DE102013206640A1

DE102013206640A1 - Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen an den Walzen eines Kalanders

Info

Publication number: DE102013206640A1
Application number: DE201310206640
Authority: DE
Inventors: Jani Hakola
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-10-24
Also published as: CN103375529A; CN103375529B; FI123495B; FI20125444A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen an den Walzen eines Kalanders. Die Walzen sind in Körperkonstruktionen mittels Stützhebeln (5) direkt oder indirekt an deren Achsen (32, 42) gestützt, wobei die Stützhebel mit Hydraulikzylindern (6) entlastet oder belastet sind, wenn jeder Hydraulikzylinder mittels einer Stützachse (15) mit dem Stützhebel verbunden ist. An einem Aufhängungspunkt der Walzen ist ein die Achse (32, 42) der Walze oder die Stützachse (15) des Stützhebels an der Walze umgebender Raum (19a; 38; 47) für ein hydraulisches Medium angeordnet. Als Stellantrieb (17; 30; 40) dient ein magnetostriktiver oder piezoelektrischer Stellantrieb, der in der Weise in einer Stützkonstruktion für die Walze positioniert ist, dass dieser eine die Schwingungen dämpfende Belastungskraft für das am Aufhängungspunkt vorhandene hydraulische Medium erzeugt.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen an den Walzen eines Kalanders, wobei die Walzen in Körperkonstruktionen mittels Stützhebeln direkt oder indirekt an deren Achsen gestützt und die Stützhebel mit Hydraulikzylindern entlastet oder belastet sind, während jeder Hydraulikzylinder mittels einer Stützachse mit dem Stützhebel verbunden ist.
In Kalandern ist das Auftreten eines so genannten Barring-Phänomens allgemein bekannt, wobei die Schwingung eines Kalanderwalzenspalts die Oberfläche der Walzen pfefferkuchenartig verformt und die Walzen vorzeitig geschliffen werden müssen. Es wurden Versuche unternommen, Schwingungen strukturell mit einem neuen Beschichtungsmaterial sowie mit verschiedenen passiven Dämpfern zu verhindern. Techniken sind jedoch Grenzen gesetzt. Der größte Freiraum für die Umsetzung würde mit aktiven Dämpfern erreicht werden, in denen die Schwingung mit einem aktiven, Kraft erzeugenden Element gedämpft wird. Es gibt mehrere mögliche Regelungsstrategien zum Verhindern der Schwingung. In der Praxis ist eine Umsetzung sehr schwierig, da die Kraft in der Konstruktion in Elementen erzeugt werden muss, welche die Konstruktion belasten und stützen. An diesen Stellen verwendete, typischerweise hydraulische Stellantriebe vermögen hohe Kräfte und große Bewegungen zu erzeugen, bei einer Schwingungsdämpfung benötigte hochfrequenzige Kräfte können aber mit diesen nicht erzeugt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lösung zustande zu bringen, mit der aktive Regelkräfte zum Abstützen einer Walze im Kalander erzielt werden.
Um diese Aufgabe zu lösen, ist es für eine Anordnung nach der Erfindung charakteristisch, dass an einem Aufhängungspunkt der Walzen ein die Achse der Walze oder die Stützachse des Stützhebels an der Walze umgebender Raum für ein hydraulisches Medium angeordnet ist und als Stellantrieb ein magnetostriktiver oder piezoelektrischer Stellantrieb dient, der in einer Stützkonstruktion für die Walze in der Weise positioniert ist, dass dieser eine die Schwingungen dämpfende Belastungskraft für das am Aufhängungspunkt vorhandene hydraulische Medium erzeugt.
Nachstehend wird die Erfindung unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erklärt, wobei
1 schematisch ein Beispiel eines Mehrwalzenkalanders nach dem Stand der Technik darstellt,
2 ein Beispiel für eine Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung als schematisches Prinzipbild darstellt,
3 ein zweites Beispiel für eine Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung als schematisches Prinzipbild darstellt, und
4 ein weiteres Beispiel für eine Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung als schematisches Prinzipbild darstellt.
In 1 ist als schematisches Beispiel ein Mehrwalzenkalander 1 nach dem Stand der Technik dargestellt, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, ohne jedoch die Erfindung nur auf einen derartigen Kalander zu begrenzen. Zum Kalander gehört ein Körper 2, an dem mehrere Walzen montiert sind, zu dem eine obere Walze 3, eine untere Walze 3' und mehrere zwischen diesen befindliche Walzen 4...4' sowie Umkehrwalzen 10 zum Leiten des Laufs einer Bahn gehören. Die obere Walze 3 und eine oberste Zwischenwalze 4 bilden einen ersten Walzenspalt N1, durch den die Faserbahn W zuerst über eine Ausbreitwalze 13 und eine erste Umkehrwalze 10 und danach zwischen den von den anderen Zwischenwalzen gebildeten Walzenspalten hindurch und zum Schluss zwischen dem von einer untersten Zwischenwalze 4' und der unteren Walze 3' gebildeten Walzenspalt N hindurch vom Walzenstapel weg geführt wird. Die obere Walze 3 ist in Lagerbuchsen 12 montiert, die mit dem Körper verbunden sind. Die untere Walze 3' ist in Lagerbuchsen 12' montiert, die mit Lastarmen 11 im Körper 2 aufgehängt sind, wobei die Lastarme mit Belastungszylindern 9 verbunden sind. Die Belastungszylinder 9 werden zum Belasten des ganzen Walzenstapels sowie zum Öffnen der Walzenspalte verwendet. Die Zwischenwalzen 4, 4' sind in Lagerbuchsen 8, 8' montiert, die mit Stützarmen 5 im Rumpf 2 aufgehängt sind, wobei die Stützarme mit Entlastungszylindern 6 ausrüstet sind, die mit dem einen Ende mit dem Rumpf 2 und mit dem anderen Ende mittels eines Ösenteils 7 einer Kolbenstange mit den Stützachsen für die Stützarme 5 verbunden sind. Die Entlastungszylinder können zum Beispiel hydraulisch oder pneumatisch sein. Die an der Stelle der Zwischenwalzen 4' für die Bahn W vorhandenen Lagerbuchsen 14 der äußeren Umkehrwalzen 10' sind mit der entsprechenden Lagerbuchse 8' der Zwischenwalze 4 verbunden. Die inneren Umkehrwalzen 10'' sind in Stützarmen 5 gelagert.
In 2 ist eine Anordnung nach der Erfindung zum Beispiel zum Dämpfen von Schwingungen an den Walzen des Kalanders nach 1 dargestellt. Die Anordnung ist im Zusammenhang mit einer Stützachse 15 umgesetzt, die sich durch das am Ende der Kolbenstange des die Stützarme 5 entlastenden Hydraulikzylinders 6 befindliche Ösenteil 7 hindurch bewegt. An der Innenseite der Stützachse 15 ist eine Bohrung 16 gebildet, in der ein magnetostriktiver oder piezoelektrischer Stellantrieb 17 positioniert ist. Die Stützachse 15 ist am Stützarm 5 in der Weise angeordnet, dass sich zwischen der Außenfläche der Stützachse und einem am Stützarm gebildeten Durchgangsloch ein Kammerraum 19 bildet, der mit Dichtungselementen 18 in Umfangsrichtung der Stützachse geschlossen ist. Der so gebildete Raum wird in Richtung der auf die Stützachse gerichteten Belastung in ein oberes und ein unteres Teil geteilt und die Teile werden mit Dichtungselementen (nicht dargestellt) in Längsrichtung der Stützachse voneinander getrennt. In das untere Teil 19a in Hinsicht auf die Belastung wird ein hydraulisches Medium geleitet. Hierbei befindet sich das Medium in einem geschlossenen Volumen, und zum Beaufschlagen desselben wird der schnelle Stellantrieb 17 angetrieben, wie zum Beispiel ein Piezoplattenstapel, in dem mehrere ca. 100 μm dicke keramische piezoelektrische Platten aufeinander und zwischen den Platten gesinterte Elektroden vorhanden sind. Die Position der Stützachse wird im Verhältnis zum Stützhebel gemessen und der Piezoplattenstapel in der Weise gesteuert, dass dieser das hydraulische Medium beaufschlagt, das die Achse weiter vor sich herschiebt, bis die Achse in Hinsicht auf das Durchgangsloch des Stützhebels sich in einer neutralen Position befindet. Mit dieser Anordnung können mit einer sehr hohen Frequenz schwingungsdämpfende Kräfte erzeugt werden, die sich auf die Stützachse übertragen. Der Piezoplattenstapel und das hydraulische Medium bilden eine gewünschte Verschiebung für die hydraulische Übertragung. Die in der Schwingung benötigten Kräfte und Verschiebungen sind verhältnismäßig gering, wenn nur mit der Dämpfung der Schwingungen vor einer zu großen Entfaltung der Schwingungen begonnen wird. Der Piezoplattenstapel kann zum Dämpfen der Schwingungen gesteuert werden, zum Beispiel in einer Art und Weise gemäß den Beschleunigungs-, Positions- oder Kraftsensoren.
Die Anordnung nach der Erfindung kann nach einem Beispiel für eine Ausführungsform nach 3 auch in der Weise umgesetzt werden, dass der Stellantrieb 30 mit einem Nabenteil 31 ausgerüstet wird, in dem die die Walze belastende und/oder stützende Achse 32 angeordnet ist, um mit einem leichten Spiel zu laufen, zum Beispiel ca. 0,05 bis 0,1 mm. In der Nabe wurde eine Bohrung 37 in der Richtung der die Achse belastenden Kraft F geschaffen und aus der Bohrung wird das hydraulische Medium in den Raum 38 zwischen der Außenfläche der Achse 32 und der Innenfläche der Nabe 31 geleitet, und eine Zusatzbohrung 35 befindet sich in Hinsicht auf die Bohrung auf der anderen Seite der Nabe, von wo das hydraulische Medium aus dem genannten Raum hinausfließen kann. Das um die Achse 32 fließende Medium hebt die Achse in Hinsicht auf die Nabe 31 in eine Schwebeposition, wodurch die Konstruktion als hydrostatisches Lager dient. In einem Zuführkanal 37 für das hydraulische Medium ist eine konische Stutzenfläche gebildet, gegen die eine einen Kegelkopf 34 aufweisende Spindel 33 eingesetzt ist, mit deren Bewegung der Zuführkanal für das Medium gedrosselt werden kann. Die Spindel 33 ist in der Weise eingesetzt, dass die Länge des Kanals zwischen Spindel und Achse 32 möglichst kurz ist. Die Spindel wird bevorzugt mit dem Piezostellantrieb 39 bewegt, mit dem sogar bis zu einer Frequenz von 1.000 Hz reichende Bewegungen erzeugt werden können. An der Spindel ist eine Feder 40 angeordnet, um für die Spindel eine Rückkraft zu erzeugen. Außerdem wird die Spindel von Strömungskräften getragen. Ist das Spiel zwischen Achse und Nabe gering, ist auch die Strömung des Mediums gering. Wenn dazu außerdem das Volumen des Ölkanals gering ist, können mit einer sehr kleinen Bewegung der Spindel hohe Druckschwankungen in der hydrostatischen Lagerung erzeugt werden. Mit einem Stellantrieb nach der Erfindung können bei der Schwingungsdämpfung benötigte hochfrequenzige Steuerkräfte erzeugt sowie auch hohe Belastungen ertragen werden. Der Stellantrieb kann auch leicht in vorhandenen Konstruktionen verwirklicht werden.
Das strömende Medium verursacht auch eine passive Dämpfung, die durch eine der Bewegung widerstehende Wirkung der Viskosität von Flüssigkeit entsteht. Das Verfahren ist unter dem Namen SFD (squeeze film damper) bekannt. SFD enthält jedoch normalerweise kein aktives Teil. Die Eigenschaften von SFD lassen sich durch die Wahl eines von der Viskosität her passenden Öls steuern, auf dessen Viskosität außerdem durch Einstellung der Strömungstemperatur eingewirkt werden kann. Auf eine Stützsteifheit der Achse kann außerdem durch Veränderung der Achsposition vom Mittelpunkt des Spiels zu den Rändern hin eingewirkt werden. Hierbei verändert sich beim Bewegen der Achse der Strömungswiderstand des fließenden Mediums und die hydraulische Stützsteifheit ändert sich. Eine Aufhängungsanordnung lässt sich somit auch für eine so genannte adaptive passive Dämpfung verwenden.
In 4 ist noch eine alternative Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Hier wird in der Lagerbuchse der Walze, zum Beispiel um ein Wälzlager 46 oder im Fall einer durchbiegungskompensierten Walze um ein Gelenklager ein Spalt 48 gebildet, indem die die Walze belastende Achse 42 samt Lagerelement 46 angeordnet wird, um mit einem leichten Spiel in der Lagerbuchse 41 zu laufen. Der gebildete Spalt 48 wird in Richtung der Walzenspaltkraft F in einen oberen und einen unteren Teil geteilt und die Teile werden mit den Dichtungselementen 45 in Längsrichtung der Achse voneinander getrennt. In das untere Kammerteil 47 hinsichtlich der Belastung wird ein hydraulisches Medium geleitet. Hierbei befindet sich das Medium in einem geschlossenen Volumen und durch Beaufschlagen desselben wird der schnelle Stellantrieb 49 angetrieben, wie zum Beispiel ein Piezoplattenstapel, in dem mehrere ca. 100 μm dicke keramische piezoelektrische Platten aufeinander und zwischen den Platten gesinterte Elektroden vorhanden sind.
Die Position der Achse wird im Verhältnis zum Lagerbuchsenkörper gemessen und der Piezoplattenstapel wird in der Weise gesteuert, dass dieser mit seinem Kolbenteil 44 das hydraulische Medium beaufschlagt, das die Achse 42 weiter vor sich herschiebt, bis die Achse in Hinsicht auf die Lagerbuchse 41 sich in einer neutralen Position befindet. Mit dieser Anordnung können mit einer sehr hohen Frequenz schwingungsdämpfende Kräfte erzeugt werden, die sich auf die Achse der Walze übertragen. Der Piezoplattenstapel und das hydraulische Medium bilden eine gewünschte Verschiebung der hydraulischen Übertragung. Die in der Schwingung benötigten Kräfte und Verschiebungen sind verhältnismäßig gering, wenn nur mit der Dämpfung der Schwingungen vor einer zu großen Entfaltung der Schwingungen begonnen wird. Der Piezoplattenstapel kann zum Dämpfen der Schwingungen gesteuert werden, zum Beispiel in einer Art und Weise gemäß den Beschleunigungs-, Positions- oder Kraftsensoren.

Claims

Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen an den Walzen eines Kalanders, wobei die Walzen in Körperkonstruktionen mittels Stützhebeln (5) direkt oder indirekt an deren Achsen (32, 42) gestützt und die Stützhebel mit Hydraulikzylindern (6) entlastet oder belastet sind, wenn jeder Hydraulikzylinder mittels einer Stützachse (15) mit dem Stützhebel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – an einem Aufhängungspunkt der Walzen ein die Achse (32, 42) der Walze oder die Stützachse (15) des Stützhebels (5) an der Walze umgebender Raum (19a; 38; 47) für ein hydraulisches Medium angeordnet ist, – als Stellantrieb (17; 30; 40) ein magnetostriktiver oder piezoelektrischer Stellantrieb dient, der in der Weise in einer Stützkonstruktion für die Walze positioniert ist, dass dieser eine die Schwingungen dämpfende Belastungskraft für das am Aufhängungspunkt vorhandene hydraulische Medium erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stellantrieb (30) eine Nabe (31) aufweist, in dem die die Walze belastende und/oder stützende Achse (32) angeordnet ist, um mit einem leichten Spiel zu laufen, – in der Nabe (31) eine Bohrung (37) in der Richtung der die Achse belastenden Kraft F geschaffen ist und aus der Bohrung das hydraulische Medium in den Raum (38) zwischen der Achse (32) und der Nabe (31) geleitet wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Hinsicht auf die Bohrung (37) auf der anderen Seite der Nabe (31), von wo das hydraulische Medium aus dem genannten Raum (38) hinausfließen kann, sich eine Zusatzbohrung (35) befindet.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des fließenden Mediums mittels Temperatur regelbar angeordnet und die neutrale Position der Achse zum Regulieren der Aufhängungssteifheit regelbar angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Raum (48) um die in der Lagerbuchse (41) vorhandene Achse (42) des Lagers samt Lagerelementen (45) gebildet und diese in Richtung der die Achse (43) belastenden Kraft (F) in ein oberes und unteres Teil (47) geteilt ist, die voneinander mit einem Dichtungselement (45) getrennt sind, – das hydraulische Medium in Hinsicht auf die Belastung (F) in ein unteres Teil (47) geleitet wird, das ein geschlossenes Volumen bildet, und der genannte Stellantrieb (40) in Verbindung mit dem in dem genannten geschlossenen Raum (47) vorhandenen Medium ist, um dieses zu beaufschlagen.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Elemente zum Messen der Position der Achse (42) der Walze im Verhältnis zum Lagerbuchsenkörper und Elemente zum Steuern des Stellantriebs (40) aufweist, um das hydraulische Medium in der Weise zu beaufschlagen, dass die Achse der Walze in Hinsicht auf die Lagerbuchse (41) sich in der neutralen Position befindet.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zum Messen der Position der Achse der Walze und/oder zum Messen des Stellantriebs einen Positions- und/oder Beschleunigungs- und/oder Kraftsensor aufweisen.