DE102020115802A1

DE102020115802A1 - Walze

Info

Publication number: DE102020115802A1
Application number: DE102020115802.5A
Authority: DE
Inventors: Dominik Marusa; José Luiz Campos Souza; Thomas Martin
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-16
Also published as: EP4165245A1; CN115917082A; WO2021254732A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Walze zur Herstellung einer Fasermaterialbahn, insbesondere einer Papierbahn, mit einem um eine Längsachse rotierbaren rotationssymmetrischen Grundkörper, der eine Mantelfläche aufweist, an der zumindest zwei elastisch deformierbare und/oder auslenkbare ringförmige Lamellen angeordnet sind, die sich in radialer Richtung von der Mantelfläche weg erstrecken und die den Grundkörper in Umfangsrichtung umgeben, wobei die Lamellen zumindest abschnittsweise unter Bildung eines Neigungswinkels schräg zu einer senkrecht zur Längsachse der Walze ausgerichteten Mittenebene der Walze angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Walze zur Herstellung einer Fasermaterialbahn, insbesondere einer Papierbahn, mit einem um eine Längsachse rotierbaren rotationssymmetrischen Grundkörper, der eine Mantelfläche aufweist.
Bei der Papierherstellung wird eine noch feuchte Fasermaterialbahn in Richtung ihrer Längserstreckung gefördert und dabei ihr Feuchtigkeitsgehalt reduzierten. Der Trocknungsvorgang führt zu einer Verringerung des Zwischenraums zwischen den Fasern des Fasermaterials, was letztlich eine Volumenänderung der Fasermaterialbahn zur Folge hat. Insbesondere erfährt die Fasermaterialbahn bei der Trocknung sowohl eine Längenänderung in Richtung ihrer Längserstreckung als auch eine Breitenänderung in einer Richtung quer zu ihrer Längserstreckung, wobei die Querschrumpfung der Fasermaterialbahn in der Regel zumindest annähernd parallel zur Längsachse der Walze ausgerichtet ist.
Während sich die Längenänderung durch eine geeignete Anordnung mehrerer in Förderrichtung der Fasermaterialbahn angeordneter Walzen im Zusammenspiel mit einem Band mit zusammenziehbarer Oberflächenschicht gezielt beeinflussen lässt, um ein Kreppen der Papierbahn zu verhindern (siehe z.B. DE 1 003 564 B ), ist die Breitenänderung oder der Querschrumpf eher eine zufällige Folge der Längenänderung und kann nur zu einem gewissen Grad bis gar nicht kontrolliert werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Walze zu schaffen, welche eine kontrollierbare Breitenänderung der Fasermaterialbahn ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Walze mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Walze umfasst einen um eine Längsachse rotierbaren rotationssymmetrischen Grundkörper, der eine Mantelfläche aufweist, an der zumindest zwei elastisch deformierbare und/oder auslenkbare ringförmige oder spiralförmige Lamellen angeordnet sind, die sich in radialer Richtung von der Mantelfläche weg erstrecken und die den Grundkörper in Umfangsrichtung umgeben, wobei die Lamellen zumindest abschnittsweise unter Bildung eines Neigungswinkels schräg zu einer senkrecht zur Längsachse der Walze ausgerichteten Mittenebene der Walze angeordnet sind.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich eine Lamelle aufgrund ihrer elastisch deformierbaren und/oder auslenkbaren Ausbildung sowie ihrer schrägen Ausrichtung in Bezug auf die Mittenebene der Walze durch eine auf die Lamellen senkrecht zur Mantelfläche der Walze wirkende Kraft sowohl in radialer Richtung senkrecht zur Längsachse der Walze als auch in axialer Richtung parallel zur Längsachse der Walze auslenken lässt. Dabei hängt der Grad der Auslenkung der Lamellen unter anderem vom Neigungswinkel zwischen der Lamelle und der Mittenebene der Walze, von der Stärke der auf die Lamelle wirkenden Kraft und/oder der Materialeigenschaften des Lamellenmaterials ab. Die Länge der Lamellen hat einen Einfluss auf die Kraftverteilung, das heißt auf die Linienkraft der Pressung, welche somit mit der Länge angepasst werden kann. Es gilt, dass eine Lamelle umso stärker ausgelenkt wird und eine Auslenkung in axialer Richtung umso größer ist, je kleiner der Neigungswinkel zwischen der Lamelle und der Mittenebene und/oder je länger eine Lamelle und/oder je größer die auf die Lamelle wirkende Kraft ist.
Der Erfindung liegt somit der allgemeine Gedanke zugrunde, eine mit solchen ringförmigen Lamellen versehene Walze derart abschnittsweise mit einer senkrecht zur Längsachse der Walze wirkenden Kraft zu beaufschlagen (z.B. durch eine Gegenwalze), dass die Walze in Umfangsrichtung gesehen sowohl ausgelenkte als auch nicht ausgelenkte Lamellenabschnitte aufweist. Eine auf den nicht ausgelenkten Lamellenabschnitten der rotierenden Walze auflaufende Fasermaterialbahn erfährt im Bereich der Kraftbeaufschlagung aufgrund der Auslenkung der Lamellen eine Stauchung oder Streckung in axialer Richtung. Die Auslenkung der Lamellen wirkt nämlich reibungsbedingt auf das Fasermaterial. Durch eine geeignete Wahl des Neigungswinkels der Lamelle und/oder der Länge der geneigten Lamelle und/oder der auf die Lamelle wirkenden Kraft wird eine gezielte Verlagerung der Fasermaterialbahn in Richtung parallel zur Längsachse der Walze bzw. in Richtung quer zur Längserstreckung der Fasermaterialbahn erreicht, wodurch sich eine Breitenänderung der Fasermaterialbahn kontrolliert einstellen lässt.
Durch eine gezielte alternierende Stauchung der Fasermaterialbahn sowohl in Längsrichtung als auch Querrichtung lässt sich ein elastisch dehnbares Fasergefüge schaffen, welches sich gleichzeitig durch eine hohe mechanische Belastbarkeit auszeichnet. Ein derartiges Fasermaterial kann beispielsweise bei Papiersäcken zur Verpackung von Zement zur Anwendung kommen.
Bevorzugt sind die Lamellen in Umfangsrichtung geschlossen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung erstrecken sich die Lamellen spiralförmig auf der mit Lamellen versehenen Walze. Die Spiralen können sich dabei von der Mittenebene der Walze bis zu den Walzenrändern hin erstrecken. Oder die Spiralen können sich auch von der Mittenebene der Walze zu den Walzenrändern hin abschnittsweise erstrecken. Die Spiralen können eingängig oder mehrgängig schraubenförmig ausgeführt sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Eine Kraft lässt sich beispielsweise mittels einer Gegenwalze auf die Lamellen übertragen, indem die Gegenwalze und die mit Lamellen versehene Walze in radialer Richtung aufeinander zu bewegt und die Gegenwalze mit den Lamellen in Kontakt gebracht werden. Bei einer derartigen Anordnung aus Walze und Gegenwalze sind die Längsachse der Walze und eine Längsachse der Gegenwalze bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Eine leichte Abweichung von der Parallelität der Längsachsen führt zu einer in deren Richtung gesehen unterschiedliche Auslenkung der Lamellen, die in Einzelfällen gewünscht sein mag.
Die Ausrichtung der Lamellen unter einem Neigungswinkel N1 schräg zur Mittenebene der Walze bedingt die Ausprägung eines Neigungswinkels N2 relativ der Mantelfläche der Walze. Insbesondere können die Lamellen an ihrem radial inneren Enden einen von 90° abweichenden Neigungswinkel bezüglich der Mantelfläche der Walze aufweisen. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass sich die Lamellen mit einem ersten Abschnitt rechtwinklig von der Mantelfläche der Walze wegerstrecken und einen sich an den rechtwinklig wegerstreckenden ersten Abschnitt anschließenden schräg abgewinkelten zweiten Abschnitt aufweisen.
Für eine gezielte Stauchung der Fasermaterialbahn in Richtung quer zu ihrer Längserstreckung ist es von Vorteil, wenn die Lamellen jeweils in Richtung der Mittenebene der Walze geneigt sind. Die Lamellen können aber auch von der Mittenebene der Walze weggeneigt sein, d.h. in Richtung die Walze in axialer Richtung begrenzender Ränder geneigt sein, um eine gezielte Streckung der Fasermaterialbahn in Richtung quer zu ihrer Längserstreckung zu ermöglichen. Grundsätzlich kann die Walze aber auch sowohl in Richtung der Mittenebene hin geneigte als auch von der Mittenebene der Walze weg geneigte Lamellen aufweisen, um hierdurch lokale Querstauchungen und Querschrumpfungen der Fasermaterialbahn zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Walze sind ausgehend von den Rändern in Richtung zur Mittenebene mehrere Lamellen an der Mantelfläche der Walze angeordnet.
Eine symmetrische Querstauchung oder Querstreckung der Fasermaterialbahn lässt sich dadurch erreichen, dass mindestens zwei Lamellen symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, zur Mittenebene der Walze angeordnet sind. Insbesondere lässt sich durch eine spiegelsymmetrische Anordnung der Lamellen erreichen, dass die Fasermaterialbahn gleichmäßig in Richtung quer zu ihrer Längserstreckung gestaucht oder gestreckt wird.
Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsstelle, an welchem eine ringförmige Lamelle mit der Mantelfläche der Walze verbunden ist, in einer zur Mittenebene parallelen Ebene ausgerichtet. Die Verbindungsstelle der Lamelle ist somit im Wesentlich ringförmig. Sie kann aber auch in einer zu der Mittenebene der Walze unter einem Winkel geneigten Ebene liegen. Überdies ist es grundsätzlich auch denkbar, dass eine oder mehrere Lamellen die Walze spiralartig umgeben.
Damit die Fasermaterialbahn bei ihrer Förderung gleichmäßig auf den Lamellen aufliegt, können Lamellen eine im Wesentlichen gleiche radiale Erstreckung aufweisen. Mit anderen Worten definieren sämtliche Lamellen einen gleichmäßigen, parallel zur Längsachse der Walze ausgerichteten Umfang. Grundsätzlich können zumindest zwei Lamellen aber auch unterschiedliche Außenumfänge aufweisen. Insbesondere können die Umfänge der Lamellen ausgehend von den jeweiligen Rändern der Walze in Richtung der Mittenebene der Walze abnehmen, um eine gleichmäßige Querstauchung der Fasermaterialbahn zu erzielen. In entsprechender Weise können die Durchmesser der Lamellen ausgehend von der Mittenebene der Walze in Richtung zu den jeweiligen Rändern der Walze zunehmen, um eine Querstreckung der Fasermaterialbahn zu bewirken.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Walze kann der Neigungswinkel der Lamellen in axialer Richtung der Walze variieren. In vielen Fällen soll eine axial variierende Querstauchung der Fasermaterialbahn erreicht werden, wobei die diese in der Mitte der Walze oft möglichst klein oder sogar 0 sein soll. Dann ist es von Vorteil, wenn der Neigungswinkel N1 der Lamellen vom Rand der Walze zu der Mittenebene hin zunimmt, bevorzugt kontinuierlich zunimmt (N2 nimmt dann ab). Für eine Querstreckung der Fasermaterialbahn ist es dahingegen von Vorteil, wenn der Neigungswinkel der Lamellen von der Mittenebene der Walze zu ihrem Rand hin abnimmt, insbesondere kontinuierlich abnimmt.
Für eine Querstauchung der Fasermaterialbahn kann ein Abstand zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen mit der Mantelfläche in Richtung zu der Mittenebene der Walze hin abnehmen. Soll die Fasermaterialbahn dahingegen eine Querstreckung erfahren, so ist es von Vorteil, wenn ein Abstand zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen mit der Mantelfläche in Richtung zu der Mittenebene der Walze hin zunimmt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer Walze zur Herstellung einer in Querrichtung gestauchten Fasermaterialbahn kann sich ein Durchmesser der Walze in axialer Richtung ändern. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen der Mantelfläche der Walze und den Lamellen ein Zwischenkörper ausgebildet sein, dessen Durchmesser sich in axialer Richtung der Walze ändert. Bevorzugt nimmt der Durchmesser der Walze bzw. der Durchmesser des Zwischenkörpers von den jeweiligen Rändern der Walze in Richtung zu der Mittenebene der Walze hin zu.
Bei einer Walze, deren Durchmesser sich in axialer Richtung ändert bzw. welche einen Zwischenkörper mit in axialer Richtung variierendem Durchmesser aufweist, ist es von Vorteil, wenn die Lamellen jeweils die gleiche radiale Außenerstreckung aufweisen. Hierdurch nehmen die Abstände zwischen der jeweiligen Verbindungsstelle einer Lamelle mit der Mantelfläche der Walze oder mit dem Zwischenkörper und einem äußeren Rand der Lamelle in Richtung zur Mittenebene der Walze ab oder zu. Mit anderen Worten ist beispielsweise bei einem zur Walzenmitte hin zunehmenden Walzendurchmesser eine von der Mittenebene der Walze weiter entfernte Lamelle länger als eine näher bei der Mittenebene der Walze angeordnete Lamelle. Hierdurch wird bei einer Walze mit Lamellen mit gleichen Neigungswinkeln ähnlich wie bei einer Walze mit Lamellen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln erreicht, dass die längere Lamelle bei einer radialen Kraftbeaufschlagung stärker in axialer Richtung ausgelenkt wird als eine kürzere Lamelle, wodurch sich ein vergleichbarer Effekt bei der Breitenänderung der Fasermaterialbahn erreichen lässt. Es versteht sich, die beiden vorstehend beschriebenen Ansätze auch kombinierbar sind.
Der Zwischenkörper kann in Form eines Doppelkonus ausgebildet sein, wobei der jeweilige Außendurchmesser der beiden Konen beispielsweise in Richtung zu der Mittenebene der Walze zunimmt. Es ist aber auch denkbar, dass der Zwischenkörper konvex gekrümmt ist, wobei ein Durchmesser des gekrümmten Zwischenkörpers in der Mittenebene am größten ist. Grundsätzlich kann eine Mantelfläche des Zwischenkörpers beliebig ausgestaltet sein, um lokal unterschiedliche Streckung und/oder Stauchungen zu erzeugen. Bevorzugt ist die Mantelfläche des Zwischenkörpers rotationsymmetrisch.
Für eine besonders einfache und leichte Herstellung können der Zwischenkörper und die Lamellen aus demselben Material bestehen. Es ist aber auch denkbar, den Zwischenkörper und die Lamellen aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, um eine variable Ausgestaltung von Zwischenkörper und Lamellen zu ermöglichen.
Es versteht sich, dass ein Durchmesser der Walze zur Mittenebene (abschnittsweise) abnehmen und/oder zwischen der Mantelfläche der Walze und den Lamellen ein Zwischenkörper ausgebildet sein kann, dessen Durchmesser in Richtung der Mittenebene der Walze (abschnittsweise) abnimmt, um eine Fasermaterialbahn in ihrer Querrichtung (lokal) zu strecken.
Insbesondere (aber nicht nur) bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Walze mit in Längsrichtung variierendem Durchmesser der Mantelfläche können die Abstände zwischen benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen mit der Mantelfläche in axialer Richtung im Wesentlichen gleich sein. Gleiches gilt sinngemäß für Ausführungsformen mit einem entsprechenden Zwischenkörper.
Für eine besonders gute Auslenkbarkeit der Lamellen können die Lamellen aus einem elastischen und/oder drucksteifen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Gummi, gefertigt sein. Bevorzugt sind alle Lamellen aus demselben Material gefertigt. Es ist aber auch denkbar, dass die Lamellen auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Überdies können die Lamellen auch aus einem starren Material gefertigt sein. in Diesem Fall wären sie mittels eines gegen eine Auslenkungsrichtung vorgespannten Gelenks und/oder mittels einer anderen Art einer elastischen Verbindung an der Mantelfläche der Walze bzw. dem Zwischenkörper anzubringen.
Für eine leichte Nachrüstbarkeit bereits bestehender Walzen oder eine einfache Herstellung einer Walze können die Lamellen auf einem Walzenbezug ausgebildet sein, welcher drehfest an der Mantelfläche der Walze fixiert ist. Bevorzugt sind der Walzenbezug und die Lamellen aus demselben Material gefertigt, so dass sich der Walzenbezug und die Lamellen schnell und kostengünstig in einem Herstellungsschritt herstellen lassen. Um Flexibilität bei der Ausgestaltung des Walzenbezugs zu ermöglichen, können der Walzenbezug und die Lamellen auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
Der mit den Lamellen versehene Walzenbezug kann beispielsweise auf die Walze aufgezogen oder aufgeschrumpft sein. Es ist aber auch denkbar, den Walzenbezug beispielsweise mittels eines Spritzgußverfahrens an die Walze anzuformen. In entsprechender Weise können auch die Lamellen ohne Walzenbezug an einer Walze angebracht werden.
Grundsätzlich können die Lamellen jeweils freie Außenenden aufweisen, auf welchen die Fasermaterialbahn aufläuft. Zur Erhöhung der Auflagefläche der Fasermaterialbahn und zur gleichmäßigeren Übertragung der die Bahn stauchenden oder streckenden Kräfte können radiale Außenenden zumindest zweier benachbarter Lamellen mit einer Membran, insbesondere mit einer elastischen Membran, verbunden sein. Bevorzugt bildet die Membran zumindest abschnittsweise eine Kontaktfläche für die Fasermaterialbahn. Insbesondere bildet die Membran eine durchgehende Kontaktfläche für die Fasermaterialbahn, so dass die Membran die Lamellen im Wesentlichen vollständig überspannt. Zur Erhöhung der Reibung der Kontaktfläche und damit zur Verbesserung der Kraftübertragung kann die Membran texturiert sein.
Für eine einfache Herstellung sind die Lamellen und die Membran bevorzugt aus demselben Material gefertigt. Es ist aber auch denkbar, die Membran und die Lamellen aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Walzenanordnung, welche eine mit Lamellen versehene Walze gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und eine Gegenwalze umfasst, wobei ein Abstand zwischen den Walzen variabel einstellbar ist. Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die mit Lamellen versehene Walze und die Gegenwalze in Richtung senkrecht zu ihren Längsachsen aufeinander zu bewegbar, wodurch die beiden Walzen miteinander in Kontakt bringbar sind (im Betriebszustand befindet sich die Materialbahn zwischen den Walzen). Sind die beiden Walzen in Kontakt, so übt die Gegenwalze eine Kraft auf die Lamellen der erfindungsgemäßen Walze aus, wodurch die Lamellen in axialer Richtung ausgelenkt werden. Je stärker die beiden Walzen in Kontakt sind, d.h. je geringer ein Abstand zwischen den Längsachsen der in Kontakt befindlichen Walzen ist, desto größer ist bei gegebener Lamellenausgestaltung deren Auslenkung und desto stärker ist folglich die in axialer Richtung der Walze wirkende Kraft, mit der die Fasermaterialbahn beaufschlagt wird.
Für einen besonders effizienten Trocknungsvorgang kann die Gegenwalze beheizbar sein, wodurch die Feuchtigkeit schneller verdunstet. Zusätzlich oder alternativ kann die Gegenwalze eine mit Öffnungen versehene Mantelfläche, insbesondere eine poröse Mantelfläche, aufweisen, wobei die Öffnungen die Mantelfläche der Gegenwalze mit dem Inneren der Gegenwalze verbindet. Durch die Öffnungen kann ein Fluid vom Inneren der Walze zu ihrer Mantelfläche geleitet werden. Dieses Fluid kann erwärmt sein, um den Trocknungsvorgang zu beschleunigen. Alternativ oder zusätzlich kann das Fluid dazu verwendet werden, einen Fluidpolster bzw. einen dünnen Fluidfilm auf der Mantelfläche der Gegenwalze auszubilden, damit die Fasermaterialbahn kaum oder bestenfalls gar nicht an der Gegenwalze anhaftet. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas, insbesondere ein Inertgas wie Stickstoff, oder um Wasserdampf handeln. Ferner ist auch denkbar, dass Dampf aus den Öffnungen austreten kann, um die Fasermaterialbahn während der Förderung geschmeidig zu halten.
Damit die Fasermaterialbahn an der Gegenwalze nicht oder nicht nennenswert anhaftet, kann eine Mantelfläche der Gegenwalze einen geringeren Reibungskoeffizienten aufweisen als die Außenseite der mit Lamellen versehenen Walze. Die Gegenwalze wirkt dadurch der Stauchung und/oder Streckung der Fasermaterialbahn nicht oder nur kaum entgegen. Die Gegenwalze kann mit Teflon oder Silikon zur Reduzierung der Reibung im Zusammenwirken mit der Fasermaterialbahn beschichtet sein oder einen dünnen Wasserfilm aufweisen, der durch Aufsprühen von Dampf oder Wasser erzeugt werden kann.
Um die Querstauchung oder Querstreckung der Fasermaterialbahn zu potenzieren, können mindestens zwei mit Lamellen versehene Walzen der Gegenwalze zugeordnet sein, wobei die mit Lamellen versehenen Walzen und die Gegenwalze jeweils einen Spalt zur Aufnahme der Fasermaterialbahn ausbilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand rein beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Walze gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Detail der Walze von 1;
3 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäße Walze gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine Querschnittansicht einer Walzenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Walze;
5a ein Detail der Walzenanordnung von 4 in einem lastfreien Zustand;
5b ein Detail der Walzenanordnung von 4 in einem belasteten Zustand;
6 ein Detail der Walzenanordnung der Walze von 1 (schematisch); und
7 eine Querschnittansicht einer Walzenanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Walzen.

1 zeigt eine Walze 10 gemäß einer ersten Ausführungsform, von welcher ein Detail in 2 wiedergegeben ist. Eine zweite Ausführungsform einer Walze 10 ist in 3 dargestellt. 4 und 7 zeigen jeweils unterschiedliche Ausgestaltungen einer Walzenanordnung mit einer in 1 oder 3 gezeigten Walze 10. 5 und 6 dienen zur Erläuterung des Funktionsprinzips der in 1 oder 3 gezeigten Walzen 10.
Die in den Figuren dargestellten Walzen 10 dienen zur Herstellung einer Fasermaterialbahn 11 (7), insbesondere einer Papierbahn, bei welcher eine Stauchung oder Streckung in einer Richtung quer zur Längserstreckung der Fasermaterialbahn 11 kontrolliert einzustellen ist. Im Nachfolgenden werden die Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit einer Querstauchung der Fasermaterialbahn 11 beschrieben.
Jede der in den Figuren dargestellten Walzen 10 ist um ihre Längsachse A rotierbar und weist jeweils einen rotationssymmetrischen Grundkörper 12 mit einer Mantelfläche 14 auf. An der Mantelfläche 14 sind mehrere elastisch deformierbare sowie auslenkbare ringförmige Lamellen 16 angeordnet, welche zu diesem Zweck aus einem elastischen sowie drucksteifen Material gefertigt sind. Beispielsweise können die Lamellen 16 aus einem Kunststoff oder einem Gummimaterial gefertigt sein.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Lamellen 16 an einem zwischen dem Grundkörper 12 und den Lamellen 16 angeordneten Zwischenkörper 18 befestigt (beispielsweise einstückig mit diesem ausgebildet oder an diesem angeformt). Überdies umgeben die Lamellen 16 den Grundkörper 12 in dessen Umfangsrichtung. Grundsätzlich können sich die Lamellen 16 auch direkt, d.h. ohne Zwischenkörper 18, unter einem Winkel von der Mantelfläche 14 des Grundkörpers 12 wegerstrecken und hin zu der Mittenebene E der Walze 10 geneigt sein.
Die Walzen 10 sind nicht nur rotationssymmetrisch in Bezug auf ihre jeweiligen Längsachsen A sondern auch spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Mittenebene E ausgebildet. Insbesondere sind die Lamellen 16 in Bezug auf die Mittenebene E spiegelsymmetrisch angeordnet sowie spiegelsymmetrisch in Richtung zu der Mittenebene E der Walze 10 geneigt. Es versteht sich, dass die Lamellen 16 auch spiegelsymmetrisch von der Mittenebene E der Walze 10 weggeneigt sein können, um eine Querstreckung der Fasermaterialbahn 11 zu ermöglichen. Auch asymmetrische Lamellenanordnungen und/oder-ausgestaltungen sind umsetzbar, um das jeweils gewünschte Stauchungs- und/oder Streckungsprofil erzeugen zu können.
Damit eine Fasermaterialbahn 11 gleichmäßig auf der Walze 10 aufläuft, weisen sämtliche Lamellen 16 eine im Wesentlichen gleiche radiale Erstreckung auf, wodurch ein Außendurchmesser einer unbelasteten Walze 10 im Wesentlichen konstant ist.
Wie anhand der in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele zu erkennen ist, sind radiale Außenenden der Lamellen 16 mit einer elastischen Membran 20 verbunden, um eine durchgehende Kontaktfläche für die Fasermaterialbahn 11 zu bilden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine Förderung der Fasermaterialbahn 11 auch ohne Membran 20, d.h. durch direkte Auflage der Fasermaterialbahn 11 auf den Lamellen 16, möglich ist. Grundsätzlich weisen mit einer elastischen Membran 20 verbundene Lamellen 16 einen höheren Reibungskoeffizienten auf, als freistehende Lamellen 16. Zur weiteren Erhöhung des Reibungskoeffizienten kann die Membran 20 auch texturiert sein.
Der Zwischenkörper 18 bildet zusammen mit den Lamellen 16 und der Membran 20 einen Walzenbezug, welcher drehfest an der Mantelfläche 14 der Walze 10 fixiert ist. Dabei können sowohl die Lamellen 16 sowie der Zwischenkörper 18 als auch die Membran 20 aus demselben Material gefertigt sein. Die Lamellen 16, der Zwischenkörper 18 und/oder die Membran 20 können auch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, um eine individuelle Anpassbarkeit an die spezifischen Anforderungen zu gewährleisten.
Mit Bezug auf 1 und 2 wird nun eine Walze 10 gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Walze 10 gemäß der ersten Ausführungsform weist mehrere Lamellen 16 auf, deren Neigungswinkel N1 in axialer Richtung der Walze 10 variieren. In 2 ist der Winkel N1 in Bezug auf eine Ebene E' eingezeichnet, die parallel zu E angeordnet ist.
Bei der bespielhaft gezeigten Ausführungsform nehmen die Neigungswinkel N1 zwischen den Lamellen 16 und der Mittenebene E von den die Walze 10 in axialer Richtung begrenzenden Rändern 22 in Richtung zu der Mittenebene E hin kontinuierlich zu. Eine derartige Ausrichtung der Lamellen 16 hat zur Folge, dass die Winkel N2 zwischen den Lamellen 16 und der Mantelfläche 14 in Richtung zu der Mittenebene E kontinuierlich abnehmen. Hierdurch wird erreicht, dass eine steiler zur Mantelfläche 14 stehende Lamelle 16 bei einer Beaufschlagung mit einer in senkrecht zur Längsachse A der Walze 10 wirkenden Kraft stärker in einer Richtung parallel zur Längsachse A der Walze 10 ausgelenkt wird, als eine flacher zur Mantelfläche 14 geneigte Lamelle 16, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird (6). Mit dem in den 4 bis 6 verwendeten Bezugsystem bedeutet dies, dass die auf der linken Seite dargestellte steiler zur Mantelfläche 14 stehende Lamelle 16 bei einer Beaufschlagung mit einer in radialer Richtung der Walze 10 (= y-Richtung) wirkenden Kraft stärker in einer Richtung parallel zur Längsachse A der Walze 10 ausgelenkt wird, als die auf der rechten Seite dargestellte flacher zur Mantelfläche 14 geneigte Lamelle 16, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird.
Mit der Abnahme der Winkel N2 zwischen den Lamellen 16 und der Mantelfläche 14 geht einher, dass die Abstände zwischen Verbindungsstellen der Lamellen 16 mit dem Zwischenkörper 18 bzw. der Mantelfläche 14 der Walze 10 in Richtung zur Mittenebene E hin graduell abnehmen.
Ferner ist anhand der 1 und 2 zu erkennen, dass ein Außenumfang des Zwischenkörpers 18 zumindest annähernd parallel zur Mantelfläche 14 der Walze 10 ausgerichtet ist, wobei die Mantelfläche 14 die Längsachse A der Walze 10 koaxial umgibt. Von dem Zwischenkörper 18 erstreckt sich ein kompakter, aber elastischer Auflageabschnitt 24, welcher die Mittenebene E der Walze 10 spiegelsymmetrisch umgibt und an welchem die Fasermaterialbahn 11 anliegt, ohne eine nennenswerte Querstauchung zu erfahren. D.h. dort wird die Fasermaterialbahn 11 in einer Richtung quer zur Längserstreckung der Fasermaterialbahn 11 wenig bis gar nicht gestaucht. Die Stauchung der Bahn 11 nimmt somit von den Rändern 22 der Walze 10 nach innen hin ab.
Bei der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Walze 10 sind die Abstände zwischen benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen 16 in axialer Richtung gesehen im Wesentlichen gleich. Dies gilt auch für die Neigungswinkel N1. Damit eine von der Mittenebene E der Walze 10 weiter beabstandete Lamelle 16 länger und hierdurch infolge einer in Richtung senkrecht zur Längsachse A der Walze 10 wirkenden Kraft in Richtung parallel zur Längsachse A stärker ausgelenkt wird, als eine näher zur Mittenebene E angeordnete, kürzere Lamelle 16, ist zwischen den Lamellen 16 und dem Grundkörper 12 ein Zwischenkörper 18 ausgebildet, dessen Durchmesser in Richtung zur Mittenebene E der Walze 10 zunimmt. Grundsätzlich könnte bei Verwendung eines Zwischenkörpers mit konstanter Dicke auch ein Durchmesser der Walze 10 zu ihrer Mittenebene E hin kontinuierlich zunehmen, um dieselbe technische Wirkung zu erzielen. An dem maximalen Durchmesser des Zwischenkörpers 18 bzw. der Walze 10 bildet der Zwischenkörper 18 bzw. die Walze 10 einen Auflageabschnitt 24, welcher eine vergleichbare technische Wirkung aufweist, wie der Auflageabschnitt 24 der Walze 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Die einander zu geneigten innersten Lamellen 16 der beiden Walzenhälften wirken stabilisierend, so dass hier nur geringe oder vernachlässigbare Querkräfte erzeugt werden, die auf Bahn 11 wirken.
4 und 7 zeigen jeweils eine Walzenanordnung, welche sowohl eine mit Lamellen 16 versehene Walze 10 als auch eine um eine Längsachse B rotierbare Gegenwalze 26 aufweist. Die Walze 10 und die Gegenwalze 26 lassen sich in einer Richtung rechtwinklig zu den Längsachsen A, B der Walzen 10, 26 relativ zueinander aufeinander zubewegen, um so einen Abstand zwischen den Walzen 10, 26 variabel einzustellen bzw. zu verringern. Die Walzen 10, 26 der Walzenanordnung lassen sich derart weit aufeinander zubewegen, dass die Gegenwalze 26 über die zwischen den Walzen 10, 16 geförderte Bahn 11 eine Kraft auf die Lamellen 16 der Walze 10 ausübt, wodurch die Lamellen 16 nach radial innen ausgelenkt werden.
Anhand von 4 und 7 ist ersichtlich, dass die Längsachse A der Walze 10 und die Längsachse B der Walze 26 zumindest annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind.
Eine Mantelfläche 28 der Gegenwalze 26 weist einen geringeren Reibungskoeffizienten auf als die durch die Membran 20 gebildete Außenseite der Walze 10. Durch eine möglichst minimale Reibung zwischen der Bahn 11 und der Mantelfläche 28 wird die von der Walze 10 erzeugte Stauchung/Streckung der Bahn 11 effizient umgesetzt. Zur zusätzlichen Verringerung des Reibungskoeffizienten kann die Gegenwalze 26 eine Mantelfläche 28 aufweisen, welche mit in den Figuren nicht gezeigte Öffnungen versehen ist. Durch diese Öffnungen kann aus dem Inneren der Gegenwalze 26 ein Fluid an die Mantelfläche 28 der Gegenwalze 26 austreten, um an der Mantelfläche 28 der Gegenwalze 26 einen Fluidfilm zu bilden. Ferner kann durch die Öffnungen ein erwärmtes Gas austreten, um den Trocknungsvorgang der Fasermaterialbahn 11 zu beschleunigen. Ferner ist auch denkbar, dass (Wasser)Dampf aus den Öffnungen austritt, um die Fasermaterialbahn 11 während der Förderung geschmeidig zu halten.
Um die Querstauchung der Fasermaterialbahn 11 zu verstärken, können mindestens zwei mit Lamellen 16 versehene Walzen 10 der Gegenwalze 26 zugeordnet sein, wobei die Walzen 10 und die Gegenwalze 26 jeweils einen Spalt zur Aufnahme der Fasermaterialbahn 11 ausbilden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Gegenwalze 26 vier Walzen 10 zugeordnet.
Nachfolgend wird nun mit Bezug auf die 4 bis 6 nochmals die Funktionsweise der Lamellen 16 der Walzen 10 erläutert.
Die Gegenwalze 28 sorgt im Bereich eines Nips (siehe gestricheltes Oval in 4) zu einer Komprimierung (δ_y) der durch die Lamellen 16 und die Membran 20 gebildeten Schicht in y-Richtung. Dadurch werden die Lamellen 16 verkippt, wobei deren radial äußeres Ende in z-Richtung (parallel zur Achse A) versetzt wird (δ_z). Den geometrischen Betrachtungen der 6 ist zu entnehmen, dass der Versatz δ_z eine Funktion des Neigungswinkels N1 bzw. N2 in einem unbelasteten Zustand der Lamellen 16 ist: Je kleiner N1, desto größer ist bei einer gegebenen Komprimierung δ_y der Versatz δ_z. Ein Abschnitt der Bahn 11, der auf der in 4 linken Lamelle 16 aufliegt, wird stärker nach rechts gezogen als ein Abschnitt der Bahn 11, der auf der rechten Lamelle 16 aufliegt. Für N2 gilt das Umgekehrte. Durch eine Membran 20 (hier nicht gezeigt) kann anstelle einer punktuellen Krafteinleitung eine flächige Beaufschlagung der Bahn 11 mit einer in y-Richtung wirkenden Kraft bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten: Bei Betrieb der Walzen 10, 26 läuft die Fasermaterialbahn 11 zunächst auf den nicht ausgelenkten Lamellen 16 auf und wird dann in den Spalt bzw. Kontaktbereich zwischen den Walzen 10, 26 befördert. In dem Kontaktbereich erfahren die Lamellen 16 aufgrund der von der Gegenwalze 26 ausgeübten Kraft eine Auslenkung, wobei die Lamellen 16 - bildlich gesprochen - nach innen „gekippt“ werden und dabei mit ihren radial äußeren Ende das aufliegende Bahnmaterial von den Randbereichen aus in axialer Richtung zur Mittenebene E hin ziehen. Das Fasermaterialbahn 11 folgt somit der Auslenkung der Lamellen 16 bzw. (falls vorhanden) der Membran 20 in axialer Richtung. Dies führt dazu, dass die Fasermaterialbahn 11 quer zu ihrer Längserstreckung gestaucht wird. Es versteht sich, dass die Bahn 11 bei nach außen, d.h. von der Mittenebene E weggeneigten, Lamellen 16 eine Streckung in Richtung quer zu ihrer Längserstreckung erfährt.
Durch eine in axialer Richtung variierende Lamellen- und/oder Zwischenkörperausgestaltung lässt sich somit eine Querstauchung bzw. Querstreckung der Fasermaterialbahn 11 gezielt einstellen. Es können auch komplexe Stauchungs- und/oder Streckungsprofile erzeugt werden. Durch mehrere mit Lamellen 16 versehene Walzen 10 kann die Querstauchung bzw. Querstreckung erhöht werden kann (7).
Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich auch bei Hochleistungsanlagen mit Bahngeschwindigkeit von über 1000 m/min realisieren. Beispielsweise wird ein Querschrumpf von 10 bis 30% bei Flächengewichten von 70 bis 200 g/m² und Papierfeuchten von 55 bis 90 % erzielt.
Bezugszeichenliste

10: Walze
11: Fasermaterialbahn
12: Grundkörper
14: Mantelfläche
16: Lamellen
18: Zwischenkörper
20: Membran
22: Rand
24: Auflageabschnitt
26: Gegenwalze
28: Mantelfläche
A: Längsachse
B: Längsachse
E: Mittenebene
E': Ebene parallel zu E
N1, N2: Neigungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1003564 B [0003]

Claims

Walze (10) zur Herstellung einer Fasermaterialbahn (11), insbesondere einer Papierbahn, mit einem um eine Längsachse (A) rotierbaren rotationssymmetrischen Grundkörper (12), der eine Mantelfläche (14) aufweist, an der zumindest zwei elastisch deformierbare und/oder auslenkbare ringförmige oder spiralförmige Lamellen (16) angeordnet sind, die sich in radialer Richtung von der Mantelfläche (14) weg erstrecken und die den Grundkörper (12) in Umfangsrichtung umgeben, wobei die Lamellen (16) zumindest abschnittsweise unter Bildung eines Neigungswinkels (N1) schräg zu einer senkrecht zur Längsachse (A) der Walze (10) ausgerichteten Mittenebene (E) der Walze (10) angeordnet sind.
Walze (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (16) in Richtung zu der Mittenebene (E) der Walze (10) geneigt sind.
Walze (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lamellen (16) symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, zur Mittenebene (E) der Walze (10) angeordnet sind.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung der Lamellen (16) im Wesentlichen gleich ist.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (N1) der Lamellen (16) in axialer Richtung der Walze (10) variiert, insbesondere wobei der Neigungswinkel (N1) der Lamellen (16) vom Rand (22) der Walze zu der Mittenebene (E) hin zunimmt, bevorzugt kontinuierlich zunimmt.
Walze (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen (16) mit der Mantelfläche (14) in Richtung zu der Mittenebene (E) der Walze (10) hin abnimmt.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Walze (10) in Richtung der Mittenebene (E) der Walze (10) ändert, insbesondere zunimmt, und/oder dass zwischen der Mantelfläche (14) der Walze (10) und den Lamellen (16) ein Zwischenkörper (18) ausgebildet ist, dessen Durchmesser sich in Richtung der Mittenebene (E) der Walze (10) ändert, insbesondere zunimmt.
Walze (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass Abstände zwischen benachbarten Verbindungsstellen der Lamellen (16) mit der Mantelfläche (14) in axialer Richtung im Wesentlichen gleich sind.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen (16) aus einem elastischen und/oder drucksteifen Material, insbesondere einem Kunststoff oder Gummi, gefertigt sind.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (16) auf einem Walzenbezug ausgebildet sind, welcher drehfest an der Mantelfläche (14) der Walze (10) fixiert ist, insbesondere wobei der Walzenbezug und die Lamellen (16) aus demselben Material gefertigt sind.
Walze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Außenenden zumindest zweier benachbarter Lamellen (16) mit einer Membran (20), insbesondere einer elastischen Membran (20) verbunden sind oder die Membran (20) zumindest abschnittsweise eine, insbesondere eine durchgehende, Kontaktfläche bildet.
Walzenanordnung mit einer Walze (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche und einer Gegenwalze (26), wobei ein Abstand zwischen den Walzen (10, 26) variabel einstellbar ist.
Walzenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenwalze (26) beheizbar ist und/oder eine mit Öffnungen versehene Mantelfläche (28), insbesondere eine poröse Mantelfläche (28), aufweist, wobei die Öffnungen die Mantelfläche (28) der Gegenwalze (26) mit dem Inneren der Gegenwalze (26) verbindet.
Walzenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche (28) der Gegenwalze (26) einen geringeren Reibungskoeffizienten aufweist als die Außenseite der Walze (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11.
Walzenanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Walzen (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 vorgesehen sind, die der Gegenwalze (26) zugeordnet sind und die mit dieser jeweils einen Spalt zur Aufnahme der Fasermaterialbahn (11) ausbilden.