-
Gegenstand
der Erfindung ist eine Anordnung zum Messen von Betriebsverhältnissen
eines rotierenden Körpers, wie zum Beispiel einer Walze,
in einer Materialbahnherstellungs- oder -ausrüstungsmaschine.
Weiter betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes System und
ein entsprechendes Verfahren.
-
Papier-,
Zellstoff- Tissue- und Kartonmaschinen wie auch Papierausrüstungs-
und -verarbeitungsmaschinen enthalten zahlreiche rotierende, zum
Beispiel wälzgelagerte Körper. Das Messen von Betriebsverhältnissen
wälzgelagerter Körper, wie zum Beispiel Walzen,
ist eine höchst anspruchsvolle Aufgabe. Echtzeitdaten über
die tatsächlichen Betriebsverhältnisse der Walzen
wären im Hinblick sowohl auf zweckmäßigen
Betrieb wie auch auf die Zustandsüberwachung der Walze
wichtig.
-
Das
gemäß Stand der Technik erfolgende Messen von
Betriebsverhältnissen basiert oft auf rechnerischen Verfahren.
Diese sind jedoch kaum in der Lage, zum Beispiel sich aus veränderlichen
Belastungssituationen ergebende Einflüsse zu berücksichtigen.
Bei den bekannten Verfahren wird oft nur eine einzige, in Bezug
auf den Betrieb der Walze selbst oft sehr fernliegende Größe
gemessen. Auf deren Grundlage lässt sich die eigentliche
Betriebsgröße, die von Interesse ist, berechnen
bzw. schätzen. Es kann da wirklich nicht die Rede sein
von einem in Echtzeit erfolgenden Messen tatsächlicher Betriebsverhältnisse,
an Hand deren der Betrieb der Walzen oder überhaupt der
Ablauf des Produktionsprozesses aufrechterhalten oder in Echtzeit
und rational geregelt werden könnte oder vielleicht sich
abzeichnende Probleme oder Schäden sogar voraussagen ließen.
-
Aus
dem Stand der Technik ist die Bestimmung des Schmierzustands von
Rollenlagern auf Grund rechnerischer Belastungen und im Voraus geschätzter
Umgebungsbedingungen bekannt. In Wirklichkeit ergeben sich jedoch
die Betriebsverhältnisse eines Lagerns als Summe mehrerer
Teilfaktoren, die von dem im Wesentlichen statischen Berechnungsmodell überhaupt
nicht berücksichtigt werden. Solche Faktoren sind zum Beispiel
die Umgebungstemperatur, die Luftströmungen im Nahbereich
sowie die vom Nip und/oder den Bespannungen/Geweben verursachten
Radial- und Axiallasten. Diese Lasten werden wesentlich von der
Reibung zwischen Lagergehäuse und Lageraußenring,
der Passung und den Deformationen mitbestimmt. Auch Veränderungen bei
den Öleigenschaften (z. B. Viskosität) haben Einfluss
auf die Schmiersituation.
-
Bedingt
durch die oben genannten Faktoren gestaltete sich die Bestimmung
des Schmierzustands und der dem Lager zuzuführenden Ölmenge bisher
wirklich schwierig und war mit Unsicherheitsfaktoren behaftet. Beim
Schmieren hat man die dem Lager zuzuführende Ölmenge
verfolgt, die jedoch kein Indikator für die eigentliche
Schmiersituation ist.
-
Eine
Besserung der Situation bringt die so genannte selbststeuernde Schmierölregelung,
bei der die Schmiersituation an Hand von verschiedenen Berechnungsparametern
beurteilt wird. Als Führungsgröße dient
der Öldurchsatz, als Regelgröße die Öltemperatur.
Für die Regelung werden u. a. die Produktionsgeschwindigkeit,
die Öltemperatur und die Maximallast gemessen/bestimmt.
Das Schätzen der Maximallast erfolgte auf Grund des groben
Walzennip-Belastungswertes, den man wiederum aus dem Druck der zur
Belastung des Nips eingesetzten Hydraulik gewann. Die Öltemperatur
hat man mit Sensoren gemessen. Hat ein Sensor Anstieg der Öltemperatur
festgestellt, wird der Öldurchsatz erhöht.
-
Neben
der Regelung der Schmierung ist auch das Messen der auf das Lager
wirkenden Belastungssituation problematisch. Bei hoch belasteten Rollenlagern
kommt es zwischen Lageraußenring und Gehäuse zu
Mikrobewegung, als deren Folge die Metallflächen schmierig
werden (Kaltverschweißung, „Mikrokontaktierung”).
Das Lager am freien Ende der Walze kann sich dann in seinem Gehäuse
nicht in axialer Richtung bewegen, und es kommt zu einer falschen
Belastung des Lagers: Die Last verteilt sich im Lager lediglich
auf die eine Rollenreihe, was zu Überlastung und eventuell
zu Lagerschäden führt. Die Axialbewegung kann
auch durch Tilten des Lagers verhindert sein. Dabei trachtet der
Außenring des Lagers, sich im Lagergehäuse zu
neigen, wobei sich die Ringkante am Gehäuse „festbeißt” und
den Reibungskoeffizienten verändert.
-
Bei
Lagern mit Wälzkörpern kann auch „Nulllast” zu
einer Problemsituation führen. Infolge der durch das Schmiermittel
und den Lagerkäfig verursachten Reibungswiderstände
verringert sich die Rotationsgeschwindigkeit der Wälzkörper
oder sinkt sogar auf Null, wenn die Belastung des Lagers sehr gering
ist. Bei gewissen Walzen kann das Lager in eine solche Nulllastsituation
geraten. Durch Gleiten/Schlupf der Wälzkörper
kommt es zu einer Verringerung der Dicke des Schmierfilms oder sogar
zu einem Versagen des gesamten Schmierfilms. In dem Lager kann es
zu einem Metall-Metall-Kontakt kommen mit der Folge einer Oberflächenbeschädigung und
eines eventuellen Lagerschadens. Die bekannten Zustandsüberwachungsverfahren
zeigen erst an, wenn es bereits zu einer Beschädigung bestimmten Ausmaßes
gekommen ist.
-
Auch
allgemein genommen ist beim Monitoring falscher Belastungssituationen
der Stand der Technik durch einen an der Außenfläche
des Lagergehäuses angeordneten Temperatursensor repräsentiert.
Es handelt sich dabei jedoch um eine stark verzögerte Messung,
weil ja die Wärme erst durch den Lagerring dringen muss.
Dazu kommt, dass eine so durchgeführte Temperaturmessung
auch infolge des durch den Lagerring hindurch dem Lager zuzuführenden Ölstroms
verfälscht wird, der ja die Messstelle stärker
kühlt als die unter Belastung stehende Abrollbahn (Wälzfläche).
-
Nicht
nur in Materialbahnherstellungsmaschinen, sondern auch in Mehrwalzenkalandern
war es schwierig, die Belastungen wälzgelagerter Walzen (Zwischenwalzen
und durchbiegungskompensierte/zonengesteuerte Walzen) genau zu messen,
wodurch es leicht zu Nulllastsituationen kommt. Auf die neuerdings
durch bloße Berechnung zu bestimmenden in Bezug auf das
Lager sicheren Betriebsfenster ist kein Verlass, weil in dem Walzenstapel
(zum Beispiel in den Hebelmechanismen und in den durchbiegungskompensierten/zonengesteuerten
Walzen) unbekannte Reibungskräfte auftreten.
-
Aus
dem Stand der Technik kennt man auch den Einsatz von Dünnfilmsensoren
zum Messen von Betriebsverhältnissen. In der
finnischen Offenlegungsschrift 20065305 ist
der Einsatz eines Dünnfilmsensors in der Papiermaschinenumgebung
beschrieben. Mit dem Einsatz von Dünnfilmsensorik ist jedoch
das Problem verbunden, dass die Sensorik an der Belastungsfläche
angebracht werden muss und sie so hohem Druck und Verschleiß ausgesetzt
ist. Das stellt hohe Anforderung an die Verwirklichung des Sensors.
Außerdem gestaltet sich die Verdrahtung der Sensorik schwierig,
denn auch sie läuft über die Belastungsfläche.
Soll zum Beispiel eine bereits eingebaute Walze nachträglich
mit solcher Sensorik ausgestattet werden, so muss das gesamte Lager geöffnet
werden um Zugang zu den Belastungsflächen zu erlangen.
-
Aufgabe
dieser Erfindung ist es, eine Anordnung zum Messen von Betriebsverhältnissen
eines in einer Materialbahnherstellungs- oder -ausrüstungsmaschine
rotierenden Körpers zu schaffen. Die kennzeichnenden Merkmale
der erfindungsgemäßen Anordnung sind in Patentanspruch
1 aufgeführt. Weiter betrifft die Erfindung ein zum Messen
von Betriebsverhältnissen in einer Materialbahnherstellungs-
oder -ausrüstungsmaschine rotierender Körper bestimmtes
System und auch ein Verfahren, deren kennzeichnenden Merkmale in
den Patentansprüchen 16 und 22 aufgeführt sind.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung ist an dem rotierenden
Körper, wie zum Beispiel einer Walze, eine optische Sensorik
zum Messen von Betriebsverhältnissen angeordnet. Diese
Sensorik bietet in Anbetracht ihrer Abmessungen und Realisierung
neue Möglichkeiten zum Messen von Drücken, Kräften
und Temperaturen.
-
Die
optische Sensorik kann an der Walze auf vielerlei Weise angebracht
werden. Nach einer Ausführungsform kann die Sensorik zum
Beispiel an den Stützlagern des rotierenden Körpers,
hinter der belasteten Fläche, angeordnet sein. Nach einer
Ausführungsform kann das rotierende Teil der Walze zum Beispiel
der Walzenmantel sein. Nach einer anderen Ausführungsform
kann das rotierende Teil der Walze auch aus der Walzenachse/-welle
bestehen. Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Erfindung bei
Nipwalzen, die axialen und radialen Belastungen ausgesetzt sind.
-
Nach
einer Ausführungsform kann die optische Sensorik zum Beispiel
am feststehenden Außenring der Stützlager hinter
der belasteten Fläche angeordnet sein. Die Sensorik kann
sich dabei zum Beispiel in der hauptsächlichen Belastungszone
des Ringes befinden. Besteht das Stützlager aus wenigstens
zwei Abrollbahnen, kann für jede Abrollbahn wenigstens
ein optischer Sensor vorhanden sein. Die Erfindung kann ebenso gut
in Gleitlagern angewendet werden.
-
Nach
einer Ausführungsform kann die optische Sensorik zu einem
oder mehreren Zwecken an die Steuerung der Materialbahnherstellungs-
oder -ausrüstungsmaschine geschaltet sein. Ein solcher Zweck
besteht zum Beispiel in der Überwachung des Betriebszustandes
der Lagermittel. Dabei kann, nach einer Ausgestaltung, die Regelung
des Schmieröldurchsatzes der Lagermittel auf Grund der
mit der optischen Sensorik durchgeführten Messung gesteuert
werden. So lassen sich Reibungsverluste optimieren und sogar a priori
eine zu starke Abnahme der Schmierfilmdicke verhindern.
-
Mit
der optischen Sensorik kann auch die auf die Lagermittel wirkende
Belastung bestimmt werden. Ein Beispiel dafür ist die problematische
Nulllast. Darauf gestützt, ist das gesetzte Kriterium erfüllt, kann
das Lager einer Axiallast ausgesetzt werden, die seine Funktionsfähigkeit
wieder herstellt.
-
Weiter
kann die optische Sensorik auf die bei laufendem Betrieb erfolgende
aktive Regelung von Betriebsverhältnissen angewendet werden.
Dabei kann die Sensorik zum Beispiel an den Belastungsmitteln einer
Walze angeordnet sein.
-
Unter
Einsatz der Erfindung kann das Regeln von Betriebsverhältnissen
auf der Basis der tatsächlich herrschenden Betriebsverhältnisse,
die an Hand mit der optischen Sensorik durchgeführter Messungen
ermittelt werden, erfolgen. Durch die Erfindung entfallen nun die
auf Schätzung und/oder rechnerischen bzw. theoretischen
Betrachtungen basierenden Regelungen. Die durch die Erfindung nun
verfügbaren Echtzeitdaten ermöglichen eine präventive
Instandhaltung und damit auch die Verhinderung von Schäden.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung ist in Bezug auf Funktion,
Montage, Kalibrierung und eventuelle Austauschbarkeit einfach. Außerdem
ist die Anordnung sehr robust. Die übrigen Vorteile, die
sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung sowie
dem erfindungsgemäßen System und Verfahren erreichen
lassen, gehen aus dem Beschreibungsteil, die kennzeichnenden Merkmale
aus den beigefügten Patentansprüchen hervor.
-
Die
Erfindung, die nicht auf die folgend beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Lagers in grober schematischer Darstellung;
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Lagers in grober schematischer Darstellung;
-
3 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Lagers seitlich betrachtet in grober schematischer Darstellung;
-
4 eine
exemplarische grafische Darstellung der optischen Sensorik;
-
5–7 ein
Beispiel des Messprinzips, bei dem Intensitätsmessung zur
Anwendung gebracht wird;
-
8 eine
Schemazeichnung der Intensitätsmessung;
-
9 ein
Beispiel der Form der Vertiefung;
-
10 ein
erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung an der Zentralwalze einer Presse;
-
11 ein
zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung an einer Durchbiegungseinstellwalze;
-
12 ein
drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung an einer Thermowalze eines Kalanders;
-
13a ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung in einem Online-Kalander;
-
13b ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Anordnung in einem Mehrwalzenkalander;
-
13c ein Ausführungsbeispiel des Anordnens
der Sensorik an einem Zonenschuh;
-
13d ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung an einer gleitgelagerten Walze;
-
13e ein Ausführungsbeispiel des Anordnens
der Sensorik an einem Gleitlagerschuh;
-
14 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Systems in einer Materialbahnherstellungsmaschine;
-
15 ein
Ausführungsbeispiel der Anwendung der erfindungsgemäßen
Sensorik zur Eliminierung der Nulllast;
-
16 ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung an einer Pressen-Schuhwalze;
-
17 ein
Beispiel eines Lagerschadens und der entsprechenden mit der erfindungsgemäßen Sensorik
gewonnenen Messdaten.
-
In 1 und 2 sind
in grober schematischer Darstellung Beispiele von Lagermitteln 11 gezeigt,
an denen die erfindungsgemäße Sensorik 12 zur
Anwendung gebracht werden kann. Funktionell gleiche Teile sind jeweils
mit gleichen Bezugszeichen belegt. Zum Beispiel in einer Materialbahnherstellungsmaschine
oder in einer Ausrüstungsmaschine können ein oder
mehrere solche Lager 11 vorhanden sein. Das Lager 11 ermöglicht
dem zur Maschine gehörenden Körper 10 oder
einem Teil desselben 10 eine rotierende Bewegung. Als Beispiele
für Materialbahnherstellungsmaschinen seien die Papier-
oder Kartonmaschinen (14), die Tissuemaschinen und
die Zellstoffmaschinen genannt. Als Beispiele für Ausrüstungsmaschinen
können u. a. die Kalander (13a und 13b), die Rollenschneider und die Umroller angeführt
werden. Die Ausrüstungsmaschine kann eine Komponente der
eigentlichen Materialbahnherstellungsmaschine (online) oder eine
im Wesentlichen separate Einheit (offline) sein.
-
Als
Beispiele für rotierende Körper seien hier die
verschiedenen Walzen, zum Beispiel die Nipwalzen und Zylinder in
verschiedenen Sektionen der Maschine genannt. Von den Walzen seien
als Beispiele die Saugwalzen, die Presswalzen 10.1 (10),
die Durchbiegungseinstellwalzen 10.2 (11),
die Trockenzylinder, die Leitwalzen, die Kalanderwalzen, die Softkalanderwalzen,
die Thermowalzen 10.3 (12), die
Glättzylinder, die Tambourwalzen und Tragtrommeln und die
Schuhwalzen 10.4 (16) angeführt.
-
Auch
wenn in 1 und 2 ein Pendelrollenlager
gezeigt ist, so ist dies hier lediglich als ein Beispiel der in
der Produktions- oder der Ausrüstungsmaschine eingesetzten Lagertypen
zu verstehen. Weitere in Frage kommende Lagertypen wären zum
Beispiel die Zylinderrollenlager, die Schrägkugellager,
die Dreiringlager, die Gleitlager und die Gelenklager.
-
Das
Pendelrollenlager 11 wird in Maschinen zum Beispiel als
Stützlager 11.1, 11.2 rotierender Körper
(10–12) eingesetzt.
Das Lager 11 besteht in seiner Grundform im Allgemeinen
aus dem Außenring 16, dem Innenring 15 und
zwischen diesen befindlich den Wälzkörpern 18 und
den Käfigen 17. Die Wälzkörper
bestehen in diesem Fall aus Rollen 18, die auf den von
den Ringen 15, 16 gebildeten Abrollbahnen 19.1, 19.2 abrollen.
Der Käfig 17 kann die Wälzkörper 18 umgeben.
Statt als rahmenförmige Konstruktion kann der Käfig
auch als Massivkäfig ausgeführt sein.
-
Die
Lagerringe 15, 16 bilden nun zwei in axialer Richtung
nebeneinander befindliche Abrollbahnen 19.1, 19.2.
Allerdings können in dem Lager 11 auch mehr als
zwei Abrollbahnen oder auch nur eine Abrollbahn vorhanden sein.
Die als Stützlager 11.1, 11.2 fungierenden
Abrollbahnen 19.1, 19.2 befinden sich in einer
sphärischen, d. h. kugeligen Anordnung, wobei die Innenfläche 16.1 des
Außenringes 16 und die Außenfläche 15.2 des
Innenringes 15 in axialer Richtung eine kugelartig gekrümmte
Form haben. Die mit sphärischen Rollenlagern (Pendelrollenlagern) 11 verbundene
Grundtechnologie ist dem Fachmann wohlbekannt, sodass hier auf sie
nicht näher eingegangen zu werden braucht. Die Lagereinheit 11 kann
eine bereits umfassend bekannte oder eine noch in der Entwicklung
befindliche Technologie repräsentieren; die Erfindung setzt
dem keinerlei Grenzen.
-
Bei
der Ausführungsform nach 1 ist in die
Lagerkonstruktion 11 in deren Außenring 16 optische
Sensorik 12 integriert. Die Sensorik umfasst wenigstens
eine aus einer funktionellen Sensorstruktur bestehende Gesamtheit.
In 1 sind insgesamt vier Sensoren 12 sichtbar.
-
Die
Sensoren 12 können in gleichmäßigen Abständen
auf beide Abrollbahnen 19.1, 19.2 verteilt sein,
wobei auf einer oder auf beiden Abrollbahnen 19.1, 19.2 wenigstens
ein Sensor 12 an der Stelle der Wälzrille platziert
ist. Durch Anordnung mehrerer Sensoren 12 pro Abrollbahn 19.1, 19.2 können
die ringspezifische Belastung, deren Unregelmäßigkeiten
und überhaupt Vorgänge angezeigt werden (Option/oft
genügt Belastung).
-
Bei
der Ausführungsform in 2 sind die Sensoren 12 in
den Innenring 15 integriert. Auch hier sind beide Abrollbahnen 19.1, 19.2 mit
Sensoren 12 bestückt, deren nun insgesamt fünf
sichtbar sind.
-
Für
den Fachmann versteht sich, dass durch das Grundprinzip der Erfindung
die Platzierung der Sensoren 12 in einer bestimmten Anordnung
an den Lagern und deren Ringen 15, 16 nicht eingeschränkt wird.
Die Sensoren 12 können sogar an beiden Ringen 15, 16 angeordnet
sein. Außerdem kann die Anzahl der Sensoreinheiten 12 oder
deren Anordnung am/im Lager 11 im Rahmen der Grundidee
der Erfindung extrem frei, aber natürlich unter Berücksichtigung
der durch die jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen, gewählt
werden.
-
Nach
einer Ausführungsform der Erfindung können die
Sensoren 12 oder zumindest die meisten von ihnen auch lediglich
am feststehenden Lagerring 15, 16 des Lagers 11,
wie zum Beispiel der in 10–12 gezeigten
Stützlager 11.1, 11.2, hinter einer oder
mehreren zu belastenden Flächen 15.2, 16.1 angeordnet
werden.
-
Bei
der in 1 gezeigte Ausführungsform kann der Außenring 16 feststehend
und der Innenring 15 rotierbar sein. Beispiele solcher
Ausgestaltungen sind in 10 und 12 gezeigt.
Bei der Ausführungsform nach 2 wiederum
ist der Innenring 15 feststehend und der Außenring 16 rotierbar.
Ein Beispiel dieser Ausgestaltung ist in 11 gezeigt.
-
Bei
der Ausführungsform in 3 ist das
Lager 11 seitlich betrachtet dargestellt. Das Lager 11 befindet
sich dabei im Lagerbock 31. Wie gezeigt, ist also auch
eine konzentrierte Anordnung der Sensoren 12 an irgendeiner
Stelle des Ringes möglich. Die optischen Sensormittel 12 können
so in Verbindung mit dem feststehenden Ring 15, 16 des
Stützlagers 11 angeordnet sein, dass sie konzentriert
in die Belastungszone 30 des Lagers 11.1, 11.2 zu
liegen kommen. Die Belastungszone 30 besteht hier aus dem
unteren Sektorbereich des Lagers 11, der sogar eine gewisse
Elastizität aufweisen kann. Die Belastungszone 30 kann
auch dichter mit Sensoren 12 bestückt sein als
die anderen Abschnitte des Ringes 16.
-
4 zeigt
eine an einem rotierenden Körper angeordnete Sensorstruktur 12 in
stark abstrahierter Form. Die optische Sensorik 12 kann
als Teil des Lagers 11 oder der Gleitfläche ausgebildet
sein. In den Lagerwerkstoff 61, zum Beispiel in den Außenring 16 des
Lagers 11, ist eine Vertiefung 65 eingearbeitet,
die sich bis nahe an die in tribologischem Kontakt stehende Fläche 68,
die hier also aus der Innenfläche 16.1 des Außenringes 16 des
Lagers besteht, erstreckt. Die Vertiefung 65 befindet sich
also hinter der zu belastenden Fläche 68. Die
Herstellung der Vertiefung kann zum Beispiel durch Ausfunken erfolgen;
natürlich kann das Loch 65 auch gebohrt sein. Allgemeiner
ausgedrückt: Die Vertiefung 65 ist an einer Stelle
des rotierenden Körpers angeordnet, an der es zu Deformationen
kommt. Die Deformationen können durch kontinuierliche oder
diskontinuierliche Belastung der Fläche 68 oder
durch Druck bedingt sein. Die Veränderungen können
sich neben der Form auch auf die Temperatur erstrecken.
-
Die
Fläche 68 kann zum Beispiel aus Gleitwerkstoff
bestehen und am Außenring als eine Schicht M1 vorhanden
sein, deren Dicke S zum Beispiel 0,02–0,8 mm betragen kann.
Auf die Schicht M1 folgt zum Beispiel eine
aus Stahl bestehende Werkstoffschicht M2.
Die Gesamtdicke H1 der Schichten M1 und M2 kann zum
Beispiel etwa 10–80 mm, zum Beispiel 50 mm, betragen.
-
An
ihrem Boden 63 oder wenigstens in dessen Mittenpartie ist
die Vertiefung 65 zum Beispiel poliert oder ansonsten so
behandelt, dass das Licht ausreichend gut reflektiert wird. Inwieweit
Polier- oder sonstiger Oberflächenbehandlungsbedarf besteht,
hängt zum Beispiel von der Herstellungsweise des Loches 65 ab;
eine besondere Behandlung des Lochbodens 63 ist durchaus
nicht immer erforderlich. Im Folgenden wird der besagte Boden auch
als Spiegelfläche 63 bezeichnet.
-
In
die Vertiefung 65 ist eine optische Faser 64 eingesetzt,
die auf an sich bekannte Weise zum Beispiel aus einem Kern 66 und
einem Mantel 67 bestehen kann. Das Einbringen der Faser 64 in
die Vertiefung 65 kann zum Beispiel über eine
am Lagerbock 31 an der entsprechenden Stelle angebrachte Bohrung
erfolgen. Das Ende der Faser 64 befindet sich in einem
Abstand von der Spiegelfläche 63, sodass zwischen
dem Ende der Faser 64 und der Spiegelfläche ein
Beobachtungsraum oder Etalon 62 entsteht. Der Abstand zwischen
dem Boden 63 der Vertiefung 65 und der in Kontakt
befindlichen Fläche 68 beträgt T.
-
Die
Lichtfaser 64 und die Vertiefung 65 können
zum Beispiel zueinander passende Schraubgewinde 86 oder
eine andere passende Befestigung haben. Dabei kann dann die Lichtfaser 64 in
der Vertiefung 65 gegen deren Boden 63 in Vorspannung
versetzt werden, sodass sie bodenseitig 63 in der Vertiefung 65 immer
zuverlässig in dem eingestellten Abstand von der reflektierenden
Fläche 63 bleibt, selbst wenn an der Messstelle
Wärmeausdehnung auftreten sollte.
-
Nach
einer Ausführungsform kann das Etalon 62 zum Beispiel
mit thermochromischem Material gefüllt werden, zum Beispiel
mit thermochromischem Polymer, dessen Farbe bei Temperaturänderung
umschlägt. Noch spezieller besteht dieses Material aus mit
thermochromischem Pigment dotiertem Akryl. Bei der dieser Ausführungsform
entsprechenden Lösung kann die Temperatur des Lagers oder
einer anderen Fläche durch Messen der von der Spiegelfläche 63 reflektierten
Strahlung ermittelt werden. Da die Farbe des thermochromischen Materials
bei Temperaturänderung umschlägt, ändert
sich auch die Farbe des in die optische Faser 64 reflektierten
Lichts, und die Temperatur kann durch Anzeigen der Lichtfarbe detektiert
werden. Das Detektieren kann mit Hilfe von Farbfiltern durch Messen
der Lichtmenge, die von den jeweils eine andere Farbe durchlassenden
Filtern durchgelassen wird, erfolgen. Zum Anzeigen der Temperatur
kann auch eine optisch aktive Substanz verwendet werden, deren Polarität
sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert,
wobei dann die Temperatur mit Hilfe der Polarisationsdrehung angegeben
werden kann. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass die
Temperaturmessung nahe beim zu messenden Objekt erfolgt. Für
die optische Faser 64 genügt auch ein viel kleineres
Loch (Vertiefung) als zum Beispiel für ein Thermoelement.
-
In 5–7 ist
ein Prinzip zum Messen des Abstands der Spiegelfläche 63 gezeigt.
Es sei angemerkt, dass die Erfindung in keiner Weise auf diese exemplarische
Messmethode beschränkt werden soll, sondern dass ebenso
gut auch andere taugliche Messmethoden in Frage kommen.
-
Da
sich die am Lagerwerkstoff 61 ausgebildete Spiegelfläche 63 infolge
des auf die in Kontakt befindliche Fläche 68 wirkenden
Druckes bewegt, kann mit Hilfe der Bewegung der Spiegelfläche 63 zum
Beispiel der von den Lagerrollen 18 auf den Außenring 16 des
Lagers 11 ausgeübte Druck gemessen werden. Die
Bewegung kann zum Beispiel in einer Biegung der Spiegelfläche 63 bestehen.
Das Bestimmen der Bewegung der Spiegelfläche 63 kann zum
Beispiel durch Messen des Abstands zwischen dem Ende der optischen
Faser 64 und der Spiegelfläche 63 erfolgen.
Das Ende der optischen Faser 64 kann in einem genau definierten
Abstand L von der Spiegelfläche 63 angeordnet
werden. Am Ende der Faser 64 befindet sich einen Linse 70,
die auf an sich bekannte Weise durch Bearbeitung des Endes der Faser 64 hergestellt werden
kann. So erübrigen sich separate Teile, und die Faser 64 und
ihre Linse 70 bilden einen einheitlichen integrierten Körper.
Die Faserlinse 70 fokussiert den von der Faser 64 kommenden
Lichtstrahl 73 auf den Fokussierpunkt mit der Fokussierweite 71.
Die Fokussierweite 71 liegt zwischen dem Ende der Faser 64 und
der Spiegelfläche 63.
-
Nach
einer anderen Ausführungsform kann das Ende der Lichtfaser 64 zum
Beispiel an einem keramischen Halter befestigt werden, der zwei
Löcher für die Lichtfaser haben kann. Das eine
Loch dient zum Leiten des Lichts von der Lichtquelle zum Etalon,
das andere Loch zum Leiten des reflektierten Lichts aus dem Etalon
hin zur Intensitätsmessung. In den gleichen Halter kann
auch eine dritte Lichtfaser eingesetzt werden, mit der sich die
Temperatur der Fläche 63 messen lässt
(z. B. Fot-Hero). Wird am Ende der Lichtfaser eine keramische Standardkomponente
eingesetzt, so wird dafür an dieser ein drittes Loch angebracht.
-
Aus 6 und 7 ist
die Wirkung einer Veränderung des Abstandes zwischen der
Spiegelfläche 63 und der Faserlinse 70 ersichtlich.
Befindet sich die Spiegelfläche 63 in ihrer Extremstellung
weit weg von der Fokussierweite 71, so wird das aus dem Kern 66 der
Faser 64 kommende Licht in Form eines breiten Kegels 72 auf
die Spiegelfläche 63 geworfen. Nun reflektiert
die Spiegelfläche 63 den breiten „Rückkegel” 74 zum
Ende der optischen Faser 64 und zur Linse 70 hin,
wobei ein großer Teil des reflektierten Lichts auf den
Mantel 67 der Faser 64 trifft und die Intensität
des auf den Kern 66 treffenden zurückkehrenden
Lichts also gering ist. Rückt die Spiegelfläche 63,
wie in
-
7 gezeigt,
näher an die Fokussierweite heran, trifft ein größerer
Teil des reflektierten Lichts 74 auf den Kern 66 der
optischen Faser 64. So kann also durch Messen der Intensität
des reflektierten Lichts die Veränderung des Abstands zwischen
der Spiegelfläche 63 und dem Ende der optischen
Faser 64 ermittelt werden. Wird diese Abstandsänderung für
das jeweilige Anwendungsobjekt passend kalibriert, so kann der auf
die zu messende Fläche 68 wirkende absolute oder
relative Druck detektiert werden.
-
Im
Prinzip kann sich die Spiegelfläche 63 auch zwischen
der optischen Faser 64 und der Fokussierweite 71 befinden.
Bei Änderung des Abstands der Spiegelfläche 63 erfolgt
eine entsprechende Intensitätsänderung wie im
vorangehend beschriebenen Beispiel. Die Intensitätsänderung
ist nun allerdings schwächer, sodass man ein besseres Ergebnis
erzielt, wenn sich die Spiegelfläche von der Lichtfaser
aus betrachtet hinter der Fokussierweite befindet.
-
In 6 sind
aus Anschaulichkeitsgründen die zum Lager 11 in
Kontakt befindliche Fläche 68 und die im Lager 11 rotierende
Rolle 18 dargestellt.
-
8 zeigt
in vereinfachter Form eine exemplarische Verwirklichungsweise der
oben beschriebenen Abstandsmessung. Von der Lichtquelle 77 wird Licht
in die Faser 78 geschickt, das in der Faser 79 weiter
in den Sensor 80 geleitet wird. Für die Anzeige des
reflektierten Lichts zweigt von der Verbindungsstelle der Faser 78 der
Lichtquelle 77 mit der Faser 79 des Sensors 80 eine
Detektor-Zweigfaser 81 ab, die zum Intensitätsdetektor 82,
allgemeiner gesagt zum Lichtdetektor, führt. Als Lichtquelle 77 kann
eine superhelle LED oder eine andere ausreichend starke Lichtquelle
eingesetzt werden. Als Detektor sind die herkömmlichen
Lichtdetektoren geeignet. Da bei der erfindungsgemäßen
Lösung eine starke Intensitätsänderung
erfolgt, braucht der Detektor nicht unbedingt eine besonders hohe
Sensibilität zu haben.
-
Ist
eine besonders hohe Messgenauigkeit erforderlich, können
zum Messen des Abstands der Spiegelfläche von der optischen
Faser monochromatisches oder breitbandiges Licht und das Fabry-Perot-Prinzip
angewendet werden. Dieses an sich bekannte Messverfahren basiert
auf Messung der Interferenz des ausgesandten und des reflektierten
Lichts im Etalon. Eine dritte Lösung zur Verwirklichung
der Druckmessung besteht in der Messung der Phasenverschiebung des
reflektierten Lichts. Das so gewonnene Messergebnis hat eine noch
höhere Genauigkeit.
-
9 zeigt
in Beispielform eine mechanische Lösung zur Herstellung
des Sensors: Die ins Lagermetall 61 einzuarbeitende Vertiefung 65 hat
einen Absatz 83, gegen den der Mantel 67 der Faser 64 geschoben
werden kann. So lässt sich der Abstand zwischen dem Ende
der Faser 64 und der Spiegelfläche 63 auf
einfache Weise einstellen. Randseitig an der Spiegelfläche 63 wiederum
ist eine ringförmige Senkung 84 eingearbeitet,
sodass sich an den Seiten der Spiegelfläche 63 schmale
Stege 85 in das Lagermetall 61 erstrecken. Die
Biegung erfolgt nun an den Stegen 85, während
die Spiegelfläche 63 selbst gerade bleibt. Es
sei angemerkt, dass die Formen der Vertiefung 65, des Absatzes 83 und der
Senkung 84 der Einfachheit halber hier rechtwinklig und
scharfkantig dargestellt sind. In der wirklichen Konstruktion können
die Winkelstellen natürlich so geformt sein, dass ihre
Rissbildungsneigung möglichst gering ist.
-
Die
Bemessung der eigentlichen Sensorkonstruktion 12 hängt
teils von den Dimensionen der optischen Faser 64, teils
von dem zu messenden Objekt ab. Der Durchmesser des Kerns 66 der
optischen Faser 64 beträgt etwa 10–50
um, der des Mantels 67 etwa 125 μm. Die Faser 64 ist
von einer Schutzhülse umgeben, deren Durchmesser etwa 0,5–3
mm beträgt, und der Durchmesser dieser Schutzhülse
bestimmt den Durchmesser der in das Lagermetall 61 einzuarbeitenden
Vertiefung 65. Die Dicke T der zwischen Spiegelfläche 63 und
in Belastungskontakt stehender Fläche 68 befindlichen
Membran ist abhängig vom Lagerwerkstoff 61, vom
Kontakttyp und vom maximalen Belastungsniveau. Bei gewöhnlichen
Gleitlagern zum Beispiel kann die Dicke der Lagermetallmembran mehrere
hundert Mikrometer betragen, wobei der maximale Bewegungsweg des Spiegels 63 einige
Mikrometer beträgt. Die bei der Intensitätsmessung
erzielbare Genauigkeit beträgt etwa ein Hundertstel des
Bewegungsweges des Spiegels 63. Wie aus dem Obigen hervorgeht,
kann nach einer Ausführungsform die Spiegelfläche 63 einen über
die Fokussierweite 71 der Faserlinse 70 hinausgehenden
Abstand vom Ende der Faser 64 haben. Passend ist eine Fokussierweite 71 von
einigen hundert Mikrometern, und das Fokussieren darf etwas unscharf
erfolgen, denn eine punktförmige Fokussierung ist nicht
erforderlich. Es ist also nicht unbedingt erforderlich, die genaue
Intensität zu messen, sondern vielmehr die Intensitätsänderung.
Auch ansonsten ist die Sensorik auf das Einsatzobjekt abzustellen.
Dabei müssen eventuell unter anderen das Einlaufen des
Lagers 11 und bei langzeitlichem Betrieb der Verschleiß des
Lagers 11 berücksichtigt werden.
-
Die
Vertiefung 65 für die Sensorik 12 braucht nicht
unbedingt als Blindloch der vorangehend beschriebenen Art ausgeführt
zu sein. Nach einer Ausführungsform kann das für
die Sensorik 12 erforderliche Loch 65 auch durch
den Lagerwerkstoff 61 gehend hergestellt und dann durch
eine Membran aus einem passenden Material abgedeckt werden. Auch kann
die Vertiefung 65 in ein separates Teil eingearbeitet und
dieses Teil dann in den Lagerwerkstoff, wie zum Beispiel zwischen
dem Außenring 16 des Lagers 11 und den
Lagerbock 31, eingesetzt werden (3). Die
Form und auch die Elastizität der Fläche des Lagers 11 bzw.
einer anderen zu messenden Fläche entsprechen dem eigentlichen
Lagerwerkstoff 61.
-
Durch
Variieren der Form der Spiegelfläche 63 lassen
sich deren Reflexionseigenschaften beeinflussen. Die Fläche
kann, je nachdem, ob der auftreffende Strahl bei der Reflexion an
der Fläche 63 fokussiert oder zerstreut werden
soll, konkav oder konvex gestaltet werden. Werden die Ränder
des Bodens 63 der Vertiefung gemäß 9 geformt,
so bleibt die Form der Spiegelfläche 63 im Wesentlichen unverändert,
weil die Biegung an den Rändern beträchtlich stärker
ist als die des relativ dicken Mittelteils. Allerdings kann der
Boden 63 der Vertiefung 65 auch eben geformt sein,
was sich fertigungstechnisch gesehen unter Umständen einfacher
gestaltet. Das Einstellen des richtigen Abstandes zwischen dem Ende
der optischen Faser 64 und dem Spiegel 63 kann
nun dadurch erfolgen, dass man aus dem Mantel 67 der Faser 64 eine
Hülse bildet, die sich über das Ende der Faser 64 hinaus
erstreckt. So bilden dann also das Ende der Faser 64, das
Hülsenloch und die Spiegelfläche die Messkammer,
d. h. das Etalon. Für die Messung können Monomode- oder
Multimodefasern oder auch zwei Fasern eingesetzt werden, von denen
die eine das Licht in das Etalon sendet und die andere das Licht
empfängt. Das Licht kann breitbandig, polarisiert, monochromatisch
oder ansonsten modifiziert sein, und seine Wellenlänge
braucht nicht im Bereich des sichtbaren Lichts zu liegen.
-
10–12 zeigen
einige mögliche Ausführungsformen der Erfindung,
mit denen sich Betriebsverhältnisse eines rotierenden Körpers,
zum Beispiel einer Walze 10.1–10.3 einer
Materialbahnherstellungs- oder -ausrüstungsmaschine, messen lassen.
Mit den besagten Zeichnungen 10–12 wird nicht
bezweckt, Walzen-, Lager- und Maschinenkonstruktionen genau im Detail,
sondern nur in höchst grober Form und auf sehr prinzipieller
Ebene darzustellen. Wie bereits erwähnt, sind den Walzen 10.1–10.3 Lagermittel 11 zugeordnet,
die das Rotieren eines oder mehrerer Teile 13, 14 der
Walze 10.1–10.3 ermöglichen.
Nun sind diese Walzen 10.1–10.3 mit optischen
Sensormitteln 12 zum Beispiel der oben beschriebenen Art
zum Messen/Steuern von Betriebsverhältnissen der Walze
und/oder überhaupt das Herstellungsprozesses ausgerüstet.
-
10 zeigt
in grob vereinfachter Form das Beispiel einer Pressenwalze, und
zwar speziell einer Pressen-Zentralwalze 10.1. In 14 ist
die Position der Zentralwalze 10.1 in der Pressenpartie 51 einer Papiermaschine
gezeigt.
-
Die
in 1 und 2 gezeigten Lagermittel 11 befinden
sich in Lagerböcken 31 und dienen als Stützlager 11.1.
Die Achse/Welle 14 der Walze 10.1 ist im Lagerbock 31 gelagert und
rotiert gleichzeitig auch den Mantel 13 der Walze. Das
rotierende Element besteht hier also aus der Walze 10.1 einschließlich
Achse/Welle 14 und Mantel 13 und erstreckt sich über
die gesamte Breite der Maschine. Die optischen Sensormittel 12 sind
nun zum Beispiel am feststehenden Lagerring der Stützlager 11.1,
der hier aus dem Außenring 16 des Lagers 11.1 besteht,
angeordnet. Allgemein gesagt können mit den Sensoren 12 unabhängig
von der Ausführungsform Betriebsverhältnisse,
wie zum Beispiel Temperatur und/oder Druck (Belastungen), gemessen
werden.
-
11 zeigt
ein grob vereinfachtes Beispiel einer Presswalze, genauer gesagt
einer Durchbiegungseinstellwalze 10.2 einer Presse. Mit
einer solchen durchbiegungskompensierten und zonengesteuerten Walze 10.2 bewirkt
man in der Pressenpartie 51 eine gleichmäßige
Beschaffenheit des herzustellenden Produkts über die gesamte
Bahnbreite. Die durchbiegungskompensierte und zonengesteuerte Walze
kann zum Beispiel auch im Kalander 53 eingesetzt werden.
In 14 ist die Position der Durchbiegungseinstellwalze 10.2, 10.2' in
der Pressenpartie 51 und auch im Online-Kalander 53 einer Papiermaschine
gezeigt.
-
Die
in 1 und 2 dargestellten Pendelrollenlager 11 sind
nun innerhalb des Mantels 13 der Walze 10.2 angeordnet.
Auch in diesem Fall kann man sagen, dass sie als Stützlager 11.2 des
Mantels 13 fungieren. Die Durchbiegungseinstellwalze 10.2 wird
im Kalander 53 auf an sich bekannte Weise gegen die Gegenwalze 10.3 belastet,
d. h. gedrückt.
-
Die
Durchbiegungseinstellwalze 10.2 besteht aus einer ortsfesten
Achse 14 und einem mit erfindungsgemäßen
Lagermitteln 11.2 versehenen rotierenden Walzenmantel 13,
der auf erfindungsgemäßen Pendelrollenlagern 11.2 laufend
um die Achse 14' rotiert. An der im Inneren des Mantels 13 verlaufenden
Achse 14' sind unabhängig voneinander regulierbare
Stütz-/Druckelemente 35 angeordnet, die den Mantel 13 hydrostatisch
stützen und mit denen die Durchbiegung der Walze 10.2 geregelt
wird. Der Mantel 13 wird zum Beispiel der Mantelform der
Gegenwalze 10.1, 10.3 entsprechend regulieret.
-
Die
Achse 14 der Walze 10.2 ist zum Beispiel über
Gelenklager 33 an die Lagerböcke 34 gekoppelt.
Der Walzenmantel 13 ist zum Beispiel über Rollenlager 11.2 an
die Achse 14' gekoppelt. Das rotierende Element ist hier
also der Mantel 13. Die optischen Sensormittel 12 sind
nun zum Beispiel am feststehenden Lagerring der Stützlager 11.2 des
Mantels 13 angeordnet, der in diesem Fall aus dem an der Achse 14' befestigten
Innenring 15 des Lagers 11.2 besteht. Die Sensorik 12 kann
auch am Gelenklager 33 angeordnet sein und zum Beispiel
zum Messen der Nip-Gesamtlast dienen. Die Sensorik 12 kann
dabei zum Beispiel an der Ölfilmstelle, an der der stärkste
Druck herrscht, angeordnet sein.
-
12 zeigt
in grob vereinfachter Form ein Beispiel einer Kalanderwalze, genauer
gesagt einer Thermo-Kalanderwalze 10.3. Aus 14 geht
die Position der Thermowalze 10.3 im Online-Kalander 53 einer
Papiermaschine hervor, und 13a und 13b zeigen Anwendungen beim Kalandrieren, bei
denen erfindungsgemäße Durchbiegungseinstell- und/oder
Thermowalzen 10.2, 10.3 eingesetzt werden können.
Die zum Beispiel aus Stahl bestehende Thermo-Kalanderwalze kann
mit einem passenden Wärmeübertragungsmedium beheizt
werden. Die Niplast, d. h. die Anpresskraft bestimmt sich je nach
der herzustellenden Papiersorte. In ihrer Grundkonstruktion entspricht
die Kalanderwalze 10.3 weitgehend der vorangehend schon
beschriebenen Pressen-Zentralwalze 10.1. Auch hier dienen
als Lagermittel 11 in den an den Enden der Walze 10.3 angeordneten
Lagerböcken 31 befindliche Stützlager 11.1,
an denen die optischen Sensormittel 12 angeordnet sind.
-
13a zeigt in schematisierter Form ein Beispiel
einer Softkalander-Anwendung. Als Oberwalze kann zum Beispiel eine
Thermowalze 10.3, als Unterwalze eine Durchbiegungseinstellwalze 10.2 (etwa
eine zonengesteuerter SYM-Walze) eingesetzt werden. Erfindungsgemäße
Sensorik 12 kann an beiden Walzen 10.2, 10.3 vorhanden
sein, zum Beispiel in deren Lagern 11.1, 11.2 und/oder
an den Stützelementen 35.
-
13b zeigt in schematisierter Form ein Beispiel
einer Anwendung in einem Mehrwalzenkalander 42. Die oberste
Walze 10.2' des auf der rechten Seite der Zeichnung gezeigten
Walzenstapels 10' kann eine ortsfeste Durchbiegungseinstellwalze,
die unterste Walze 10.2 eine durchbiegungskompensierte
und außerdem über die Lager 11.2 belastbare
Walze sein. Zwischen der obersten und der untersten Walze 10.2 können
zum Beispiel abwechselnd Zwischenwalzen und Thermowalzen 10.3 angeordnet sein.
-
Die
in 13b genauer gezeigte untere Walze 10.2 kann
eine hydraulisch durchbiegungskompensierte, zonengesteuerte Nipwalze
(z. B. Walzentyp SYM-Z der Anmelderin) sein. Die Durchbiegungskompensation
der Walze 10.2 erreicht man durch hydraulische Stützelemente 35,
die an der Achse 14' der Walze 10.2 angeordnet
sind und auf den Mantel 13 der Walze 10.2 unter
zonenweisem Stützen desselben wirken. Die Stützelemente 35 kompensieren die
Durchbiegung der Walze 10.2 in der gewünschten
Weise, sodass der angestrebte gleichmäßige Liniendruck
erzielt wird. Zusätzlich zur Durchbiegungskompensation
bewirkt man mit den Stützelementen 35 auch die
gewünschte Profilierung, denn jedes einzelne Element 35 kann
entsprechend dem jeweiligen Profilierungsbedarf separat gesteuert
werden. Die Sensorik 12 kann an verschiedenen Stellen der
Stützelemente 35 angeordnet werden, zum Beispiel
hinter der vom Stützelemente 35 belasteten Fläche 164, 87 (13c).
-
13c zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung
der Sensorik an einem Zonenschuh 35. Die (nun nicht dargestellte)
optische Faser kann von außerhalb des Schuhs 35 zum
Beispiel an dessen Randpartien geführt werden. Die genaue
Stelle der Bohrung 65.1, 65.2 und der an ihrem
Ende befindlichen reflektierenden Fläche wird gewählt
je nachdem, ob der Druck und/oder die Temperatur der Tasche 164 oder
des Gleitstegs 87 gemessen werden soll. Beim Messen des
Druckes der Tasche 164 kann sich die reflektierende Fläche
hinter der Tasche 164 im entsprechenden Bereich und beim
Messen des Druckes des Stegs 87 hinter dem Steg 87 befinden. Wie
aus 13c ersichtlich, kann die Bohrung 65.2 auch
wenigstens teilweise waagrecht verlaufen. Die vertikale Bohrung
konnte durch die Belastungsfläche 24 der Tasche
hindurch geführt werden, und wurde dann durch eine Membran 88 aus
einem passenden Werkstoff abgedeckt.
-
Die
Durchbiegungseinstellwalze 10.2 kann eine Walze mit oder
ohne Mantelhub sein. Bei der Nipwalze mit Mantelhub (z. B. Walzentyp
SYM-ZS der Anmelderin) befinden sich zwischen den Lagern 11.2 des
Walzenmantels 13 und der Achse 14' der Walze 10.2 Stützelemente 36.
Mit diesen Stützelementen 36 kann der gesamte
Mantel 13 in Richtung Nip bewegt werden, während
die Achse 14' an der Stelle verharrt. Dabei kann an der
Innenfläche 15.1 des Innenringes 15 der
Lager 11.2 des Mantels 13 ein an sich bekannter
Belastungsring anliegen, der an der Achse 14' der Walze 10.2 abgestützt
ist. Bei einer solchen Walze 10.2 mit Mantelhub kann der Mantel 13 der
Walze 10.2 in Kontakt zur Gegenwalze gefahren werden.
-
Sind
die Lager 11.2 und/oder der Belastungsring und/oder die
hydraulischen Belastungsmittel 36 mit erfindungsgemäßen
Sensoren 12 ausgerüstet, so lassen sich mit Hilfe
der auf die Lager 11.2 wirkenden Belastung auch die Randbereiche
der durch den Kalander 42 zu führenden Materialbahn besser
als bisher unter Kontrolle halten und genauer regulieren. Mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Sensorik 12 erhält
man Aufschluss über die tatsächliche Belastung
der Randbereiche der Walze 10.2. Das bedeutet u. a. eine
wesentliche Verringerung der Ausschussmenge, weil ja bisher die
Bahnränder in den Ausschuss gingen.
-
Wie
bekannt, können die Pendelrollenlager 11.2 an
der Stirnseite des Mantels 13 auch durch an sich bekannte
Gleitlager 11.3 ersetzt werden. Die erfindungsgemäße
Sensorik kann unabhängig von der Walzenposition genauso
gut auf Gleitlagerungen 11.3 angewendet werden. Die gleitgelagerte
Walze kann eine in ihren Grundfunktionen normale Walze oder eine
selbstbelastende Walze mit Mantelhub sein. 13d zeigt
als schematisches Schnittbild ein Ausführungsbeispiel der
Gleitlagerung einer Wälze 10.5 mit Mantelhub.
Die Sensoren 12 können hier zum Beispiel hinter
den Gleitflächen und/oder den Taschen/Hohlräumen 161, 162, 164, 165 der
Gleitlagerelemente 114, 115 angeordnet sein. In 13d sind in Beispielform einige Stellen für
die Sensoren 12 und in 13e ein
Ausführungsbeispiel der Anordnung der Sensorik an einem
Gleitlagerschuh 117 gezeigt.
-
Auch
in
13d trägt die Achse
der Walze
10.5 die Bezugszahl
14' und der Walzenmantel
die Bezugszahl
13. An seiner Innenfläche
13' wird
der Walzenmantel
13 durch belastete Gleitlagerelemente
114,
115 gestützt.
Weiter haben die Gleitlagerelemente
114,
115 Dichtungen
170,
171 und
mit Druck beaufschlagbare Hohlräume
161,
162.
Für jedes Gleitlagerelement
114,
115 sind
an der Achse
14' der Walze
10.5 Rumpfteile
163,
163a angeordnet,
die in die Hohlräume
161,
162 der Gleitlagerelemente
114,
115 eingreifen.
Die Gleitlagerelemente
114,
115 können
von an sich herkömmlicher Konstruktion mit Öltaschen
164,
165 an
ihrer Außenfläche sein. Die Öltaschen
stehen über Kapillarbohrungen
166,
167,
die durch die Gleitlagerelemente führen, mit den Druckräumen
161,
162 in
Verbindung. Die mit der Gleitlagerung von Walzen verbundenen Grundtechnologien sind
dem Fachmann an sich bekannt, und die Erfindung setzt da keine besonderen
technischen Lösungen voraus. In diesem Zusammenhang sei
auf das finnische Patent
FI-116538 der
Anmelderin verwiesen.
-
Nach 13e kann die (in der Zeichnung nicht dargestellte)
optische Faser von außerhalb des Schuhs 117 in
dessen Randbereiche geführt werden. Die genaue Stelle der
Bohrung 65 ergibt sich daraus, ob der Druck der Tasche 164 oder
des Gleitstegs 87 gemessen werden soll. Beim Messen des
Druckes der Tasche 164 kann sich die reflektierende Fläche hinter
der Tasche in deren Bereich, beim Messen des Druckes des Stegs 87 hinter
dem Steg 87 oder so in dessen Bereich befinden, dass bei
Belastungsänderung sich an der reflektierenden Fläche
Bewegung zeigt. Wie aus 13e ersichtlich,
kann die Bohrung 65.2 auch zumindest teilweise waagrecht
oder schräg verlaufen. Dabei kann die vertikale Bohrung durch
die Fläche hindurch, die von der Tasche 24 belastet
wird, geführt und dann durch eine Membran 88 aus
passendem Werkstoff abgedeckt sein.
-
14 zeigt
als Beispiel eine Materialbahnherstellungsmaschine, in diesem Fall
speziell eine Papiermaschine 37. Die Papiermaschine 37 besteht aus
mehreren hintereinander angeordneten Teilgesamtheiten (Sektionen),
wie zum Beispiel Stoffauflauf 49, Formier-, Pressen- und
Trockenpartie 50–52. Vor dem Aufroller 54 kann
zum Beispiel eine Kalanderpartie 53 angeordnet sein. All
das wird mit den Mitteln einer zentralen Rechen- und Steuereinheit
(CPU, central processing unit) überwacht und unter Kontrolle
gehalten. Insbesondere die CPU-Mittel können als Maschinensteuerungs-
und Zustandsüberwachungs-Automation 100–105 verstanden
werden.
-
Die
an rotierenden Körpern, wie zum Beispiel Walzen 10.1–10.5 angeordnete
erfindungsgemäße Sensorik 12 kann an
die zentrale Rechen- und Steuereinheit CPU angeschlossen werden.
Zusammen können diese beiden Einheiten ein System zur Überwachung
und/oder Steuerung von Betriebsverhältnissen eines rotierenden
Körpers, wie zum Beispiel einer Walze 10.1–10.5 einer
Materialbahnherstellungs- oder -ausrüstungsmaschine 37, 42 bilden. Das
Verfahren lässt sich unmittelbar aus dem System ableiten,
das nur eine Realisierungsart der Übertragung der Erfindungsidee
auf die Praxis darstellt. In der Maschine konnte zumindest ein Teil
der Walzen 10.1–10.5, – zum
Beispiel deren Lager und/oder Belastungsmittel 11.1–11.3, 114, 115, 35, 36 – mit
optischen Sensormitteln 12 ausgerüstet werden,
und mit diesen können für die zentrale Rechen-
und Steuereinheit CPU echte, d. h. wirkliche Messergebnisse wenigstens
einer zu messenden Größe bereitgestellt werden.
Als Untermodul kann die Sache dazu benutzt werden, die Funktion
des Monitoringmoduls 100 der Sensoren 12 einschließlich
Datenübertragungsverbindung 205, die nun aus der
optischen Faser besteht, zu übernehmen.
-
Nach
einer ersten Ausführungsform lässt sich mit den
Sensormitteln 12 die Zustandsüberwachung von Lagern,
wie zum Beispiel der Rollen-/Gleitlager 11.1, 11.2, 11.3 durchführen
(Modul 102). Bei der mit optischem Sensor 12 erfolgenden Zustandsüberwachung
des Lagers 11.1, 11.2, 11.3 lässt
sich eine Problemsituation bereits erkennen bevor sich der eigentliche
Schaden zu entwickeln beginnt. Eine ungewöhnliche Belastungsverteilung
oder ein ungewöhnliches Last-/Temperaturniveau zeigt ein
ungewöhnliches Vorkommnis an und bieten so die Möglichkeit,
das Problem zu beheben und das Entstehen von Schäden zu
vermeiden oder zu verzögern. Die Sensorik 12 wird über
die Automation CPU auf Überwachung des Zustands der Lager 11.1–11.3 geschaltet.
-
Ein
mit der Zustandsüberwachung verbundenes exemplarisches
Problem, auf das sich die Erfindung anwenden lässt, kann
sich infolge der durch Wärmeausdehnung bedingten Änderung der
Walzenlänge ergeben. Die Längenänderung
kann zu Störung der Funktion der Lager 11.1 führen
sofern der axiale Gleitsitz 43 zwischen dem Außenring 16 des
Lagers 11.1 und dem Gehäuse 31 nicht
wie geplant funktioniert (12). Die
Ursache kann zum Beispiel Klebrigwerden infolge der Mikrobewegung der
Gleitflächen sein. Als Folge dieser Erscheinung nimmt die
Belastung an der einen Abrollbahn des Lagers 11 stark zu,
was mit Rücksicht auf die rechnerische Belastung unerwünscht
ist. Mit der Sensorik 12 wird solche unerwünschte
Belastungsabweichung erkannt, und der Nip kann geöffnet
werden. Durch das vorübergehende Senken der Belastung wird
die auf den Gleitsitz wirkende Reibungskraft verringert, wobei das
Lagergehäuse 31 und der Außenring des Lagers 11 sich
relativ zueinander bewegen und das Lager 11 sich wieder „einreguliert”.
Danach kann der Nip wieder geschlossen und zur gewünschten
Belastung zurückgekehrt werden.
-
Nach
einer anderen Ausführungsform kann die erfindungsgemäße
Sensorik 12, 100 zur Optimierung der Schmierung
der Lager 11, wie zum Beispiel der Rollenlager 11.1, 11.2 und/oder
auch der Gleitlager 11.3, 114, 115 eingesetzt
werden. Bei dem gegenwärtigen sich selbst regelnden Umlaufschmiersystem 101, 300 wird
der Sollwert für den Schmieröldurchsatz der Rollenlager 11.1, 11.2 an
Hand der rechnerischen Maximallast und der wirklichen Produktionsgeschwindigkeit
der Maschine berechnet. Bei Lagern 11.1, 11.2,
die mit optischen Sensoren 12 ausgestattet sind, kann die
Steuerung der Regelung an Hand tatsächlicher Betriebswerte
(Last und/oder Temperatur) erfolgen. Angestrebt wird, die Temperatur
der Lager 11.1, 11.2 durch passenden Öldurchsatz
innerhalb gewisser Grenzen zu halten.
-
Dabei
kann mit der CPU-Einheit 101 die Regelung (Regelmittel 41)
des Öldurchsatzes der Lagermittel 11.1, 11.2 der
Walze 10.1–10.5 auf Grund der mit den
optischen Sensormitteln 12 durchgeführten Messung
gesteuert werden. Ein Versagen des Schmierfilms bewirkt eine Temperatur-
und Druckspitze (Belastung). Das lässt sich mit Hilfe der
Sensorik 12 in einem frühen Stadium, bevor es
zu Schäden kommt, erkennen und anzeigen.
-
Nach
einer dritten Ausführungsform können die optischen
Sensormittel 12 auch zur Bestimmung der auf die Lagermittel 11.1, 11.2 wirkenden
Belastung eingesetzt werden. Die Belastung erhält man rechnerisch
aus dem von der Sensorik 12 gelieferten Druckwert. Eine
Anwendung für diese Ausführungsform wäre
zum Beispiel das Verhindern von Nulllastsituationen bei Rollenlagern 11.1, 11,2.
Für die Belastung kann ein Kriteriumswert gesetzt werden.
Mit Erfüllung dieses Kriteriumswertes kann auf die Lagermittel 11.1, 11.2 zum
Beispiel eine kleine eingestellte Axiallast zur Wirkung gebracht
werden.
-
Unter
Einsatz optischer Sensoren kann das Lager 11 auch mit einem
aktiven Belastungssystem 104, 20 ausgestattet
werden, mit dem sich ein Entstehung von Überlast verhindern
lässt. Mit der optischen Sensorik 12 kann zum
Beispiel Überlast an der einen Abrollbahn 19.2 oder
sogar eine sich erst abzeichnende Überlastsituation festgestellt
werden. Falls die Druckmessung des optischen Sensors 12 ergibt,
dass die Last zum Beispiel an der einen Abrollbahn 19.2 auf
den kritischen Bereich zu wächst, wird die Position des
feststehenden Ringes des Walzenlagers in axialer Richtung verlagert.
Die Verlagerung kann zum Beispiel am freien Ende der Walze erfolgen.
Durch die Verlagerung wird die Last wieder gleichmäßig
auf beide Abrollbahnen verteilt. Die Rückkoppelung auf
die Bewegungssteuerung kann zum Beispiel auf dem Lagerdruck, der
mit dem Sensor 12 gemessen wird, basieren.
-
15 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines solchen aktiven Belastungssystems 20,
angeordnet an den Lagermitteln 11. Dem freien Ende der
Walze können nun Stellglieder (Aktoren) 20 zum
axialen Belasten des feststehenden Ringes 16 des Walzenlagers 11 auf
Grund mit den optischen Sensormitteln 12 durchgeführter
Belastungsbestimmung zugeordnet sein. Die Stellglieder können
zum Beispiel aus Hydraulikzylindern 20 oder aus elektrisch
angetriebenen Gewindespinden bestehen. Das Stellglied/die Stellglieder 20 kann/können
am Lagerring 16 symmetrisch zum Beispiel an drei Stellen
angreifen.
-
Nach
einer vierten Ausführungsform kann mit den optischen Sensormitteln 12 auch
die Nipkraft (Liniendruck) von Walzenspaltkonstruktionen 45, zum
Beispiel in rollen- oder gelenkgelagerten Walzenspaltkonstruktionen 45 (13b), gemessen werden. Die Kraftmessungen können
zum Beispiel an den feststehenden Ringen 15, 16 der
Lagermittel 11.1, 11.2 vorgenommen werden. Der
Liniendruck kann über die Abrollbahn, an der Gegenwalze über das
Rollen-/Gleitlager gemessen werden. Auf der Basis dieser Messungen
kann der Kalandrierprozess mit Hilfe von Zwischen- und Durchbiegungseinstellwalzen
(z. B. SYM-Walzentyp der Anmelderin) geregelt und unter Kontrolle
gehalten werden. So ermöglicht also die Erfindung in Kalandern 42, 53 einen breiteren
Einsatz von rollengelagerten Walzen.
-
Auch
in Mehrwalzenkalandern 42 können mit Hilfe der
Erfindung die Belastungen wälzgelagerter Walzen (Zwischenwalzen
und durchbiegungskompensierte SYM-Walzen) gemessen/bestimmt werden. Man
erhält so genaue Informationen über die jeweils herrschenden
Nipkräfte (Liniendrücke) und kann außerdem
verhindern, dass die Lagerbelastung in den Nulllastbereich gerät.
Bisher konnte der Liniendruck summarisch geschätzt werden,
nun kann man sich sogar auch die Nippprofile vornehmen. Profile
können nicht nur an den hydraulischen Stützelementen 35, 36,
sondern sogar an der Oberfläche des Walzenmantels 13,
die gleichfalls mit der erfindungsgemäßen Sensorik 12 bestückt
sein kann, gemessen werden. Durch die Erfindung können
nun auch die im Walzenstapel 10 auftretenden, bisher unbekannten Reibungskräfte,
wie zum Beispiel die Kräfte der Hebelmechanismen und der
durchbiegungskompensierten zonengesteuerten Walzen, berücksichtigt werden.
-
Nach
einer fünften Ausführungsform kann die erfindungsgemäße
optische Sensorik 12 sogar für Belastungsmessungen
an der Schuhwalze 10.4 der Presse 51 hinter den
Gleitflächen 38 des Gleitschuhs 39 und/oder
hinter den Taschen 38' der Gleitschuhe 39 eingesetzt
werden. Diese Anwendung ist in 16 gezeigt.
Innerhalb des rotierenden Mantels 10.4' der Schuhwalze 10.4 sind
Stützmittel 40 angeordnet, mit denen der Mantel 10.4'
gegen die Gegenwalze belastet, d. h. gedrückt wird. Mit
der Anordnung können die wirklichen Belastungsdrücke und/oder
Temperaturen gemessen werden. Auch das Messen des Liniendruckes
erfolgt nun genauer, wenn die Sensorik zum Beispiel an dem Schuh 39 angeordnet
ist. Die Sensorik kann mehrere auf das Stützelement 39 zum
Beispiel in gleichmäßigen Abständen verteilte
Sensoren 12 umfassen.
-
Auch
diese Messung kann an die Automatik/Zustandsüberwachung
(Modul 104) der Maschine geschaltet werden.
-
Nach
einer sechsten Ausführungsform lassen sich mit der erfindungsgemäßen
optischen Sensorik auch hinter den Gleitflächen der Gleitlager 11.3, 114, 115 und
hinter den Taschen/Hohlräumen 161, 162, 164, 165 der
Gleitschuhe die wirklichen Lagerbelastungsdrücke und -temperaturen
messen. Auch diese Lösung kann für die Zustandsüberwachung
bei Produktionsmaschinen genutzt werden. Bei den Anwendungen auf
Gleitlager 11.3, 114, 115 sind die Flächendrücke
kleiner als bei den Wälzlageranwendungen 11.1, 11.2.
Bei den Gleitlageranwendungen 11.3, 114, 115 bilden
jedoch die Reibung und der Verschleiß besonders in Störungssituationen
ein Problem.
-
17 zeigt
das Beispiel eines Pilot-Tests, bei dem die optische Sensorik 12 am
Außenring 16 eines Rollenlagers 11 angeordnet
ist. Bei dem Lager handelt es sich um ein zylindrisches Rollenlager 11 mit
insgesamt 13 Rollen. Das Lager 11 wurde auch mit zwei beschädigten
Rollen 18.1, 18.2 getestet; die Ergebnisse dieses
Tests sind in das Koordinatensystem im oberen Teil von 17 eingetragen.
Wie daraus ersichtlich, kann die Sensorik 12 auch für
die Zustandsüberwachung eingesetzt werden. Die Rollen 18.1, 18.2 des
Lagers 11 waren auf verschiedene Weise beschädigt
worden: Die Rolle 18.1 hat an ihrem Umfang einen punktförmigen
Schaden, die Rolle 18.2 einen sich über ihren
gesamten Umfang erstreckenden Schaden. Aus dem Signal-Zeit-Koordinatensystem
ist abzulesen, dass die beschädigten Rollen 18.1, 18.2 unvollständige
Spitzen (Peaks) lieferten, die sich deutlich von den untereinander
weitgehend identischen Signalen der übrigen, einwandfreien
Rollen unterscheiden. An den Signalen 18.1, 18.2 ist
sogar der Typ des Schadens erkennbar. Mit der erfindungsgemäßen
Sensorik lässt sich auch sofort erkennen, wenn bei niedriger
Belastung die Geschwindigkeit der Rollen 18 zu sinken beginnt
und erste Schlupferscheinungen auftreten. (Nulllast-Problem, führt
zu Beschädigungen).
-
Mit
den auf optischen Sensoren basierenden Mess- und Steuerlösungen
erzielt man bei Papiermaschinen mehrere erhebliche Vorteile: Erstens
bieten sie zusätzliche Freiheitsgrade beim Arrangieren
der Messung. Nun lassen sich auch Druck und Temperatur von Objekten
messen, bei denen das bisher aus einem oder mehreren Gründen
nicht möglich war. Das Messen der Temperatur und/oder des
Druckes kann erfolgen, ohne dass andere Geräte oder das
Arbeiten der Maschine durch die Sensorik gestört werden.
Die Realisierung des Sensors gestaltet sich höchst einfach. Über
die mit der Sensorik 12 durchgeführte Druckmessung
erlangt man Aufschluss über Belastungen/Kräfte.
-
Wie
aus dem Obigen hervorgeht, können optischen Sensoren 12 in
den verschiedensten Anwendungen in Verbindung mit Materialbahnherstellungs- und
-ausrüstungsmaschinen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße
Sensoriklösung bietet auch wegen ihrer Abmessungen neue
Möglichkeiten für die Druck- und Temperaturmessung.
-
Es
versteht sich, dass die obige Beschreibung und die zugehörigen
Zeichnungen lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung
dienen sollen. Die Erfindung ist somit nicht auf die oben beschriebenen
bzw. in den Patentansprüchen definierten Ausführungsformen
beschränkt, sondern der Fachmann erkennt zahlreiche verschiedene
Variationen und Modifikationen, die im Rahmen des in den Patentansprüchen
definierten Erfindungsgedankens möglich sind.
-
Gegenstand
der Erfindung ist eine Anordnung zum Messen von Betriebsverhältnissen
eines rotierenden Körpers, wie zum Beispiel einer Walze (10.1–10.5),
in einer Materialbahnherstellungs- oder -ausrüstungsmaschine.
Die Messung erfolgt mit an dem rotierenden Körper angeordneter
optischer Sensorik (12). Weiter betrifft die Erfindung
ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - FI 20065305 [0011]
- - FI 116538 [0087]