-
Die Erfindung betrifft einen Sensorwalze sowie eine Verfahren zur Ermittlung der Verformung einer Walze.
-
Derzeit werden in Papiermaschinen Walzen unter anderem zum Führen bzw. Umlenken von Sieben, Filzen oder der Papierbahn eingesetzt.
-
Zur Messung der Sieb-, Filz- oder Papierbahnspannung werden in aller Regel Stahl- bzw. CFK-Walzen ohne integrierte Sensorik eingesetzt. Die Walzenlagerung ist auf Messstellen mit integriertem Sensorik positioniert.
-
Die in diesem Messsystem integrierte Sensorik nimmt die durch das Sieb-, Filz- oder die Papierbahn erzeugte Spannung (Zug) auf und gibt den Messwert an die Papiermaschinensteuerung weiter.
-
Über diesen Messwert erfolgt die Ansteuerung der teilweise separat angeordneten Spannwalze. Mittels dieser Spannwalze wird die erforderliche Spannung (Sieb-, Filz- oder Papierbahnzug) erzeugt bzw. gehalten.
-
Diese Art der Zugmessung, bzw, der Wirkung des Bahnzugs auf die Walze hat eine Vielzahl von Nachteilen.
-
Es entstehen Messabweichungen durch unterschiedliche Materialpaarungen bzw. unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten.
-
Die Mechanik des außerhalb der Walze positionierten Messsystems wird über die Laufzeit durch Verschmutzung schwergängig. Zudem sind eine regelmäßige Wartung sowie Ersatz- / Verschleißteile notwendig.
-
Zudem erfolgt die Krafteinleitung am Sensor nicht linear bzw. nicht in Normalenrichtung Die wirkenden Querkräfte können dabei im Messsensor zu Messfehlern führen.
-
Weiterhin neigen die Messsensoren in heißen Positionen zu Messabweichungen. Die Schwingsteifigkeit der Lagerung wird verringert.
-
Schließlich können bei einer Regulierwalze bzw. Spanwalze die eingebrachten Stellkräfte zu Abweichungen der Messung führen.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik ganz oder teilweise zu vermeiden.
-
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, die Erfassung der Bahnspannung in allen Positionen einer Papiermaschine zu optimieren.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine exakte und wartungsfreie Auswertung und somit die Einstellung der Bahnspannung mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu ermöglichen.
-
Diese Aufgaben werden vollständig gelöst durch eine Sensorwalze gemäß Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren zur Messung der Verformung einer Walze gemäß Anspruch 9.
-
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Sensorwalze gelöst. Die einen Walzenkern sowie zumindest eine äußere Beschichtung umfasst, wobei der Walzenkern vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere CFK gefertigt ist dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an dem Walzenkern eine, zwei oder mehrere Sensorvorrichtungen vorgesehen sind, welche dazu vorgesehen sind, eine Dehnung und/oder einen Druck zu messen.
-
Durch die Positionierung der Sensorvorrichtungen in oder an dem Walzenkern sind die Sensoren durch die äußeren Lagen der Walze geschützt.
-
Zudem besteht im Vergleich zu einer Anordnung der Sensoren in einer äußeren Lage bzw. im Walzenbezug der Vorteil, dass die Sensorvorrichtungen bei dem regelmäßig stattfindenden Abschleifen bzw. Erneuern der Walzenbezüge unbeschädigt bleiben.
-
Das derzeit eingesetzte fehleranfällige System inkl. seiner regelmäßig benötigten Ersatz- u. Verschleißteile kann gänzlich entfallen. Die fehleranfälligen Druckmesssensoren in bisherigen, externen System, können zudem entfallen.
-
Weitere, bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Sensorwalze ist der Walzenkern aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus CFK gefertigt.
-
Insbesondere kann der Walzenkern einen Rohrkörper aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus CFK, umfassen, oder daraus bestehen. Da die thermische Ausdehnung eines Faserverbund-Rohrkörpers zu vernachlässigen ist wird dadurch das Messergebnis der Sensorvorrichtungen nicht beeinflusst.
-
CFK-Messwalzen sind im Vergleich zu der derzeit eingesetzten Stahl-Messwalze wesentlich leichter und haben aufgrund der geringeren Massenträgheit ein wesentlich besseres Ansprechverhalten bei Verformung als Stahl-Messwalzen.
-
In weiteren, vorteilhaften Ausführungen kann zumindest eine, bevorzugt alle Sensorvorrichtungen einen Lichtwellenleiter umfassen, in welchem eines oder mehrere Faser-Bragg Gitter vorgesehen sind.
-
Ganz besonders vorteilhaft ist auch die Kombination eines Rohrkörpers aus Faserverbundwerkstoff und einer Sensorvorrichtung, die einen Lichtwellenleiter umfasst. Bei der Herstellung des Faser-Verbund Rohrkörpers -beispielsweise mittels Filament-Winding-Verfahren - können nämlich in den Lagenaufbau die Lichtwellenleiter mit den Messsensoren (Fiber Bragg Sensoren) integriert werden. Die Lichtwellenleiter und damit die Sensoren stellen somit keinen Fremdkörper in der Walzenstruktur dar.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich eine Sensorvorrichtung insbesondere ein Lichtwellenleiter einer Sensorvorrichtung, im wesentlichen achsenparallel über die Länge der Sensorwalze erstreckt, wobei die Sensorvorrichtung an einer oder mehreren Stellen entlang ihrer Erstreckung Dehnung und/oder Druck ermitteln kann.
-
Üblicherweise kann durch die Drehung der Walze jeder Messsensor der Sensorvorrichtung Messwerte für die Zugspannung an der Walze für jede Umfangsposition liefern.
-
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Sensorwalze, mehrere, insbesondere 2,3,4,5 oder mehr Sensorvorrichtungen umfasst, die sich zumindest im wesentlichen achsenparallel über die Länge der Sensorwalze erstrecken und an einer oder mehreren Stellen entlang ihrer Erstreckung Dehnung und/oder Druck ermitteln können.
-
Hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtungen über den Umfang des Walzenkerns gleichverteilt sind.
-
Statt einer im wesentlichen achsenparallelen Anordnung der Sensorvorrichtungen, und insbesondere der Lichtwellenleiter, sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. So können die Sensorvorrichtungen beispielsweise auch helikal angeordnet sein.
-
Vorteilhafterweise kann jeder Messpunkt, d.h. jeder Messsensor, separat ausgelesen werden und gibt die in seinem Bereich auftretende Längenveränderung wieder. Dies kann beispielsweise über eine geeignete Auswerteelektronik realisiert sein.
-
Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Sensorvorrichtungen können noch weitere Messsysteme in die Walze bzw. in die Auswerteelektronik integriert werden.
-
Diese dienen z.B. zur Messung der Temperatur, Feuchtigkeit, Drehzahl, G-Kraft und Vibrationen.
-
Die Übertragung der Signale der Auswerteelektronik an die Maschinensteuerung kann kontaktlos und verschleißfrei erfolgen.
-
Die Stromversorgung für die Auswerteelektronik erfolgt in vorteilhaften Ausführungen ebenfalls kontaktlos und verschleißfrei.
-
Die Auswerteelektronik kann mit der Sensorik über Steckverbindungen verbunden sein.
-
Die Auswerteelektronik kann stirnseitig an der Walze befestigt sein. In einer derartigen Ausführung wird die Auswerteelektronik mit der Walze mit rotieren. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteelektronik versiegelt ist, um den Umgebungsbedingungen der Walze im Einsatz, insbesondere der Feuchtigkeit und der Verschmutzung durch Bestandteile von Papier etc. widerstehen zu können. Vorteilhafterweise wird die Walze zusammen mit der Auswerteelektronik gewuchtet.
-
Die Messwalze kann in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung gleichzeitig als Spannwalze eingesetzt werden. Hierdurch kommt es z.B. zu keiner Verzögerung der Messwerte kommt und ein Aufschwingen des Systems kann dadurch vermieden werden.
-
Eine Messwalze gemäß der vorliegenden Erfindung kann, unter anderem aufgrund der großen generierbaren Datenmenge deutlich zur Potentialsteigerung einer Papiermaschine beitragen.
-
Mit Hilfe solch einer Sensorik-Walze ist es z.B. möglich alle Teilsysteme einer Papiermaschine am Maximum laufen zu lassen und somit die Produktivität zu steigern.
-
Messwalzen aus Faserverbundtechnologie für Sieb-, Filz- u. Papierspannungen in einer Papiermaschine. Zusätzlich kann dieses System auch für verformbare Walzenmäntel (NipCo) sowie für festigkeitsrelevante Laminate (Walzen / Wellen) wie beispielsweise Antriebswellen eingesetzt werden.
-
Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Sensorwalze in einer Zellstoff-, Papier-, Karton- oder Tissuemaschine ist eine bevorzugte Anwendung. Jedoch ist es auch möglich, derartige Sensorwalzen in anderen Anwendungen einzusetzen, wie z.B. in Textilmaschinen, oder in Anlagen der Kunststoffindustrie.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Verformung einer Walze, insbesondere einer Sensorwalze gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an verschiedenen Stellen der Walze, insbesondere des Walzenkerns, Dehnungs- und/oder Druckwerte ermittelt werden, und mittels dieser Werte die Verformung der Walze im laufenden Betrieb ermittelt wird.
-
Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
So kann beispielsweise vorgesehenen sein, mittels der Druck und/oder Dehnungswerte bzw. der daraus berechneten Verformungsinformation der Walze ein dreidimensionales Abbild einer deformierten Walze berechnet wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Anwendung kann die Verformung der Walze ganz oder teilweise durch den Bahnzug einer Faserstoffbahn oder einer Bespannung erfolgen. Mittels der berechneten Verformungsinformation und/oder mittels des berechneten dreidimensionalen Abbildes der deformierten Walze kann der auf die Walze wirkende Bahnzug ermittelt werden.
-
Die Messung des Bahnzugs kann hier online über Verformung direkt im tragenden CFK- Walzenkörper ermittelt werden.
-
Bei Verwendung in einer Papiermaschine liegen die auftretenden Bahnzüge üblicherweise unterhalb von 20 kN/m, häufig zwischen 1kN/m und 12 kN/m.
-
Mittels einer Software können beispielsweise die einzelnen Messpunkte der Messsensoren zu einem 3-dimensionalen Messpunktnetzwerk des Rohrkörpers zusammengefasst werden. Über die ermittelten Längenänderungen ist eine Berechnung der Gesamtverformung und somit des anliegenden Bahnzugs (z.B. Sieb-, Filz- oder Papierbahn Spannung) möglich. Diese kann an die Maschinensteuerung weitergegeben werden, wodurch eine exakte Regelung z.B. über eine Spannwalze ermöglicht wird.
-
Insbesondere kann, im Gegensatz zum Stand der Technik eine Bestimmung des Bahnzuges über die gesamte Breite der Walze erfolgen. Hierzu ist es nützlich, wenn eine ausreichend große Anzahl von Messsensoren vorgesehen ist.
-
In einer bevorzugten Ausführung kann beispielsweise eine Sensorvorrichtung mit Messsensoren vorgesehen sein, wobei die Messsensoren entlang einer in Maschinenquerrichtung verlaufenden Linie angeordnet sind (z.B. Fiber-Bragg Gitter auf einem Lichtwellenleiter, der in Maschinenquerrichtung verläuft), und wobei die Abstände der Messsensoren zueinander weniger als 2m, bevorzugt weniger als 1m, besonders bevorzugt weniger als 50cm beträgt.
-
Vorteilhafterweise können mehrere solcher Sensorvorrichtungen vorgesehen sein, die bevorzugt gleichmäßig in Umfangsrichtung um den Walzenkern herum angeordnet sind.
-
Eine größere Anzahl von Messsensoren erlaubt eine höhere Auflösung bei der Berechnung des dreidimensionalen Abbildes der Walze sowie bei der Ermittlung der Werte für den Bahnzug.
-
Die benötigte oder die optimale Anzahl von Sensorvorrichtungen und Messsensoren wird in der Regel stark von der Anwendung der Sensorwalze und der dort auf sie wirkenden Kräfte abhängen.
-
So sind bei einer Walze aus CFK im Betrieb in einer Papiermaschine die Durchbiegungen, und damit auch die gemessenen Dehnungswerte der Sensoreinheiten, durch den Bahnzug sehr klein, da diese Walzen üblicherweise auf entsprechende Biegefestigkeiten ausgelegt sind. Die Durchbiegungen liegen unterhalb von 1 mm pro Meter Walzenlänge, in der Regel sogar deutlich unterhalb von 0,5mm/m, z.B. unter 0.2 mm/m oder unter 0.15 mm/m. Die Sensorvorrichtungen sowie die Messsensoren sollten geeignet sein, derartige Verformungen zuverlässig zu ermitteln. Lichtwellenleiter mit Fiber-Bragg Gitter erfüllen diese Aufgabe beispielsweise.
-
Mittels einer Auswertesoftware können die übertragenen Signale verarbeitet und in einer Benutzeroberfläche dargestellt werden.
-
Zusätzlich kann eine Software auch die Aufzeichnung und Speicherung der übermittelten Parameter übernehmen. Somit lassen sich außergewöhnliche Ereignissen wie z.B. zu hoher Bahnzug, Temperaturschwankungen, Vibrationen außerhalb der Toleranz, Beschädigungen und Einschläge der Bahn, Abrisse etc. nachvollziehen. Die Daten können über die Lebenszeit der Walze aufgezeichnet und zusätzlich zum SHM (Structual Health Monitoring) verwendet werden.
-
Des Weiteren können diese Daten bei Servicearbeiten in den Beschichtungswerken ausgelesen werden.
-
Somit kann der Walzenzustand online verfügbar gemacht werden. Dies kann die Vernetzung der Papiermaschine im Rahmen der Industrie 4.0 unterstützen.
-
Über eine zusätzliche, an der Stirnseite der Auswerteelektronik angebrachte LED Anzeige, kann der Walzenzustand für den Maschinenbediener optisch wiedergegeben werden.
-
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren weiter erläutert.
- 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorwalze mit integrierter Sensorik.
- 2 zeigt schematisch eine Sensorwalze gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung
- 3 zeigt die schematische Darstellung einer durchgebogenen Walze, ermittelt mit einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt eine Ausführung einer Sensorwalze gemäß einem Aspekt der Erfindung. In dieser Ausführung ist ein CFK-Rohr 1 als Walzenkern vorgesehen, das mittels Filament-Winding-Verfahren oder ähnlichem hergestellt ist. Auf Grund des Wickelaufbaues ist eine Integration von Sensorvorrichtungen 2, wie z.B. Lichtwellenleitern mit Fiber Bragg Messsensoren 2 in Längs- u. oder Umfangsrichtung im Lagenaufbau möglich. Diese Sensorvorrichtungen 2 werden in den Wickelaufbau 3 integriert und durch eine Decklage 4 vor Beschädigungen geschützt. 1 zeigt dabei eine Ausführung, bei der einer Vielzahl von Sensorvorrichtungen 2 vorgesehen sind, die gleichmäßig um den Umfang des CFK-Rohrs 1 verteilt angeordnet sind. Diese Sensorvorrichtungen 2 erstrecken sich dabei im Wesentlichen achsenparallel über die gesamte Länge der Sensorwalze bzw. des CFK-Rohrs 1.
-
In das CFK- Rohr 1 sind hier Stahlböden 5 und Zapfen 6 eingesetzt und die Walzen mit einer Beschichtung 7 versehen. Eine Auswerteelektronik 8 wird mit der Sensorik über Steckverbindungen verbunden und stirnseitig an der Walze befestigt und versiegelt. Anschließend wird die Walze gewuchtet. Beim Wuchtprozess wird auch das Messsystem geeicht.
-
2 zeigt eine Ausführung einer Sensorwalze gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung. Beispielhaft ist hier weitere Sensorik angegeben, welche in einer erfindungsgemäßen Sensorwalze integriert werden kann. In der Ausführung gemäß 2 werden im Inneren des Rohres 1 noch zusätzliche Messsensoren angebracht, welche z.B. für die Messung weiterer Betriebsparameter verwendet werden.
-
3 zeigt exemplarisch ein berechnetes dreidimensionales Abbild einer deformierten Walze gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung. Die Deformationen sind in 3 stark überhöht dargestellt. Üblicherweise sind die Sensorwalzen bei Verwendung in einer Papiermaschine zwischen 2m und 11m lang, während die Durchbiegung der Walze z.B. durch einen Bahnzug unterhalb von 1 mm pro Meter Walzenlänge, in der Regel sogar deutlich unterhalb von 0,5mm/m, z.B. unter 0.2 mm/m oder unter 0.15 mm/m liegt. Dies sind üblicherweise die Festigkeitswerte, die bei der Herstellung der Walze, bzw. des CKF-Rohrs 1 zugrunde gelegt werden.
