabe geschaltet sind. Die parallel angeordneten
Ventile haben eine aufsteigende Durchflusscharakteristik, d. h.
innerhalb der Reihe der parallel angeordneten Ventile nimmt der
Durchfluss von einem Ventil zum nächsten hin zu; vorzugsweise
stets um den Faktor 2, so dass schon mit acht Ventilen beispielsweise eine
sehr große Regelbreite erreicht werden kann. Ein diesen
Ventilen zugeordneter Rechner stellt eine analoge Regelkurve oder
Durchflusskurve eines Reglers nun durch entsprechende kurze digitale Durchflussbalken
nach, so dass durch Ein- und Ausschalten einzelner Ventile in der
Ventilreihe ein quasi analoges Verhalten dieses Reglers erreicht
werden kann. Geeignete Modellbildung in dem Rechner vorausgesetzt,
lässt sich mit einem solchen digitalhydraulischen Regler
ein gewünschter Druck sehr schnell und nahezu überschwingungsfrei
anfahren. Diese Erkenntnis nutzend, ist das Multiplexen der Reihe
von Stützelementen, wie dies zuvor beschrieben wurde, möglich,
wodurch der Aufbau des Walzeninneren erheblich vereinfacht ist.
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Zudem
wird durch diese digitalhydraulischen Regler vorzugsweise in Verbindung
mit der Multiplex Vorgehensweise eine ganz erhebliche Energieeinsparung
erzielt, weil so gut wie keine Leckraten an irgendwelchen Regelventilen auftreten,
die bei herkömmlichen Steuerventilen schon allein durch
die geforderte Beweglichkeit von Steuerkörpern etc. zwingend
auftreten.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Walze zusätzlich
einen beweglichen Balken haben, d. h. ein die Stützelemente
tragender biegesteifer Balken, der das Walzeninnere in Axialrichtung
durchquert, ist an seinen beiden Enden von jeweils einer Kolbenzylinderanordnung
bezüglich eines Nips verstellbar angeordnet. Durch separate
Ansteuerung dieser beiden Kolbenzylinderanordnungen kann ein Druckverlauf
im Nip in Maschinenquerrichtung beeinflusst werden. Vorzugsweise
ist jeder dieser Kolbenzylinderanordnungen ein digitalhydraulischer
Druckregler zugeordnet, der ein schnelles und präzises
Ansprechverhalten zeigt. Ein normal geschlossenes Abschaltventil
ist in einer die beiden Zylinderräume dieser beiden Kolbenzylinderanordnungen
miteinander verbindenden Leitung angeordnet und dient als eine Sicherungseinrichtung.
Dieses Ventil wird geöffnet und gleicht den Druck zwischen
beiden Zylindern aus, falls es in den digitalhydraulischen Reglern
oder in einem davon zu Unregelmäßigkeiten oder
Abweichungen kommt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass
gewaltsam eine Schrägstellung der Walze erzwungen wird,
die dann zur Beschädigung der Walzen führen kann.
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Zuvor
wurden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung im Einzelnen erläutert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Darin zeigt
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1 einen
schematisierten Abschnitt einer erfindungsgemäß gestalteten
Walze im Schnitt dargestellt;
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels
mit einer multiplexen Schaltung; und
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3 eine
schematisierte Weiterbildung mit einer Sicherheitsschaltung für
eine Walze, die zusätzlich mit digitalhydraulischen Andruckzylindern versehen
ist.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Walze 1 im Schnitt. Die Walze 1 hat einen Walzenmantel 11,
der über ein Lager 17 gegenüber einem
Balken 16 drehbar gelagert ist. Dieser Walzenmantel 11 ist
drehend angetrieben (Antrieb nicht gezeigt) und dreht gegenüber
dem feststehenden Balken 16. Stützelemente 12 gleiten
auf der Mantelinnenseite des Mantels 11 ab und drücken dabei
mit Hilfe hydraulischen Arbeitsdrucks den Walzenmantel 11 örtlich
in 1 nach oben gegen eine hier nicht gezeigte Gegenwalze.
Auf diese Weise kann durch individuelle Steuerung der Stützelemente 12 der
Walzenmantel 11 örtlich so verformt werden, dass
ein bestimmtes Druckprofil in Maschinenquerrichtung im Nip mit der
Gegenwalze (nicht gezeigt) erreicht werden kann.
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Hier
ist vorgesehen, dass eine Zentralleitung 14 ein Arbeitsfluid
unter einem vorgegebenen Druck liefert. In 1 ist jedem
Stützelement 12 ein individuelles Regelventil 13 zugeordnet,
das innerhalb der Walze 1 und an oder in der Nähe
von dem Stützelement 12 angebracht ist. Steuerleitungen 15 geben Steuersignale
an die einzelnen Regelventile 13 ab.
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Die
Steuerleitungen 15, die hier nur schematisch dargestellt
sind, können auch mehrfache Leitungen, insbesondere elektrische
Leitungen sein, die mit einem an dem individuellen Stützelement 12 vorgesehenen Druckaufnehmer
(nicht gezeigt) verbunden sind, um den Zylinderdruck des jeweiligen
Stützelements 12 zu erfassen und an einen nicht
gezeigten Regler, der das entsprechende Steuersignal an das Regelventil 13 herausgibt,
weiterzuleiten. Auf die hier gezeigte Weise lässt sich
die Anzahl tatsächlich druckführender Arbeitsfluidleitungen
deutlich vermindern, d. h. hier genügt in der Regel eine
bzw. zwei Leitungen, wenn ein Rückfluss vorgesehen ist.
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Die
in 1 gezeigten Stützelemente 12 haben
an ihren Stirnseiten, mit denen sie am Walzenmantel 11 anliegen,
Hydrauliktaschen (nicht gezeigt) ausgebildet, in die ein Teil des
durch die Versorgungsleitung 14 geförderten Arbeitsfluids
aus dem individuellen Zylinder entweichen kann, um ein hydrostatisches/hydrodynamisches
Lager an jedem Stützelement 12 bzgl. des Walzenmantels 11 auszubilden.
Es ist möglich, ohne zusätzlichen Regler lediglich über
eine kapillare Öffnung Öl aus dem Zylinder unmittelbar
in die Hydrauliktaschen zu fördern, so dass sich hier ein
selbstregelndes hydrodynamisches/hydrostatisches Lager einstellt,
das, wenn der Anpressdruck der Walze erhöht werden soll,
auch gleichzeitig mehr Arbeitsfluid enthält. Die in 1 gezeigten
Regelventile 13 können herkömmlicher
Art sein, wobei die Steuerleitungen 15 elektrische oder auch
pneumatische Signale übertragen können, um damit
die Regelventile 13 zu steuern.
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2 zeigt
stark schematisiert eine alternative Anordnung der Stützelemente
und ihrer Ventile in einer Walze, die ähnlich der Walze 1 aufgebaut
ist. Hier sind lediglich die Stützelemente 22,
die Zuleitungen 24, die Ventile 23 sowie eine
Leitung 21 und ein Digitaldruckregler 3 gezeigt.
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Anhand
der 2 soll ein Multiplexverfahren erläutert
werden, mit dem mit geringem Aufwand der Druck in den individuellen
Stützelementen 22a, 22b, usw. eingestellt
werden kann, indem mit den Ventilen 23a, 23b bis 23m gearbeitet
wird. Bei dieser Vorgehensweise wird beispielsweise zunächst
der Druck im Stützelement 22a eingestellt. Dazu
wird die Leitung 24a mit der Leitung 21 verbunden,
indem Ventil 23a öffnet. Der Digitaldruckregler 3 stellt
den Solldruck für das Stützelement 22a in
der Leitung 21 ein. Nachdem die Ventile 23a bis 23m lediglich
Abschaltventile sind, die einen Durchlass freigeben oder verschließen,
stellt sich der in der Leitung 21 vorliegende Druck auch
im Zylinder des Stützelements 22a ein, wenn Ventil 23a offen
ist.
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Daraufhin
wird das Ventil 23a geschlossen und die Leitung 24a ist
von der Leitung 21 getrennt. Im nächsten Schritt
wird der Druck im Stützelement 22b eingestellt,
indem das Ventil 23b öffnet und die Leitung 24b mit
der Leitung 21 verbunden wird. Der Digitaldruckregler 3 stellt
nun den für das Stützelement 22b festgelegten
Zylinderdruck in der Leitung 21 ein, und von dieser ausgehend
wird der Druck im Zylinder des Stützelements 22b entsprechend
angepasst. Dann wird das Ventil 23b wieder geschlossen und
der Vorgang wird für das nächste Stützelement wiederholt,
bis die ganze Reihe durchgetaktet ist. Dann beginnt der Abtast-
oder Multiplexvorgang erneut mit Stützelement 22a.
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Diese
multiplexe Vorgehensweise, d. h. das einzelne schrittweise Abgehen
der Stützelemente 22a, 22b bis 22m,
um dort den gewünschten Andruck einzustellen, vereinfacht
den Aufbau der Walze ganz erheblich. Nachdem der Digitalhydraulikregler 3 ein sehr
schnelles Ansprechverhalten zeigen kann, ist ein rasches Abtasten
oder Multiplexen der einzelnen Stützelemente 22 innerhalb
kürzester Zeit möglich. Zudem sind oft nur geringfügige Änderungen
des Drucks von einem Stützelement zum nächsten erforderlich,
die der Digitalhydraulikregler aufgrund seines geringen Überschwingverhaltens
punktgenau und rasch einstellen kann.
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Im
vorliegenden Fall wurde anhand der 2 ein Multiplexen
aller einzelnen Stützelemente 22a bis 22m erläutert.
Es ist aber auch genauso gut möglich, einzelne Gruppen
zusammenzufassen, und diese gemeinsam zu steuern, indem man die
zugehörigen Abschaltventile 23 einer Gruppe gleichzeitig öffnet
bzw. schließt. In der Anordnung gemäß 2 ist
es von Vorteil, wenn die Stützelemente 22 über
ein fremdgeschmiertes Gleitlager zum Walzenmantel verfügen.
Dies kann durch getrenntes Zuführen von Arbeitsfluid/Schmiermittel
oder auch durch geeignete tribologische Materialwahl und Permanentschmierung
erreicht werden.
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3 zeigt
eine Sicherheitseinrichtung, die mit einer Walze 1 der
beschriebenen Art zusammen verwendet werden kann. Die Walze 1 ist,
wie in 3 gezeigt ist, mittels zweier Hydraulikzylinder 31 und 32 verschiebbar
oder anhebbar angeordnet, und kann auf diese Weise zu einer Gegenwalze
(nicht gezeigt) hin oder davon weggefahren werden. Eine solche Anordnung
gestattet es, den Walzenspalt zu öffnen.
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Nachdem
die Hydraulikzylinder 31 und 32 den Balken 39 der
Walze 1 halten, haben diese zwingend ebenfalls einen Einfluss
auf das Druckprofil in Maschinenquerrichtung im Walzenspalt. Um
hier eine präzise Steuerung von Druck und Lage zu erreichen,
sind gemäß 3 zwei digitalhydraulische Regler 33 und 34 vorgesehen,
von denen jeder einem Zylinder 31, 32 zugeordnet
ist. Die Verbindung erfolgt mit individuellen Leitungen 36 und 37.
Eine Druckversorgung 38 stellt einen hinreichenden Systemdruck zur
Verfügung, der dann von den digitalhydraulischen Reglern 33 und 34 in
den Zylindern 31 und 32 passend auf den Sollwert
eingestellt wird. Ein Sicherheitsventil 35 ist zwischen
den beiden ansonsten unabhängig voneinander arbeitenden
digitalhydraulischen Reglern 33 und 34 angebracht.
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Für
den Fall, dass einer der digitalhydraulischen Regler 33, 34 Ausfälle
oder eine fehlerhafte Arbeitsweise zeigt, ist vorgesehen, das Ventil 35 zu öffnen
und dadurch die beiden Zylinder 31 und 32 miteinander
kurzzuschließen. Auf diese Weise wird eine gewaltsame Schräglage
der Walze, die auch zur Zerstörung des Walzenmantels führen
könnte, sicher vermieden. Für die Walze 1 kann
sowohl eine Walze nach 1 als auch eine Walze nach 2 verwendet
werden.
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Die
Erfindung ist auch bei Walzen verwendbar, die an Stelle der Kolben/Zylinderanordnungen andere,
unter Innendruck verformbare Elemente haben. Diese Elemente können
zwischen einem Balken oder Walzenkern angeordnete Kissen, Taschen
oder Schläuche sein. Insbesondere können Walzen
verwendet werden, die ring- oder schraubenförmige, auf einem
Balken angeordnete Blechstreifen haben, die randseitig dicht verschweißt
sind. Die so gebildeten ring- oder schraubenförmigen Kammern
können durch Anhebung des Innendrucks ausgedehnt werden
und drücken radial von innen gegen einen Walzenmantel.
Die Kammern bilden die in den Ansprüchen genannten Stützelemente,
die entsprechend mit Arbeitsdruck beaufschlagt werden.
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Diese
Kammern können an ihren radial außenliegenden
Flächen mit Gleiteinrichtungen z. B. Lagern etc. versehen
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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