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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragen eines Mediums
auf eine Materialbahn, mit mindestens zwei Walzen, die zwischen
sich einen weichen Nip ausbilden, von denen mindestens eine Walze
einen Walzenmantel aufweist, der einen Innenraum umgibt, und mindestens
eine Walze eine elastische Oberfläche aufweist. Eine derartige
Vorrichtung wird insbesondere als Streichmaschine oder Leimpresse
eingesetzt. Eine derartige Vorrichtung ist aber auch als Druckmaschine
denkbar.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand einer Streichmaschine für Papier
oder Karton erläutert. Sie
ist aber auch bei einer Leimpresse oder bei einer Druckmaschine
anwendbar, wenn sich dort die gleichen Probleme zeigen.
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Eine
Streichmaschine besteht im wesentlichen aus zwei Walzen, die eine
elastische Oberfläche
aufweisen, weil sie mit einem elastomeren Belag versehen sind. Auf
eine Walze oder beide Walzen wird eine Streichfarbe aufgebracht,
die in dem sich zwischen den beiden Walzen bildenden Walzenspalt auf
eine durchlaufende Papier- oder Kartonbahn übertragen wird.
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Man
kann nun vor allem bei höheren
Produktionsgeschwindigkeiten beobachten, daß unerwünschte Schwingungszustände auftreten,
die sich offensichtlich selbst erregen. Die Ursachen für diese Schwingungen
sind noch nicht vollständig
geklärt. Möglich ist,
daß Inhomogenitäten in der
durchlaufenden Bahn zu einer Schwingungsanregung führen. Ein
weiterer Grund liegt in der Erwärmung
der Elastomerbeläge.
Die üblicherweise
verwendeten Elastomerwerkstoffe haben ein ausgeprägtes viskoelastisches
Materialverhalten. Die sich im Material aufbauende Spannung ist
nicht nur von der Materialdehnung, sondern auch von der zeitlichen Änderung
der Dehnung, also von der Dehnungsgeschwindigkeit, abhängig. Durch
diese dämpfenden
Eigenschaften treten unter gewissen Bedingungen selbsterregte Schwingungen
auf, deren Frequenz immer ein ganzzahliges Vielfaches der Walzendrehzahl
ist. Hierbei bilden sich auf den Elastomerbelägen durch die radiale thermische
Materialausdehnung Wellen aus, die sich über die komplette Arbeitsbreite
der Maschine erstrecken. Die aus dem Produkt "Walzendrehzahl x Anzahl der Wellen am
Umfang" resultierende
Frequenz liegt immer sehr nahe an der Kontakteigenfrequenz des Walzensystems.
Im Falle einer temperaturinduzierten Rückkopplung durch Wärmedehnung liegt
diese Frequenz immer etwas oberhalb der Kontakteigenfrequenz des
Walzensystems. Unter Kontakteigenfrequenz wird hier und im folgenden
diejenige Eigenfrequenz der Maschine verstanden, bei der die beiden
Walzen auf dem Feder-/Dämpfersystem, das
durch die Elastomerbeläge
im Nip gebildet wird, in gegenphasiger Bewegung zueinander schwingen.
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Wenn
die beiden Walzen gegeneinander schwingen, dann ergeben sich unerwünschte Ergebnisse
beim Auftragen des Mediums, beispielsweise der Streichfarbe. Dies
kann zu einer negativen Beeinflussung der Bedruckbarkeit führen. In
extremen Fällen
ist die Störung
bereits an der Oberfläche
der Bahn sichtbar. In diesem Fall tritt die Streichfarbe in Form
von Querstreifen deutlich hervor.
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Das
Problem der Kontaktschwingungen ist bekannt.
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Eine
mögliche
Maßnahme
zur Vermeidung dieser Schwingungen wird in
EP 0 956 950 A1 beschrieben.
Hier wird der Selbsterregungsprozeß durch aktiv wirkende Kräfte, die über die
Wälzlagerung
der Walzen von außen
eingeleitet werden, unterdrückt.
Dazu muß die
sich entwickelnde Schwingung permanent meßtechnisch erfaßt werden.
Auf der Grundlage dieser Messung werden dann geeignete periodische
Gegenkräfte
zur Stabilisierung des Schwingungssystems eingeleitet. Diese Vorgehensweise
ist technisch sehr aufwendig.
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DE 199 07 079 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermeiden von Kontaktschwingungen
rotierender Walzen in einer Maschine zur Herstellung und/oder Behandlung
einer Materialbahn. Zumindest eine der beiden den Nip bildenden Walzen
ist mit Mitteln versehen, die die innere Spannung verändern können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise eine Schwingungsausbildung
zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß im
Innenraum eine Tilgeranordnung mit mindestens einem passiven Schwingungstilger
angeordnet ist, dessen Masse mindestens 15 % der Masse des Walzenmantels
beträgt
und vorzugsweise größer als
20 % der Walzenmantelmasse ist.
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Man
geht dabei davon aus, daß die
selbsterregten Schwingungen in ihrer Frequenz immer in der Nähe der Kontakteigenfrequenz
der Walzen liegen, d.h. daß das
nächste
ganzzahlige Vielfache der Walzendrehzahl immer größer als
die Kontakteigenfrequenz des Walzensystems ist. In Ausnahmefällen können auch
andere Eigenfrequenzen (Biegeeigenfrequenzen der Walzen) eine Rückkopplung
bewirken. Die Kontakteigenfrequenz des aus den mindestens zwei Walzen
gebildeten Systems ist für
einen gegebenen Elastomerwerkstoff im wesentlichen von der Belastung
und von der Temperatur der Walzen abhängig, weil sich dadurch gewisse
Einflüsse
auf die Kontaktbreite ergeben. Für
eine stabile Produktion läßt sich
diese Eigenfrequenz somit relativ genau eingrenzen. Die Ermittlung
dieser Eigenfrequenz kann sowohl meßtechnisch als auch durch Berechnung
erfolgen. Die Anzahl der sich am Umfang einer Walze ausbildenden
Wellen ist von der Produktionsgeschwindigkeit abhängig. Die
Wellenbildung tritt nur dann auf, wenn ein ganzzahliges Vielfaches
der Drehfrequenz eine Eigenfrequenz relativ genau trifft. Aus diesem
Grund ergeben sich in Abhängigkeit
von den Produktionsgeschwindigkeiten stabile und instabile Betriebsbereiche.
Es bildet sich daher unabhängig
von der Produktionsgeschwindigkeit immer eine bestimmte Eigenfrequenz
als Problemfrequenz ab. Dieser Sachverhalt erlaubt es, zur Unterdrückung des
Selbsterregungsprozesses auch mit passiven Schwingungstilgern zu
arbeiten, welche im Innern einer der beiden Walzen, insbesondere
im Innern der elastomerbezogenen Walze, plaziert sind. Unter einem
Tilger versteht man ein zusätzlich
angebrachtes System mit einer Masse, dessen Eigenfrequenz auf eine
Problem- oder Erregerfrequenz hin abgestimmt ist. Durch eine erhöhte Schwingbewegung
der Tilgermasse in dieser Frequenz wird in diesem Fall das Walzensystem
beruhigt. Hat der Tilger zusätzlich dämpfende
Eigenschaften, spricht man von einem gedämpften Tilger. Ein solches
Tilgersystem wirkt breitbandig, während ein ungedämpfter Tilger
in der Regel nur gezielt auf eine bestimmte Frequenz wirken kann.
Besonders erfolgreich ist die Unterdrückung der Selbsterregung dann,
wenn die Masse des Tilgersystems größer als 20 % der Masse des
Walzenmantels ist. Durch die relativ große Tilgermasse und die entsprechend
großen
Dämpfungskräfte wird der
Selbsterregungsprozeß unterdrückt und
das Walzensystem bleibt bei allen Produktionsgeschwindigkeiten stabil.
Durch das Hinzufügen
einer so großen Tilgermasse
verschieben sich die ursprünglichen
Eigenfrequenzen des Walzensystems. Die Tilgungsfrequenz muß auf die
sich neu ergebende Kontakteigenfrequenz abgestimmt werden. Ebenso
müssen die
Dämpfungseigenschaften
der Tilgeranordnung auf diesen Punkt hin optimiert werden.
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Vorzugsweise
wirkt der Schwingungstilger auf den Walzenmantel. Damit wirkt er
auf den Teil der Walze, der unmittelbar von den Schwingungen betroffen
ist. Die Dämpfung,
die der Schwingungstilger hervorruft, wirkt also gleich an der "richtigen" Stelle. Die Schwingungen
werden dort gedämpft,
wo sie in oder an der Walze merkbar sind.
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Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger in Axialrichtung des Walzenmantels an
einer Position angeordnet, an der sich im Betrieb ein Schwingungsbauch
ausbildet. Zu den Schwingungen, die die Walze ausführt, gehören Eigenformen.
Diese Eigenformen können
auch in einem Frequenzbereich liegen, bei dem die Walzenmäntel (auch
als Walzenschalen bezeichnet) schon in Oberschwingungsformen schwingen, ähnlich wie
die Seite eines Musikinstruments. Über die axiale Länge des
Walzenmantels verteilt ergeben sich also mehrere Schwingungsbäuche, beispielsweise
drei bis sieben Schwingungsbäuche.
Wenn man nun einen passiven Schwingungstilger an der Position anordnet,
wo sich im Betrieb ein Schwingungsbauch ausbildet, dann hat dieser Schwingungstilger
im Grunde die beste Wirkung. Er trifft auf die größte Schwingungsamplitude
und kann diese dann sehr wirkungsvoll dämpfen. Die Schwingungsbäuche lassen
sich beispielsweise vor der Inbetriebnahme der Walze berechnen.
Ein besonders einfaches Verfahren besteht aber darin, die Walze
bis in den Bereich einer Schwingungsausbildung fahren zu lassen,
in dem die Schwingungsbäuche
und die Schwingungsknoten ausreichend hervortreten und damit sichtbar
sind. An der axialen Position eines derartigen Schwingungsbauchs
kann man dann den passiven Schwingungstilger in der Walze installieren. Bei
mit einem sehr weichen Elastomerwerkstoff beschichteten Walzen bildet
sich jedoch nur ein einziger Schwingungsbauch über der Arbeitsbreite aus.
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Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger in mehrere Einzeltilger unterteilt, die
in Axialrichtung verteilt an Positionen angeordnet sind, an denen
sich im Betrieb jeweils ein Schwingungsbauch ausbildet. In vielen
Fällen
wird es zwar ausreichen, einen passiven Schwingungstilger zu verwenden,
beispielsweise im Bereich eines Schwingungsbauchs, der sich in der
axialen Mitte der Walze ausbildet. Eine verbesserte Dämpfungswirkung
ergibt sich jedoch dadurch, daß man
an mehreren Schwingungsbäuchen
oder, wie in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen,
an allen Schwingungsbäuchen
einen Einzeltilger anordnet. Es ist dabei nicht einmal erforderlich,
das Maximum des Schwingungsbauchs genau zu treffen. Eine Dämpfungswirkung
ergibt sich bereits dann, wenn der Schwingungstilger im Bereich des
Schwingungsbauchs angeordnet ist. Die Feststellung, wo die Position
des Schwingungsbauchs liegt, kann also mit einer vergleichsweise
geringen Genauigkeit erfolgen. Bei mehreren Einzeltilgern wird die
Masse der Einzeltilger addiert.
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Vorzugsweise
weist der Schwingungstilger eine Tilgerfrequenz auf, die oberhalb
einer Eigenfrequenz der Walze oder der Vorrichtung ohne Schwingungstilger
liegt. Bei der Verwendung von mehreren Einzeltilgern gilt dies für die sich
daraus ergebenden Eigenfrequenzen. Man legt den Tilger also wie
folgt aus: Man ermittelt zunächst
die Kontakteigenfrequenz unter Berücksichtigung der Strukturdämpfung. In
einem konkreten Problemfall kann die Frequenz bei bekannter Walzendrehfrequenz
durch Vermessung der Wellenbildung einer Walze direkt ermittelt werden.
Sodann berechnet man die zu erwartenden neuen Eigenfrequenzen unter
Berücksichtigung
der Zusatzmassen der Tilgereinheiten und legt anschließend die
einzelnen Tilgereinheiten auf die zu erwartende neue Kontakteigenfrequenz
aus. Durch gezielte Gestaltung der lokalen Dämpfung der Tilgereinheiten
lassen sich dabei begrenzte belastungs- und temperaturbedingte Frequenzverschiebungen
der Kontakteigenfrequenz kompensieren. Zuletzt positioniert man
die einzelnen Tilgereinheiten im Walzeninneren an Punkten vorliegender
Schwingungsbäuche.
Hierzu kann ein walzenförmiger
Einschubkörper
gezielt über
die Länge
geteilt werden. Im Einzelfall kann aber auch der Einsatz ungeteilter
Einschubkörper sinnvoll
sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Walze sich vornehmlich
wie ein Starrkörper
bewegt oder es sich um die erste Biegeeigenfrequenz handelt. Damit
ergibt sich ein hervorragendes Dämpfungsverhalten.
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Bevorzugterweise
ist der Schwingungstilger als walzenförmiger Einschubkörper ausgebildet.
Mit einem walzenförmigen
Einschubkörper
kann man auf einfache Weise relativ schwere Einbauten realisieren,
so daß man
die mindestens 15 %, vorzugsweise ≥ 20
% der ansonsten schwingenden Masse problemlos erreichen kann. Ein
walzenförmiger
Einbaukörper
läßt sich
auch leicht im Walzenmantel positionieren und befestigen. Man kann
in einem konkreten Problemfall die Eigenfrequenz durch Vermessen
einer oder mehrerer Walzen direkt ermitteln. Danach kann man die
zu erwartenden neuen Eigenfrequenzen unter Berücksichtigung der Zusatzmassen
der Schwingungstilger, beispielsweise der walzenförmigen Einschubkörper, berechnen.
Auch hier wird man dann die nächstliegenden
ganzzahligen Vielfachen der Walzendrehzahlen oberhalb der zu erwartenden neuen
Kontakteigen frequenzen berechnen. Man legt nun die Eigenfrequenz
der einzelnen Schwingungstilger auf diese zu erwartende Eigenfrequenz
(Walzendrehzahl mal Wellenzahl) aus. Auch ein walzenförmiger Einschubkörper kann
gezielt über
die Länge
geteilt werden. Ein ungeteilter Einschubkörper kann im Einzelfall ausreichend
sein, wenn die Walze sich vornehmlich wie ein Starrkörper bewegt.
Ansonsten ist es sinnvoll, die Aufteilung des Einschubkörpers in mehrere
Einzeltilger vorzunehmen.
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Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger über eine
vorzugsweise isotrope Federanordnung im Walzenmantel abgestützt. Die
Eigenfrequenz dieses Feder-Masse-Systems (Tilger) ist auf eine Problem- oder
Erregerfrequenz des Walzensystems hin abgestimmt. Durch eine erhöhte Schwingbewegung
der Tilgermasse in dieser Problemfrequenz wird das Walzensystem
beruhigt.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Federanordnung mehrere Tellerfedern aufweist. Die Federanordnung
kann also relativ steif ausgebildet sein.
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Auch
ist von Vorteil, daß zwischen
dem Schwingungstilger und dem Walzenmantel eine Dämpferanordnung
vorgesehen ist. Die Schwingungen des Schwingungstilgers gegenüber dem
Walzenmantel können
dann gezielt gedämpft
werden, so daß man
eine breitbandige Schwingungsunterdrückung durch den Schwingungstilger
erzielen kann.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Dämpferanordnung
und die Federanordnung miteinander kombiniert sind. Dies läßt sich
beispielsweise dadurch erreichen, daß man Federn verwendet, die
eine hohe Eigendämpfung
aufweisen. Dies ist beispielsweise bei den oben erwähnten Tellerfedern
der Fall.
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Ebenfalls
möglich
ist es, die Tilgermasse ohne eine Feder über Dämpfungselemente an den Walzenmantel
zu koppeln. Diese Ausführungsform ist
zwar nicht so wirkungsvoll wie ein korrekt abgestimmtes Feder-Masse-Dämpfer-System, zeigt aber auch
eine Verminderung der Schwingungsneigung.
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Auch
ist bevorzugt, daß der
Schwingungstilger über
mindestens eine Stütze
aus elastomerem Material am Walzenmantel abgestützt ist. Elastomere Materialien
haben eine relativ hohe Eigendämpfung, obwohl
sie im übrigen
ausreichende Federeigenschaften aufweisen. Die Verwendung einer
Stütze aus
elastomerem Material kombiniert daher Federeigenschaften und Dämpfereigenschaften.
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Vorzugsweise
ist der Schwingungstilger gegenüber
dem Walzenmantel in einem rotatorischen Freiheitsgrad bewegbar.
Dies ist vor allem dann von Interesse, wenn Eigenformen entstehen,
bei denen die Kunststoffbeläge
der Walzen auf Schub beansprucht werden. In diesem Fall ist es sinnvoll,
den walzenförmigen
Einschubkörper
oder dessen Teile hinsichtlich ihres rotatorischen Freiheitsgrades
als Tilger auszulegen. Hierzu muß die Verdrehsteifigkeit und/oder
die Dämpfung
auf die rotatorische Eigenfrequenz des Walzenmantels hin abgestimmt
werden.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Drehbewegung des Schwingungstilgers gegenüber dem Walzenmantel begrenzt
ist. Man läßt also
lediglich eine Torsionsschwingung des Schwingungstilgers im Walzenmantel
zu, nicht eine vollständige
Drehung. Dies erleichtert zum einen die Befestigung des Schwingungstilgers
im Walzenmantel, erlaubt aber zum anderen auch eine verbesserte
Schwingungsdämpfung.
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Auch
ist von Vorteil, wenn der Innenraum zumindest in einem Bereich zwischen
dem Schwingungstilger und dem Walzenmantel mit einer Flüssigkeit
gefüllt
ist, deren Viskosität
ein vorbestimmtes Mindestmaß überschreitet.
Man kann beispielsweise einen Ringspalt zwischen dem walzenförmigen Einschubkörper und
dem Walzenmantel mit einem zähflüssigen Öl zur Einstellung
der Dämpfungseigenschaften
füllen.
Wenn sich dann der Schwingungstilger in den Walzenmantel bewegt,
muß dieses Öl verdrängt und
verlagert werden, was eine verbesserte Dämpfung ergibt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Schwingungstilger
mit einer umschließenden
Zwischenschicht aus einem viskoelastischen Material in den Walzenmantel
eingeschrumpft ist. Das viskoelastische Material übernimmt
sowohl die Federeigenschaften als auch in gewisser Hinsicht Dämpfungseigenschaften.
Das Einschrumpfen ist eine relativ einfache und dennoch zuverlässige Möglichkeit,
den Schwingungstilger im Walzenmantel zu befestigen. Das Material
muß nicht in
axialer Richtung durchgehen. Der Schwingungstilger kann auch ein
Massenelement aufweisen, das in einer oder mehreren Scheiben aus
einem elastischen Material gelagert ist, die am Mantel abgestützt ist.
Die Scheibe aus elastischem Material bildet dann sowohl die Feder
als auch das Dämpfungsglied
für den
Schwingungstilger. Das Massenelement ist durch lokale Kompression
oder Expansion der Scheibe verlagerbar. Über die Elastizität der Scheibe
läßt sich
die Tilgerfrequenz in gewissen Bereichen einstellen. Auch eine gewisse
rotatorische Bewegung des Schwingungstilgers gegenüber dem
Walzenmantel ist in begrenztem Umfang möglich. Vorzugsweise liegt die
Scheibe dabei über
ihren gesamten Umfang am Mantel an. Prinzipiell würde es zwar
ausreichen, die Scheibe in einigen Punkten, beispielsweise drei
Punkten, am Walzenmantel abzustützen. Wenn
die Scheibe jedoch über
den gesamten Umfang am Walzenmantel anliegt, dann ist die Kraftübertragung
von der Richtung der Erregung bzw. der Antwort des Schwingungstilgers
vollkommen unabhängig.
Es lassen sich also verbesserte Ergebnisse erzielen. Über den
Schwingungstilger werden keine neuen Inhomogenitäten in die Walze eingetragen,
die zu einer weiteren Schwingungsbildung führen könnten.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß zwischen
dem Walzenmantel und der Zwischenschicht ein Rohr angeordnet ist.
Dies erleichtert die Fertigung. Wenn die Zwischenschicht mit dem
Rohr versehen ist, dann hat man vor dem Einschrumpfen einen Schwingungstilger,
der kompakt ist und ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen in den erhitzten Walzenmantel
eingesetzt werden kann. Zusätzlich
kann man das Rohr auch noch abkühlen,
vor allem dann, wenn es aus Metall ist. Nach einem Temperaturausgleich
sitzt dann der Schwingungstilger fest im Walzenmantel.
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Vorzugsweise
weist der Schwingungstilger eine von außen veränderbare Tilgerfrequenz auf.
In der Regel wird man den Schwingungstilger auf eine konkrete Eigenfrequenz
des Walzensystems ausrichten. Eine Veränderung von au ßen bedeutet,
daß die Walze
zur Veränderung
der Tilgerfrequenz nicht demontiert werden muß, sondern Mittel vorgesehen sind,
die beispielsweise mit Hilfe einer Fernsteuerung die Tilgerfrequenz
verändern
können.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß der
Schwingungstilger eine Federeinrichtung aufweist, deren Steifigkeit
gesteuert veränderbar
ist. Im Falle der elastischen Scheibe läßt sich dies beispielsweise
dadurch erreichen, daß die
Scheibe in Axialrichtung mehr oder weniger komprimiert wird, wobei
durch die Kompression natürlich
die Verlagerungsmöglichkeit
des Massenelements innerhalb des Walzenmantels nicht nennenswert
beschränkt
werden darf.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Tilgeranordnung
Schwingungstilger mit unterschiedlichen Tilgerfrequenzen aufweist.
Bei der Existenz mehrerer relevanter Kontakteigenfrequenzen können auch
mehrere Schwingungstilger mit unterschiedlicher Eigenfrequenz und
somit an unterschiedlichen Positionen im Inneren einer Walze eingesetzt
werden. Die unterschiedlichen Positionen sind die Folge unterschiedlicher
Schwingungsformen.
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Die
Tilgeranordnung ist also in der Lage, die Frequenzen zu "dämpfen", bei denen die Gefahr eines Aufschwingens
besteht. Dadurch wird die Standzeit der Walze verlängert. Da
es sich um einen passiven Schwingungstilger handelt, ist keine Energiezufuhr
oder Steuerung von außen
erforderlich.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Streichvorrichtung,
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2 eine
Schnittansicht einer ausgelenkten Mittelwalze im Längsschnitt,
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3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Schwingungstilgers in verschiedenen Ausführungsformen,
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4 eine
gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsform
einer Mittelwalze mit Schwingungstilger,
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5 eine spezielle Ausgestaltung der Ausführungsform
nach 4,
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6 eine
alternative Lagerung des Schwingungstilgers im Walzenmantel,
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7 eine
weitere abgewandelte Ausführungsform
eines Schwingungstilgers und
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8 eine
zusätzliche
Ausführungsform
eines Schwingungstilgers.
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1 zeigt
eine Streichmaschine 1 mit einem Nip 2, der durch
zwei Walzen 3, 4 gebildet ist. Durch den Nip 2 wird
eine Papier- oder Kartonbahn 5 geführt und mit Streichfarbe beschichtet,
die hier schematisch durch Sümpfe 6, 7 dargestellt
ist.
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Die
Walzen 3, 4 sind als Hohlwalzen ausgebildet. Dementsprechend
weist die Walze 3 einen Walzenmantel 8 und die
Walze 4 einen Walzenmantel 14 auf, der einen Innenraum 15 umgibt.
In nicht näher
dargestellter, aber an sich bekannter Weise sind die beiden Walzen 3, 4 mit
einer elastischen Oberfläche
versehen, die durch einen Belag aus einem elastomeren Stoff gebildet
ist.
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Im
Innern der Walze 3 ist eine nur schematisch dargestellte
Anpreßeinrichtung 9 dargestellt,
so daß die
Walze 3 als Durchbiegungsausgleichswalze ausgebildet ist.
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Die
Streichvorrichtung 1 ist üblicherweise auf eine bestimmte
Betriebsgeschwindigkeit ausgelegt, d.h. die Walzen 3, 4 haben
eine feste Betriebsdrehzahl oder Drehfrequenz. Aufgrund der eingangs
beschriebenen Erscheinungen, also beispielsweise Inhomogenitäten, Anisotropien
oder Geometriefehler in der Bahn 5, oder durch die permanente
Verformung des Belags der Walzen 3, 4 ergeben
sich Schwingungen in der Streichmaschine 1. Wenn eine derartige Schwingung
mit der Eigenfrequenz des aus den beiden Walzen 3, 4 gebildeten
Systems zusammentrifft, so antwortet das Schwingungssystem mit vergrößerten Schwingungsausschlägen. Diese
Schwingungsausschläge
wirken sich störend
auf den Auftrag der Streichfarbe aus. Im Extremfall wird die Streichfarbe in
Form von Querstreifen aufgetragen, die mit dem bloßen Auge
sichtbar sind.
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Zu
den Schwingungen, denen die Walzen ausgesetzt sind, gehören Eigenformen.
Diese können
in einem Frequenzbereich liegen, bei dem die Walzenmäntel schon
in Oberschwingungsformen schwingen. Dies ist beispielhaft in 2 dargestellt. Der
Walzenmantel 14 bildet hier drei Schwingungsbäuche aus,
zwischen denen sich Schwingungsknoten 20 befinden, die
als Kreise markiert sind. Vereinfacht ausgedrückt läßt sich sagen, daß die Walze 4 an
den Schwingungsknoten 20 ortsfest bleibt, während sie
an den Schwingungsbäuchen
schwingt. Dies läßt sich
beispielsweise daran erkennen, daß bei Auftreten einer Eigenschwingung
die Querstreifen der aufgetragenen Streichfarbe über die Papierbahn nicht gleichförmig durchgehen,
sondern im Bereich der Schwingungsbäuche besonders intensiv ausgeprägt sind.
Bei mit einem sehr weichen Elastomerwerkstoff beschichteten Walzen
bildet sich jedoch nur ein einziger Schwingungsbauch über der Arbeitsbreite
aus.
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Anstelle
der dargestellten drei Schwingungsbäuche kann die Walze 4 natürlich auch
mehr Schwingungsbäuche
aufweisen, beispielsweise fünf oder
sieben oder auch eine geradzahlige Anzahl von Schwingungsbäuchen, beispielsweise
vier oder sechs.
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Um
die Schwingungen zu dämpfen,
ist im Innenraum 15 der Walze 4 eine Tilgeranordnung
mit mehreren, im vorliegenden Fall drei Schwingungstilgern 21,
angeordnet. Prinzipiell reicht ein Schwingungstilger aus, beispielsweise
am Schwingungsbauch in der axialen Mitte. Es ist aber von Vorteil, wenn
jeder Schwingungsbauch mit einem passiven Schwingungstilger versehen
ist. Die Funktion des Schwingungstilgers ist schematisch in 3a dargestellt.
Der passive Schwingungstilger 21 weist eine Masse 22 auf,
die jeweils über
ein Federglied 23 und ein Dämpfungsglied 24 mit
einer Abstützung 25 verbunden
ist, die sich von innen am Walzenmantel 14 abstützt. Um
zu zeigen, daß sich
die Masse 22 in alle Richtungen am Walzenmantel 14 abstützt, sind
für vier
Richtungen entsprechende Feder- und Dämpfungsglieder 23, 24 eingezeichnet.
Idealerweise ergibt sich aber eine isotrope Abstützung über den gesamten Innenumfang
des Walzenmantels 14.
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3b zeigt
eine abgewandelte Ausführung,
bei der die Masse 22 nur über Federn 23 am Walzenmantel 14 abgestützt ist.
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3c zeigt
eine Ausgestaltung, bei der die Masse 22 nur über Dämpfungsglieder 24 am
Walzenmantel 14 abgestützt
ist. Die beiden letztgenannten Ausführungsformen sind im allgemeinen
weniger wirksam als die in 3a dargestellte,
in der Regel aber noch brauchbar, um die Ausbildung von Eigenschwingungen
zu verzögern.
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Mit
der Wahl entsprechender Federkonstanten des Federglieds 23,
Dämpfungskonstanten
des Dämpfungsglieds 24 und
einer Masse 22 läßt sich eine
Tilgerfrequenz einstellen. Diese Tilgerfrequenz ist auf die Eigenfrequenz
abgestimmt, die sich im Betrieb ergeben kann, wie im folgenden gezeigt
wird:
Man ermittelt zunächst
die Kontakteigenfrequenz unter Berücksichtigung der Strukturdämpfung.
In einem konkreten Problemfall kann die Frequenz bei bekannter Walzendrehfrequenz
durch Vermessung der Wellenbildung ei ner Walze direkt ermittelt
werden. Sodann berechnet man die zu erwartenden neuen Eigenfrequenzen
unter Berücksichtigung
der Zusatzmassen der Tilgereinheiten und legt anschließend die
einzelnen Tilgereinheiten auf die zu erwartende neue Kontakteigenfrequenz
aus. Durch gezielte Gestaltung der lokalen Dämpfung der Tilgereinheiten lassen
sich dabei begrenzte belastungs- und temperaturbedingte Frequenzverschiebungen
der Kontakteigenfrequenz kompensieren. Zuletzt positioniert man
die einzelnen Tilgereinheiten im Walzeninneren an Punkten vorliegender
Schwingungsbäuche.
Hierzu kann ein walzenförmiger
Einschubkörper
gezielt über
die Länge
geteilt werden. Im Einzelfall kann aber auch der Einsatz ungeteilter
Einschubkörper sinnvoll
sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Walze sich vornehmlich
wie ein Starrkörper
bewegt oder es sich um die erste Biegeeigenfrequenz handelt.
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Man
positioniert dann die einzelnen Tilgereinheiten oder Schwingungstilger 21 im
Innenraum 15 des Walzenmantels 14 an Punkten vorliegender Schwingungsbäuche.
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Bei
der Existenz mehrerer relevanter Kontakteigenfrequenzen können auch
mehrere Schwingungstilger 21 mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen
und somit auch an unterschiedlichen Positionen im Innenraum 15 der
Walze eingesetzt werden.
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Für eine an
die Produktionsparameter weitgehend flexibel anpaßbare Tilgung
der sich entwickelnden Schwingungen kann die Eigenfrequenz der Schwingungstilger 21 variabel
gestaltet werden. Dies kann durch eine ferngesteuerte Veränderung
der Federsteifigkeiten erfolgen.
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4 zeigt
eine gegenüber 2 abgewandelte
Ausführungsform
einer Walze, bei dem der Schwingungstilger 21 als walzenförmiger Einschubkörper 33 ausgebildet
ist. Der Einschubkörper 33 erstreckt
sich praktisch über
die gesamte axiale Länge des
Walzenmantels 14. In dem Innenraum 15 ist eine Flüssigkeit 34 angeordnet,
beispielsweise ein hochviskoses und damit zähflüssiges Öl, das Dämpfungseigenschaften bei der
Bewegung des Einschubkörpers 33 gegenüber dem
Walzenmantel 14 bewirkt. Der Einschubkörper 33 ist über Federn 23 am
Walzenmantel 14 abgestützt,
wobei die Federn auf einer Abstützung 25 gehalten
sind, die einen Stützvorsprung 35 aufweisen.
Die Federn 23 greifen in topfartige Ausnehmungen 36 am
Umfang des Einschubkörpers 33 ein.
Damit ist für
den Einschubkörper 33 im
Walzenmantel 14 ein kleiner rotatorischer Freiheitsgrad
gegeben, d.h. der Einschubkörper 33 kann sich
in einem kleinen Winkelbereich um eine Neutralstellung gegenüber dem
Walzenmantel 14 hin und her drehen.
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5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die
Abstützung
des Einschubkörpers 33 im Walzenmantel 14 erfolgt über Stützelemente 37,
die aus einem viskoelastischen Material gebildet sind, beispielsweise
aus einem Gummi oder einem vergleichbaren Kunststoff. Die Stützelemente 37 übernehmen
also gleichzeitig die Funktion einer Feder und die Funktion eines
Dämpfers.
Hier erfolgt lediglich eine Fixierung der Stützelemente 37 auf
dem Einschubkörper 33.
Im Innern des Walzenmantels 14 werden die Stützelemente 37 durch
ihre eigene Spann kraft gehalten, d.h. hier müssen keine eigenen Befestigungsgeometrien
vorgesehen sein.
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6 zeigt
eine Alternative, bei der der walzenförmige Einschubkörper 33 über ein
Federpaket 38 im Walzenmantel 14 gehalten ist.
Das Federpaket 18 besteht aus einer Vielzahl von Tellerfedern 39. Das
Federpaket 38 ist eingespannt zwischen einem Einsatz 40,
der im Einschubkörper 33 befestigt
ist, und einem Stempel 41, der von innen am Walzenmantel 14 anliegt.
Ein Fortsatz 42 des Stempels 41, der sich radial
nach innen erstreckt, durchragt das Federpaket 38.
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Die
Tellerfedern 39 des Federpakets 38 haben an sich
schon ein relativ gutes Dämpfungsverhalten.
Das Dämpfungsverhalten
der Abstützung kann
noch verbessert werden, wenn am Fortsatz 42 eine Erweiterung 43 angeordnet
ist, die in eine Dämpfungskammer 44 eintaucht,
die mit einer Flüssigkeit 45 gefüllt ist.
Wenn sich der Stempel 41 gegenüber dem Einsatz 40 bewegt,
dann muß die
Flüssigkeit 45 durch
einen Ringspalt 46 in der Dämpfungskammer 44 treten,
was eine verbesserte Dämpfungswirkung
zur Folge hat.
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Bei
der in 7 dargestellten Ausführungsform ist der Einschubkörper 33 im
Walzenmantel 14 durch eine Zwischenschicht 47 aus
einem viskoelastischen Material, beispielsweise einem Gummi oder einem
vergleichbaren Kunststoff, gehalten. Die Befestigung des Einschubkörpers 33 im
Walzenmantel 14 erfolgt dadurch, daß der walzenförmige Einschubkörper 33 einschließlich der
umschließenden
Zwischenschicht 47 in den Walzenmantel 14 eingeschrumpft
wird.
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Bei
der Ausgestaltung nach 8 ist zu erkennen, daß der Einschubkörper 33 in
mehrere Abschnitte 33a, 33b, 33c unterteilt
ist. Jeder dieser Abschnitte ist von einer Zwischenschicht 47 umgeben. Die
Zwischenschicht 47 ist wiederum von einem Rohr 48 aus
Metall umgeben, das im eingebauten Zustand zwischen der Zwischenschicht 47 und
dem Walzenmantel 14 angeordnet ist. Ein derartiges Rohr 48 erleichtert
das Einschrumpfen. Man kann dieses Rohr vor dem Einsetzen des Einschubkörpers 33 in
den Walzenmantel 14 abkühlen,
so daß die
Zwischenschicht 47 komprimiert wird. Der Walzenmantel 14 muß dann nur
noch in einem geringeren Umfang erwärmt werden, um sich aufzuweiten,
bevor man den mit dem Rohr 48 versehenen Einschubkörper 33 bzw.
dessen Einzelteile 33a-33c in den Walzenmantel 14 einschieben
kann.
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Auch
in einer Leimpresse oder in einer Druckmaschine (beide Vorrichtungen
tragen ein Medium auf eine Bahn auf) kann man auf die geschilderte
Art Schwingungen so stark dämpfen,
daß sie
nicht mehr stören.
Die Schwingungsunterdrückung
muß dabei
nicht unbedingt an der Walze erfolgen, die das Medium aufträgt. Wichtig
ist, daß das
Gesamtsystem ausreichend gedämpft
wird.