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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft die Steuerung der Fahrbarkeit des Behandlungsnips
einer Faserbahn. Besonders, aber nicht nur, betrifft die Erfindung
das Dämpfen der Nipschwingung einer Faserbahnmaschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schwingungen
in den Nips bzw. Walzenspalten einer Faserbahnmaschine beeinträchtigen
die Fahrbarkeit einer Papiermaschine. Zum Beispiel im Kalander ruft
die Nipschwingung eine Umformung der die Faserbahn pressenden Walzen
und/oder Bänder und/oder der Faserbahn hervor. Die Umformung
wird an der Oberfläche der Walze und/oder des Bandes und/oder
der Faserbahn als in Querrichtung laufende Streifen an der Bahn
sichtbar.
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Die
Nipschwingung ist von ihrer Natur her unstabil und selbsterregt.
Die durch die Schwingung hervorgerufene Umformung des Behandlungselements
der Faserbahn wie der Walzenoberfläche oder der Bandoberfläche
oder der Bahn im Nip kann als ein zusätzlicher Erreger
betrachtet werden, wenn die Behandlungsfläche der Faserbahn
oder die Bahn von neuem in einem zweiten Nip des Behandlungselements
einer und derselben Faserbahn eintrifft, zum Beispiel in einem zweiten
Nip des Walzensystems des Kalanders. Die oben beschriebene Umformung
kommt in den Eigenfrequenzen der Behandlungsvorrichtung der Faserbahn
wie des Walzensystems des Kalanders vor, weil die Schwingungsempfindlichkeit
bei diesen Frequenzen am größten ist.
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Die
Schwingungsempfindlichkeit des Walzensystems im Kalander konnte
durch Entwicklung von neuen Walzenbeschichtungen und durch Verhindern
der Synchronisierung der Drehfrequenzen der Walzen und der Eigenfrequenzen
des Walzensystems beeinflusst werden. Die Synchronisierung wurde
versucht, dadurch zu verhindern, dass die Geschwindigkeit des Kalanders
geändert wurde oder dass die Eigenschaften der Kalanderwalzen
beeinflusst wurden. Die Eigenfrequenzen können zum Beispiel
durch Verändern der Steifheit der Walzenstützung
und durch Einstellen der Nipbelastung geändert werden.
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Die
Schwingung der Walze wurde versucht, durch Dämpfung zu
verhindern. Die Dämpfung wurde mit Hilfe von verschiedenen
Massendämpfern ausgeführt, womit die Eigenfrequenz
des Schwingungssystems beeinflusst werden sollte. Auch adaptive
Dämpfer wurden gefertigt, deren Eigenfrequenz je nach den
sich verändernden Verhältnissen eingestellt werden
kann.
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In
der Veröffentlichung
EP 1275776 A1 wird ein Kalander dargestellt,
bei dem eine mit einer elastischen Oberfläche ausgestattete
Walze in Bezug auf die Pressebene des Walzensystems in seitlicher
Richtung versetzt wird.
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In
der Veröffentlichung
FI
117566 B wird ein Verfahren dargestellt, bei dem die Eigenfrequenz
einer mit Hilfe eines hydraulischen Stellantriebes gestützten
Walze durch Ändern des Flüssigkeitsvolumens des
Hydrauliksystems um mindestens 5% von dem gesamten Flüssigkeitsvolumen
des Hydrauliksystems geändert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß eines
ersten Gesichtspunktes der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Kontrolle
der Fahrbarkeit des Nips realisiert, welchen Nip eine erste Walze
und ein zweites Behandlungselement der Faserbahn zwischen sich bilden,
welches eine Walze oder ein Band ist, und die erste Walze wird durch
an ihren Enden sich befindlichen Achsen mittels der Lagergehäuse
in den Rahmen gestützt. Die Vorrichtung umfasst:
- – einen hydraulischen Stellantrieb,
wie einen Hydraulikzylinder, welcher vorgesehen ist, in dem Stützpunkt der
ersten Walze eine in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit der
Schwingung des Stützpunktes äußere hydraulische
Dämpfungskraft in entgegengesetzter Richtung zu erzeugen
und
- – einen hydraulischen Pulsgenerator, dessen Druckseite
in Druckverbindung mit dem unter Druck befindlichen Zylinderteil
oder mit der Drucklinie des hydraulischen Stellantriebes steht,
um die Frequenz der äußeren hydraulisch erzeugten
Dämpfungskraft in einer in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit
entgegengesetzten Phase zum Wirken einzustellen.
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Gemäß eines
anderen Gesichtspunktes der Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Kontrolle der Fahrbarkeit des Nips realisiert, welchen Nip zwischen
sich eine erste Walze und ein zweites Behandlungselement der Faserbahn
bilden, welches eine Walze oder ein Band ist, und die erste Walze
wird durch die an ihren Enden sich befindlichen Achsen mittels der
Lagergehäuse in den Rahmen gestützt. Die Vorrichtung
umfasst
- – einen hydraulischen Stellantrieb,
wie einen Hydraulikzylinder, welcher vorgesehen ist, in dem Stützpunkt der
ersten Walze eine in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit der
Schwingung des Stützpunktes äußere hydraulische
Dämpfungskraft in entgegengesetzter Richtung zu erzeugen,
und
- – eine piezobetriebene Hydraulikvorrichtung, welche
zusammen mit dem hydraulischen Stellantrieb an der Druckverbindung
angeschlossen ist, um die Frequenz und/oder die Amplitude der äußeren,
hydraulisch zu erzeugenden Dämpfungskraft zum Wirken in
der in Bezug auf die Bewegungs-geschwindigkeit entgegengesetzten
Phase einzustellen.
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Gemäß einigen
Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung:
- – eine in dem Stützpunkt der ersten Walze
angeordnete Messungsvorrichtung für die Bewegungsgeschwindigkeit
der Nipschwingung,
- – eine Messungsvorrichtung für die Drehung
des Phasenwinkels der ersten Walze,
- – einen in dem Stützpunkt der ersten Walze
eine für die Bewegungsgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung äußere
Dämpfungskraft erzeugenden hydraulischen Stellantrieb,
wie einen Hydraulikzylinder,
- – eine Messungsvorrichtung für die äußere,
hydraulisch zu erzeugende Dämpfungskraft,
- – einen hydraulischen Pulsgenerator, welcher mit der
Drucklinie des hydraulischen Stellantriebes verbunden ist, um die
Frequenz der äußeren, hydraulisch zu erzeugenden
Dämpfungskraft zum Wirken in einer in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit
entgegensetzten Phase einzustellen.
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Bevorzugt
umfasst der der Vorrichtung zugeordnete hydraulische Pulsgenerator,
der zusammen mit dem hydraulischen Stellantrieb an der Druckverbindung
angeschlossen ist, um die Frequenz und/oder die Amplitude der äußeren
hydraulisch zu erzeugenden Dämpfungskraft zum Wirken in
einer in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit entgegengesetzten
Phase einzustellen, eine von ihrer Drehgeschwindigkeit her einstellbare,
zu drehende Ventilspindel und Ventilausgänge, die beim
Drehen der Ventilspindel schließend und öffnend
zum Einstellen der Frequenz der Dämpfungskraft ausgebildet
sind.
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Bevorzugt
ist der die Dämpfungskraft erzeugende Hydraulikzylinder
derselbe Hydraulikzylinder, der den Nipdruck im Nip zu erzeugen
vorgesehen ist.
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Bevorzugt
umfasst die Vorrichtung eine Drosselung der dem hydraulischen Pulsgenerator
zugeordneten Ausgänge oder eine Drosselvorrichtung in der
aus den erwähnten Ausgängen herausführenden
Hydraulikflüssigkeitslinie zum Einstellen der Amplitude
der Dämpfungskraft.
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Bevorzugt
umfasst die Vorrichtung eine piezobetriebene Hydraulikvorrichtung,
welche mit dem Hydraulikstellantrieb mit der Druckverbindung verbunden
ist, um die Frequenz und/oder die Amplitude der äußeren
hydraulisch zu erzeugenden Dämpfungskraft zu verändern.
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Bevorzugt
umfasst die Vorrichtung einen zum Messen der Geschwindigkeit der
Schwingungsbewegung anwendbaren Messungsgeber, welcher an dem Stützpunkt
der ersten Walze befestigt ist, bevorzugt umfasst die Vorrichtung
einen am Lagergehäuse befestigten Beschleunigungsgeber.
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Bevorzugt
umfasst die Vorrichtung einen zum Festlegen des Phasenwinkels der
Drehbewegung der ersten Walze geeigneten Phasenwinkelgeber, bevorzugt
einen am Ende der ersten Walze befestigten Pulsgeber.
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Bevorzugt
umfasst die Vorrichtung eine Messung der äußeren
Dämpfungskraft, welche einen Drucksensor zur Messung des
Druckes im Zylinder oder einen Kraftsensor zur Messung der auf den
Stützpunkt der ersten Walze wirkenden Kraft oder einen
Geber für die Messung der Ausdehnung zur Messung der Ausdehnung
des Stützaufbautes umfasst.
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Gemäß eines
dritten Gesichtspunktes der Erfindung wird ein Verfahren zur Kontrolle
der Fahrbarkeit des Nips realisiert, welchen Nip zwischen sich eine
erste Walze und ein zweites Behandlungselement der Faserbahn bilden,
welches eine Walze oder ein Band ist, und die erste Walze wird durch
an ihren Enden sich befindlichen Achsen mittels der Lagergehäuse
in den Rahmen gestützt. In dem Verfahren
- – wird
in dem ersten Stützpunkt der ersten Walze mit Hilfe eines
hydraulischen Stellantriebes, wie mit Hilfe eines Hydraulikzylinders, äußere
Dämpfungskraft erzeugt, welche in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit
der Schwingung des Stützpunktes entgegengesetzt ist,
- – wird mit Hilfe des mit dem unter Druck befindlichen
Zylinderteils oder mit Hilfe der Drucklinie des mit dem hydraulischen
Stellantrieb verbundenen hydraulischen Pulsgenerators die Frequenz
der äußeren, hydraulisch erzeugten Dämpfungskraft
zum Wirken in einer in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit entgegengesetzten
Phase eingestellt.
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Gemäß einiger
Ausführungsformen wird bei dem Verfahren:
- – die Bewegungsgeschwindigkeit der Nipschwingung an
dem Stützpunkt der ersten Walze gemessen,
- – wird der Phasenwinkel der Drehung der ersten Walze
gemessen,
- – wird in dem Stützpunkt der ersten Walze
mit Hilfe eines hydraulischen Stellantriebes, wie mit Hilfe eines Hydraulikzylinders, äußere
Dämpfungskraft erzeugt, welche in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit entgegengesetzt
ist.
- – wird die äußere, hydraulisch erzeugte
Dämpfungskraft gemessen,
mit Hilfe eines mit der
Drucklinie des hydraulischen Stellantriebes verbundenen hydraulischen
Pulsgenerators die Frequenz der äußeren hydraulisch
erzeugten Dämpfungskraft zum Wirken in einer in Bezug auf
die Bewegungsgeschwindigkeit entgegengesetzten Phase eingestellt.
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Bevorzugt
wird die äußere Dämpfungskraft aktiv
durch Messen der Bewegungsamplitude im Stützpunkt der ersten
Walze und durch Einstellen der Amplitude der Dämpfungskraft
zur Maximierung der Dämpfungsleistung erzeugt.
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Bevorzugt
wird die Frequenz einer äußeren, hydraulisch erzeugten
Dämpfungskraft durch Ändern der Drehgeschwindigkeit
einer Ventilspindel im hydraulischen Pulsgenerator eingestellt,
welcher hydraulische Pulsgenerator eine drehbare und beim Drehen
die Ventilausgänge schließende und öffnende
Ventilspindel aufweist.
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Bevorzugt
wird die Amplitude s der äußeren hydraulisch erzeugten
Dämpfungskraft durch Ändern der Drosselung der
dem hydraulischen Pulsgenerator zugeordneten Ausgänge oder
der Drosselung der aus den erwähnten Ausgängen
in den Tank führenden Tanklinie eingestellt.
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Bevorzugt
wird zur Messung einer äußeren hydraulisch erzeugten
Dämpfungskraft der Druck im Hydraulikzylinder gemessen
oder es wird die auf den Stützpunkt der ersten Walze im
Hydraulikzylinder wirkende Kraft gemessen oder es wird die Ausdehnung
des Stützaufbauten der ersten Walze gemessen.
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Bevorzugt
wird eine Frequenzkomponente der Dämpfungskraft auf einmal
eingestellt.
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Bevorzugt
werden die Messungen für die Einstellung der Dämpfungskraft
durchgeführt, indem der Mittelwert der Mehrfachkomponenten
der Drehfrequenz der Walze aus den Messungen der Bewegungsgeschwindigkeit,
des Phasenwinkels und der Kraft berechnet wird, bis deren Schwankung
genug gering ist.
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Bevorzugt
wird die Dämpfungsleistung mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus
maximiert, indem als Parameter der Phasenwinkel und die Amplitude
der Dämpfungskraft verwendet werden, welche Dämpfungsleistung
ein Produkt der Dämpfungskraft und der Bewegungsgeschwindigkeit
der Schwingung ist. Bevorzugt wird als Optimierungsalgorithmus die
Iteration von Newton oder der Gradientsuchalhorithmus verwendet.
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Gemäß einigen
bevorzugten Ausführungsformen wird beim Verfahren zusätzlich
mit Hilfe des zusammen mit dem Hydraulikstellantrieb in Druckverbindung
angeordneten Piezostellantriebes die Frequenz und/oder die Amplitude
der mit Hilfe des Hydraulikstellantriebes zu erzeugenden Dämpfungskraft
geändert.
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Verschiedene
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden oder
sind nur in Verbindung mit einem Gesichtspunkt oder einigen Gesichtspunkten
der Erfindung beschrieben. Ein Fachmann versteht, dass jede beliebige
Ausführungsform eines Gesichtspunktes der Erfindung unter
dem gleichen Gesichtspunkt und unter anderen Gesichtspunkten der
Erfindung allein oder kombiniert mit anderen Ausführungsformen
angewandt werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung nun beispielhaft anhand der beigelegten
Zeichnungen beschrieben. Die Figuren zeigen:
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1 stellt
einen Kalander mit zwei Walzen dar, gezeigt von der Seite her;
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2 stellt
schematisch die Oberwalze der 1 als Schwinger
dar;
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3 stellt
schematisch die Querschnitte der Nipwalzen der 1 dar;
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4 und 5 stellen
schematisch einige Anordnungen zur Dämpfung der Nipschwingung
im Kalander der 1 dar;
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6 stellt
schematisch den Querschnitt eines hydraulischen Pulsgenerators dar;
und
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7 stellt
den Pulsgenerator der 6 geschnitten in der Längsrichtung
dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In
der folgenden Beschreibung werden mit den gleichen Bezugszeichen ähnliche
Teile bezeichnet. Es ist bemerkenswert, dass die darzustellenden
Figuren nicht ganz dem Maßstab entsprechen, und dass sie
zunächst nur zu Veranschaulichungszwecken der verschiedenen
Ausführungsformen der Erfindung dienen.
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Die 1 stellt
einen Kalander 1 dar, dessen Unterwalze 2 und
Oberwalze 3 zwischen sich einen die Faserbahn W kalandrierenden
Walzenspalt bzw. Nip N1 bilden. Am Rahmen 5 des Kalanders 1 sind
um die Gelenke 6 schwenkend gelagerte Trag- und Belastungsarme 7 befestigt,
auf welche die Unterwalze 2 drehend über ihre
an den beiden Enden befindlichen Achsen mittels der Lagergehäuse 4 gestützt
ist. Die Unterwalze 2 kann auf die Trag- und Belastungsarme 7 gestützt
zum Schließen und Öffnen des Nips 1 sowie
zum Belasten der Unterwalze 2 gegen die sich oberhalb von
ihr befindlichen Oberwalze 3 bewegt werden. Die Oberwalze 3 ist
drehend über ihre sich an den beiden Enden befindlichen
Achsen mittels der Lagergehäuse 8 steif auf die am
Rahmen 5 befestigten Tragelemente 9 gestützt.
Während des Betriebes des Kalanders 1 sind die
Unter- und Oberwalze in Nipberührung, wobei die zwischen
den Nip N1 geführte Faserbahn kalandriert wird. Am Rahmen 5 des
Kalanders 1 sind hydraulische Stellantriebe 10 befestigt,
mit deren Hilfe die Unterwalze 2 gelehnt auf die Trag-
und Belastungsarme 7 gestützt und bewegt wird.
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Als
hydraulischer Stellantrieb kann ein Hydraulikzylinder 10 eingesetzt
werden. Der hydraulische Stellantrieb kann das Lagergehäuse
oder zum Beispiel den die Walze tragenden und belastenden Trag-
und Belastungsarm beeinflussen. In 1 beeinflusst
der Kolbenarm 11 des Zylinders 10 das Lagergehäuse 4 und kann
an dem Trag- und Belastungsarm 7 oder an dem Lagergehäuse 4 so
befestigt sein, dass die Bewegung des Trag- und Belastungsarmes 7 ermöglicht
wird. Die sich auf die Unterwalze 2 richtende Belastung
kann durch Ändern des Druckes p der sich im Zylinderteil 12 befindlichen
Hydraulikflüssigkeit eingestellt werden. Die beiden Hydraulikzylinder 10 können
an einem eigenen gesonderten Hydraulikkreis angeschlossen sein, wobei
die Belastung der Zylinder 10 unabhängig voneinander
eingestellt werden kann.
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Falls
während des Kalanderbetriebes 1 die Drehfrequenz
oder ihr Mehrfaches einer der beiden Walzen die Eigenfrequenz des
Kalanders 1 oder ihre Nähe trifft, entstehen schädliche
Schwingungen. Um die Schwingungen an der kritischen Stelle des Nips
N1 zu begrenzen, wo die Schwingungen am Häufigsten das Verarbeiten
der Faserbahn beeinträchtigen, wird die Schwingungsform
geringer geändert. Dabei dürfen im Stützpunkt
der an dem Nip teilnehmenden Walze im Lagergehäuse weiter
Schwingungen auftreten. Bevorzugt kann die Lagerstützung
der am Nip N1 teilnehmenden Walze elastischer geändert
werden. Eine elastische Lagerstützung kann durch Einbringen
eines elastischen Materials, wie zum Beispiel Gummi oder Polymermaterial,
in Verbindung mit der Stützung realisiert werden. Mit einer
elastischen Stützung kann Bewegungsenergie und Schwingungen
absorbiert werden.
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In 2 wird
schematisch der Kalander 1 und die Oberwalze 3 gemäß der 1 als
Schwingungssystem dargestellt, bei dem die bei der Geschwindigkeit Ẋ vibrierende
Masse 3,m mit Hilfe einer äußeren Kraft F
beeinflusst wird. In 2 ist die Richtung der äußeren
Kraft F nach unten und die Richtung der Geschwindigkeit Ẋ ist
nach oben. Zur Dämpfung der Schwingung wird die äußere
Kraft F in eine in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit Ẋ entgegengesetzte
Richtung erzeugt. In dem Schwingungssystem 1 weisen die
Stützungen 3' der Masse m eine Federkonstante
k und eine Dämpfung c auf. Die innere Dämpfungskraft
FC des Schwingungssystems ist ein Produkt
der Dämpfung c und der Bewegungsgeschwindigkeit Ẋ des
Systems gemäß der folgenden Gleichung: FC = c·Ẋ (1)
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Mit
Hilfe des Schwingungssystems der 2 wird der
Kalanderaufbau 1 gemäß der 1 veranschaulicht,
in welchem die sich auf der Drehfrequenz f1 drehende
Walze 3 an ihre beiden Enden mit einer elastischen Stützung 3' gestützt
wird. Die elastische Stützung 3' umfasst zum Beispiel
eine Stützung der Achse der Walze 3 mittels des
Lagergehäuses 8 auf den Rahmen 5, 9 des
Kalanders 1. Die elastische Stützung 3' weist im
Beispiel der 2 eine Federkonstante k und
eine Dämpfung c auf, und die Walze weist eine vibrierende Masse
m auf. Die an den verschiedenen Enden der Walze 3 befindlichen
elastischen Stützungen müssen nicht unbedingt
gleich sein, sondern die Stützungen können eine
andere Federkonstante k und/oder Dämpfung c haben.
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In 3 werden
schematisch Querschnitte der Nipwalzen im Kalander 1 gemäß der 1 und
beispielsweise die Geometrie 3a des Querschnittes der Walze 3 dargestellt.
Die Walze 3 des Kalanders 1 und ihre unterseitige
Walze 2 bilden zwischen sich einen Nip N1. Die Walze 3 ist
von ihrem kreisartigen Profil 3a am Umfang wellenartig.
Beim Drehen der Walze 3, variiert die durch die Walze 3 auf
den Nip N1 (in der Richtung θ = 180°) gerichtete
Presswirkung, weil der Wert des Radius der Walze 3 in die
Richtung des Nips N1 abhängig von dem Phasenwinkel θ der
Drehung der Walze 3 variiert. Im Phasenwinkel θ =
180° der Walze 3 ist der Radius der Walze 2 in
Richtung Nip N1 r. In dem Beispiel gemäß der 3 wird
während einer Drehung der Walze 3 der Wert des
Radius r der Walze vom Zunehmenden zum Abnehmenden siebenmal gewechselt,
wobei im Nip 1 beruhend auf dem kreisartigen Profil 3' der
Walze 3 eine siebenfache Schwingungsfrequenz f im Vergleich
mit der Drehfrequenz f1 entstehen kann.
Die Walze 3 kann zum Beispiel ein 44 Wellen aufweisendes kreisartiges
Profil 3a aufweisen, wobei beim Betreiben des Prozesses
mit einer Geschwindigkeit von 1200 m/min (20 m/s) mittels einer
Walze 3 mit einem 700 mm Durchmesser, die Drehfrequenz
f1 der Walze 9 Hz wird und die Schwingungsfrequenz
f kann 44 mal 9 Hz, also ca. 400 Hz werden. Selbstverständlich
beeinflussen auch andere Größen die Schwingungsfrequenz
des Nips, wie auch das kreisartige Profil der anderen Nipwalze 2 und
die im Nip zu kalandrierende Bahn W. Typischerweise wird die Schwingung
im Nip N1 in einem gewissen Bereich synchronisiert, was ihrerseits
auf die Umformung der sogenannten weichen Beläge der Walzen
zurückzuführen ist. Entsprechend kann Schwingung
und die Synchronisierung der Schwingung auch in Vibrationssystemen
vorkommen, die durch mehr als zwei Walzen gebildet werden, aber
zur Vereinfachung der Darstellung wird hier als Beispiel ein Kalander
mit zwei Walzen verwendet.
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Die
in einem gewissen Punkt des Aufbaus erzielte Dämpfungsleistung
P hat ihren Höhepunkt erreicht, wenn in diesem Punkt das
Produkt der Geschwindigkeit der Schwingungsbewegung Ẋ und
der äußeren Dämpfungskraft F das Minimum
erreicht, P = die durch die Dämpfungskraft F geleistete
Arbeit/Periode F, T = die Dauer der Periode:
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Die
Dämpfungskraft P wird durch eine maximale äußere
Dämpfungskraft F nicht maximiert, sondern eine zu große
Dämpfungskraft begrenzt die Bewegungsamplitude. Die Dämpfungskraft
F weist also ein gewisses Optimum zur Herstellung der größten
Dämpfungskraft P des Schwingungssystems auf.
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Die
dämpfende äußere Kraft F wird als Funktion
der Zeit F(t) zugeführt. Beim Dämpfen einer sich
drehenden Walze 3 ist die zuzuführende äußere
Kraft F die Funktion der Schwingungsfrequenz f und des Phasenwinkels θ: F = F(t) = F(f, θ) (3)
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Die
Schwingungsfrequenz f wird durch ein schädliches Schwingen
beim Betreiben des Kalanders erkannt. Die Schwingungsfrequenz f
kann an einer sich drehenden Walze 3 gemessen werden, zum
Beispiel mit Hilfe eines am Lagergehäuse 8 der
Walze 3 befestigten Beschleunigungsgebers 15.
Die schädliche Schwingungsfrequenz f ist zum Beispiel als
Barring-Frequenz bekannt. Der Phasenwinkel θ des Drehens
der Walze kann mit Hilfe von einem mit der Achse der Walze 3 verbundenen
zum Festlegen des Phasenwinkels geeigneten Phasenwinkelgebers 16,
wie mit Hilfe eines Pulsgebers, gemessen werden.
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Wenn
die dämpfende Leistung P maximiert werden soll, wird die
Amplitude und der Phasenwinkel der äußeren Dämpfungskraft
so geregelt, dass die vorher erwähnte Dämpfungsleistung
maximiert wird (Termin P Minimum).
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Die äußere
Dämpfungskraft des Kalanders 1 wird aktiv erzeugt.
Die Bewegungsamplitude des Stützpunktes der Walze 3 wird
gemessen und die Dämpfungskraft F wird so geregelt, dass
die Dämpfungsleistung P ihr Maximum erreicht.
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Die äußere
Dämpfungskraft F wird im Stützpunkt der Walze 3 wie
im Lagergehäuse 8 mit Hilfe eines Stellantriebes
erzeugt, welcher imstande ist, bedeutende Kraft-Amplituden auf den
Schwingungsfrequenzen f des Nips N1 zu erzeugen. Der Schwingungsfrequenzbereich
des Nips ist in der Höhe von 100–1000 Hz. Die Schwingung
des Nips N1 wird aktiv mit Hilfe einer die äußere
Kraft F erzeugenden Vorrichtung beeinflusst, womit Schwingungsenergie
aus dem Schwingungssystem angesaugt wird. Als eine die aktiv äußere
Kraft F erzeugende Vorrichtung kann das Hydrauliksystem 19, 19' eingesetzt
werden, welche einen hydraulischen Stellantrieb 10, wie
einen Hydraulikzylinder 10 und einen hydraulischen Pulsgenerator 21,
aufweist, welcher eine sich drehende Spindel 29 aufweist.
Mit Hilfe eines hydraulischen Pulsgenerators 21 kann die
Frequenz und die Amplitude einer durch den Hydraulikzylinder 10 erzeugten
Kraft F geändert werden.
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Im
Folgenden werden anhand der 4 und 5 Dämpfungsarten
der Nipschwingung im Kalander 1 gemäß einigen
Ausführungsformen mit Hilfe der rückgeschalteten
Hydrauliksystemen 19 (5) und 19' (6)
veranschaulicht.
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In
den Dämpfungsvorrichtungen der Nipschwingung wird die Kraft
F mit der Kraftmessung 17 gemessen, welche auf der Messung
des Druckes im Zylinder 10 (zum Beispiel im Zylinderteil 12)
oder auf der Messung der Kraft (zum Beispiel zwischen dem Kolben 11 und
dem Lagergehäuse 4) beruhen kann, oder Ausdehnungen
des Stützaufbauten (zum Beispiel Ausdehnungen des Trag-
und Belastungsarmes 7) gemessen.
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In
den Dämpfungsvorrichtungen der Nipschwingung wird die Bewegungsgeschwindigkeit Ẋ des
Stützpunktes der Walze 2 gemessen, um die Dämpfungsleistung
P im Nip N1 zu messen. Die Geschwindigkeit Ẋ der Schwingungsbewegung
im Schwingungssystem wird mit Hilfe eines Beschleunigungsgebers 13 gemessen,
als welcher zum Beispiel ein industrieller Beschleunigungsgeber
eingesetzt werden kann. Der Beschleunigungsgeber 13 kann
zum Beispiel am Lagergehäuse 4 der Walze 2 befestigt
sein. Die absolute Genauigkeit des Beschleunigungsgebers 13 ist
vom Standpunkt der Ausführung aus betrachtet nicht relevant,
weil vom Standpunkt der Einstellung aus die maximale Dämpfung
unabhängig von der Kalibrierung des Beschleunigungsgebers 13 gesucht
wird.
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Der
Phasenwinkel θ und die Drehung der Walze 2 und
die Drehfrequenz f1 werden mit Hilfe eines
mit der Achse der Walze 2 verbundenen Pulsgebers 14 gemessen.
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Die
mit Hilfe der Kraftmessung 17 erhaltenen Messangaben über
die Kraft F und die Messangaben des Beschleunigungsgebers über
die Bewegungsgeschwindigkeit Ẋ der Schwingung werden im
Multiplikator 18 multipliziert und über die Periodendauer
integriert, wobei das Ergebnis die Rückschaltung y(t) daraus
ist, wie die mit Hilfe des hydraulischen Stellantriebes 10, 21 zugeführte
Dämpfungsleistung gewirkt hat.
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Die
Steuerung u(t) ist die Belastungseinstellung des Kalanders/Nips,
welcher mit einer langsamen Geschwindigkeit arbeitet.
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Die
Dämpfungseinstellung kann durch Berechnung des Mittelwertes
der Mehrfachkomponenten der Drehfrequenz f1 der
Walze aus den Messungssignalen ausgeführt werden, bis deren
Schwankung ausreichend gering ist. Dieses Verfahren ist unter der
Bezeichnung STA (syncronized time averaging) bekannt. Die Dämpfungseinstellung
weist zwei Parameter auf, einen Phasenwinkel der Kompensierungskraft
und eine Amplitude. Die Einstellung kann mit Hilfe eines üblichen
Optimierungsalgorithmus ausgeführt werden, z. B. mit Hilfe
der Iteration von Newton oder des Gradientsuchalgorithmus. Beim
Verwenden der Iteration von Newton wird in dem momentanen Funktionspunkt
eine Änderung durchgeführt und mit Hilfe der Änderung
des Widerstandes wird die Größe des folgenden Änderungsschrittes
festgelegt.
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Bei
dem Dämpfungseinstellverfahren wird der Phasenwinkel der äußeren
Kompensierungskraft F so eingestellt, dass das Maximum für
die Dämpfungsleistung gesucht oder die Dämpfungsleistung
maximiert wird. Dabei kann die Kraft F auf die Steifheit der Stütze
reduzierend wirken, wobei der größere Teil der
Bewegungsenergie in den zu dämpfenden Punkt übertragen
wird. Die Amplitude der Dämpfungskraft wird erhöht, bis
die Dämpfungsleistung ihr Maximum erzielt.
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Beim
Einsetzen eines hydraulischen Pulsgenerators 21 kann nur
eine Frequenzkomponente auf einmal eingestellt werden. Diese Komponente
kann zum Beispiel gemäß der größten
Komponente des Schwingungsspektrums gewählt werden. Die
sich drehende Spindel 29 wird zum Beispiel mit Hilfe eines
Servomotors M synchron mit der Drehung der Walze eingestellt und
der Phasenwinkel wird mit Hilfe der Optimierung wie oben beschrieben
eingestellt.
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Beim
Einsetzen eines elektrischen Stellantriebes, wie eines Piezostellantriebes 24,
gemäß der 5 kann mit
Hilfe der Dämpfungseinstellung die Steuerung der rückgeschalteten
Einstelllupe auf mehrere Frequenzkomponenten auf einmal realisiert
werden. Dabei werden in der Steuerungsschleife mehrere Optimierungsschleifen
auf einmal ausgeführt. Die Schleifen können voneinander
unabhängig sein, da verschiedene Frequenzen unabhängig
voneinander wirken.
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In 4 und 5 wird
der Druckwiderstand des bei der Walzenstützung eingesetzten
Hydraulikzylinders 10 mit Hilfe des hydraulischen Pulsgenerators 21 erhöht.
Zu dem Hydraulikzylinder 10 führt aus der regulierbaren Druckquelle 20 eine
erste Drucklinie 20'. Ein hydraulischer Pulsgenerator 21 wird
in 6 und 7 dargestellt. Der druckseitige
Eingang 25 des Pulsgenerators 21 ist mittels der
zweiten Drucklinie 21' mit der ersten Drucklinie 20' verbunden.
Von dem Pulsgenerator 21 aus führt über
den Ausgang 26 eine Tanklinie 23' in den Tank 23.
Die Tanklinie 23' ist mit einer Drossel 22 ausgestattet,
mit deren Hilfe die Drosselung der Strömung in der Tanklinie 23' geändert
werden kann. Mit Hilfe des Pulsgenerators 21 können
Druckwiderstände von mehreren hunderten Hz erreicht werden.
Der Durchfluss des Pulsgenerators 21 kann gering vorgesehen
werden und er reduziert den Druck in der ersten Drucklinie 20' nicht.
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In 5 weist
das rückgeschaltete Hydrauliksystem 19' (im Unterschied
zu dem Hydrauliksystem 19 in 4) zusätzlich
zum hydraulischen Pulsgenerator 21 einen Piezostellantrieb 24 auf,
womit der Druckwiderstand des Hydraulikzylinders 10 zusätzlich
zum hydraulischen Pulsgenerator 21 erhöht werden
kann. Der Piezostellantrieb 24 kann eine Schwankung der
Kraft auf der Frequenz von mehreren hunderten Hz erzeugen. Mit Hilfe
des Piezostellantriebes 24 können die Frequenz
und die Amplitude der durch den Hydraulikzylinder 10 erzeugten
Kraft F geändert werden.
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Der
Piezostellantrieb 24 kann in den Hydraulikzylinder 10 integriert
werden. Das Integrieren des Piezostellantriebs in den Hydraulikzylinder 10 kann
das Dämpfen der hydraulischen Pulse in dem Hydraulikflüssigkeitskanalsystem
reduzieren. In 5 weist der Hydraulikzylinder 10 einen
sich unter Druck p befindlichen Zylinderteil 12 und eine
von dem Zylinderteil 12 mit einer elastischen drucksensiblen
Wand 12'' getrennte Druckkammer 12' auf. Die Druckkammer 12' ist
in Druckverbindung zusammen mit dem Piezostellantrieb 24 mit
einem dritten Druckrohr 24' angeordnet. Im Normalzustand
wird der Piezostellantrieb 24 vorgesehen, passiv unter
der Pressspannung so zu sein, dass in der Druckkammer 12' der
Druck p der Hydraulikflüssigkeit herrscht. Der Einsatz
des Piezostellantriebs in Verbindung mit dem Hydraulikzylinder 10 kann
eine einfache mechanische Schaltung zur Realisierung der aktiven
Dämpfung der Walzenschwingungen bieten.
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Der
Frequenzbereich der Dämpfungskraft eines gewöhnlichen
bei der Walzenstützung eingesetzten Hydraulikzylinders
erstreckt sich zirka bis auf 50 Hertz ohne den Pulsgenerator 21.
Das in den 4 und 5 dargestellte
Hydrauliksystem ausgestattet mit einem Pulsgenerator 21 ist
für die Dämpfung der Schwingungen des Nips N1
auf dem Frequenzbereich 100–1000 Hz vorgesehen.
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In 6 und 7 wird
ein hydraulischer Pulsgenerator 21 dargestellt, welcher
mit der bei der Walzenstützung einsetzbaren, mit dem Druck
p des Hydraulikzylinders funktionierenden Drucklinie 21 verbunden werden
kann. Der Pulsgenerator 21 weist bevorzugt eine zu rotierende
Ventilspindel 26 auf, die beim Drehen die Ventilausgänge 26 öffnet
und schließt. Der Pulsgenerator 21 weist einen
Eingang 25 für die aus der Drucklinie 21' auslaufende
Hydraulikflüssigkeit und bevorzugt mehrere Ausgänge 26 für
die in den Tanklinie 23' einlaufende Hydraulikflüssigkeit
auf. Von dem Eingang 25 aus wird die Hydraulikflüssigkeit über
die Verteilerkammer 27 in die Ventilkammer 28 geleitet,
in der sich die zu drehende Spindel 29 befindet, mit deren
Hilfe die Ausgänge 26 abwechselnd geöffnet
und geschlossen werden. Die zu drehende Spindel 29 weist
eine Drehachse 29' auf, mit welcher der Motor M verbunden
ist, zum Beispiel der Servomotor. In 7 wird der
Pulsgenerator 21 geschnitten in der Längsrichtung
dargestellt, und in 6 wird ein Querschnitt des Pulsgenerators 21 an
der Stelle der zu drehenden Spindel 29 und von der Richtung
des Einganges 25 aus betrachtet dargestellt.
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In 7 weist
der Pulsgenerator 21 einen ersten Teil 21a auf,
der einen Eingang 25 aufweist, der mit der Verteilerkammer 27 verbunden
wird. Der Pulsgenerator 21 weist einen an dem ersten Teil 21a druckdicht befestigten
zweiten Teil 21b auf, in dem für die zu drehende
Spindel 29 eine gehäuseartige Ventilkammer 28 vorgesehen
ist, welche bevorzugt den zweiten Teil 21b durchdringt.
Aus der Ventilkammer 28 gibt es eine Flussverbindung zu
den Ausgängen 26. Die Ventilkammer 28 ist
offen in Richtung Verteilerkammer 27, aus der die Hydraulikflüssigkeit
in die sich auf der Außenkante der Spindel 29 befindlichen
zwischen den Erhöhungen 29b befindlichen Niederungen 29a gelangt.
Der Rahmen des sich drehenden Ventils wird durch den dritten Teil 21c des
Pulsgenerators 21 gebildet, gegenüber welchem
sich die rotierende Spindel 29 dreht und an welchem der
zweite Teil 21b druckdicht befestigt ist. Der dritte Teil 21c weist
mehrere Ausgänge 26 auf. Hydraulikflüssigkeit
wird aus der Ventilkammer 28 in die Ausgänge 26 abgeführt,
wenn sich die Niederungen 29a der Spindel 29 während
der Drehbewegung der Spindel 29 an der Stelle der Ausgänge 26 befinden.
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Die
Frequenz des Pulsgenerators 21 wird durch Ändern
der Drehgeschwindigkeit der Spindel 29 geregelt und die
Druckamplitude wird durch Ändern der Drosselung 22 der
Ausgänge 26 oder der Tanklinie 23' geregelt.
Wenn die Tanklinie 23 gänzlich geschlossen ist,
beeinflusst der Pulsgenerator 21 die Druckregelung des
Hydraulikzylinders 10 nicht.
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Die
Dämpfungslösung kann auch bei anderen Kalandern
als bei den vorgeführten Kalandertypen eingesetzt werden,
zum Beispiel bei Softkalandern oder bei Mehrwalzenkalandern. Statt
der Unterwalze oder zusätzlich dazu kann die Oberwalze
mit den hydraulischen Stellantrieben belastet werden.
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Lösungen
gemäß einigen Ausführungsformen können
auch bei anderen Vorrichtungen eingesetzt werden, die sich drehende
Walzen oder durch sich drehende Walzen gebildete Nips aufweisen.
Solche Vorrichtungen sind zum Beispiel die Pressvorrichtung und
der Roller sowie der Rollenschneider in der Papiermaschine.
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Die
vorliegende Beschreibung bietet nicht-begrenzende Beispiele für
einige Ausführungsformen der Erfindung. Für einen
Fachmann ist es klar, dass sich die Erfindung jedoch nicht auf die
dargestellten Details beschränkt, sondern dass die Erfindung
auch durch andere äquivalente Weisen realisiert werden
kann.
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Einige
Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können
ohne Einsatz der anderen Merkmale genutzt werden. Die vorliegende
Beschreibung soll als solche nur als eine die Prinzipien der Erfindung
darstellende Beschreibung und nicht als die Erfindung begrenzende
Beschreibung betrachtet werden. So wird der Schutzumfang der Erfindung
nur durch die beigelegten Patentansprüche begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1275776
A1 [0006]
- - FI 117566 B [0007]
der Schwingung des Stützpunktes (4) entgegengesetzt gerichtete hydraulische Dämpfungskraft (F) zu erzeugen vorgesehen ist, und die Vorrichtung weist einen hydraulischen Pulsgenerator (21) und/oder eine piezobetriebene Hydraulikvorrichtung (24) auf, deren Druckseite (25) in Druckverbindung mit dem sich unter Druck befindlichen Zylinderteil (12,p) oder mit der Drucklinie (20*,p) des hydraulischen Stellantriebes (10) ist, um die Frequenz der äußere hydraulisch erzeugten Dämpfungskraft (F) zum Wirken in der in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit 
entgegengesetzten Phase einzustellen. Es ist auch ein Verfahren zur Steuerung der Fahrbarkeit des Nips (N1) beschrieben.
