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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1, um Schwingungen von Rakelbalken zu steuern, die bei der Beschichtung von Papier- und Kartonagebahnen benutzt werden. Solche Rakelbalken halten eine Rakel oder Rakelklinge, die eine auf die Oberfläche einer sich bewegenden Bahn aufgebrachte Beschichtungsmixtur glättet.
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Die Qualitäten von Papier- oder Kartonagebahnen für ihre Bedruckung können durch verschiedene Arten von Beschichtungen verbessert werden. Generell wird die Beschichtungsmixtur durch eine geeignete Auftragungstechnik auf die Bahn gebracht, wonach die aufgebrachte Beschichtungsmixtur durch eine Rakel oder eine Rakelklinge an das endgültige Beschichtungsgewicht angepasst und gerakelt wird. Bis zu einem gewissen Grad kann das Rakeln z. B. bei der Kartonherstellung durch die Benutzung eines Luftmessers vorgenommen werden, wobei der begrenzte Glättungseffekt eines Luftmessers seine Benutzung bei den gegenwärtigen Laufgeschwindigkeiten in den meisten Fällen ausschließt.
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Insofern als die Beschichtungsschicht ziemlich dünn ist und andererseits sehr glatt gemacht werden muss, um beste Eigenschaften für die Bedruckung mit einer Druckvorlage auf der Oberfläche der Papierbahn zu bieten, muss der Abstand zwischen Rakel und bewegter Bahn hinreichend genau auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden. Zu diesem Zweck wird die Position der Rakel und die Qualität der Beschichtungsmixschicht, die auf der Bahnoberfläche haftet, online durch verschiedene Arten von Messapparaturen überwacht. Um ein optimales Endergebnis zu erreichen, kann basierend auf diesen Messresultaten die Position der Rakel angepasst werden. Obwohl heutzutage die Position der Rakel durch eine Vielfalt von verschiedenen Techniken leicht gesteuert werden kann, kann das beständige Anwachsen der Papierbahngeschwindigkeit und insbesondere der Maschinenbreite Probleme bei der Regulierung von Schwingungen des Rakelbalkens verursachen. Wenn es dem Rakelbalken möglich ist, insbesondere mit einer seiner Eigenfrequenzen zu schwingen, wird die Beschichtung uneben. Daher besteht Steuerungsbedarf betreffend den Beginn von Schwingungen, um zu verhindern, dass der Rakelbalken bei seiner Eigenfrequenz mit einer ansteigenden Amplitude zu schwingen beginnt. Prinzipiell kann die Eigenschwingung des Rakelbalkens durch zusätzliche Gewichte reguliert und gedämpft werden, die in der Mitte des Balkens platziert sind. Um eine effektive Dämpfung zu erreichen, müssen die Gewichte jedoch sehr schwer sein. Das ist jedoch wegen des begrenzten Platzes um den Balken herum nicht möglich. Darüber hinaus vergrößert ein in der Mitte des Balkens angebrachtes schweres Gewicht das Durchhängen des Balkens, und es wird daher notwendig, den Balken stabiler zu machen oder die Auslenkung des Rakelbalkens stärker zu kompensieren. Diese Einschränkungen verkomplizieren die Dimensionierung des Rakelbalkens und schränken in gewissem Umfang die maximal mögliche Maschinenbreite für den Rakelbalken ein.
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Heutzutage benutzte Rakelbalken werden an ihren Enden durch Drehgelenkverbindungen am Rahmen der Beschichtungsstation und in ihrer Mitte am Kreuzungsrohr von Rakel und Beschichtungsstation unterstützt. Diese Art der Konstruktion hat mehrere Eigenfrequenzen, von denen die niedrigste Eigenfrequenz in Richtung des Papierlaufes für das Resultat des Beschichtungsprozesses extrem schädlich ist, weil sie den drastischsten Effekt auf die relative Position zwischen der Rakel und der Bahn hat. Die Schwingungen des Rakelbalkens werden durch zyklische Laufzeitanregungen hervorgerufen, die dem Balken während des Beschichtungsprozesses aufgezwungen werden. Die Hauptquelle für Anregungen stellen die rotierenden Walzen dar, wenn ihre Rotationsgeschwindigkeit mit der niedrigsten Eigenfrequenz des Rakelbalkens in Richtung des Bahnlaufes übereinstimmt. Bei der Übereinstimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze mit der Eigenschwingung des Rakelbalkens fängt der Balken mit wachsender Amplitude an zu oszillieren, was möglicherweise große Variationen des Beschichtungsgewichtes auf der Oberfläche der Papier- oder Pappbahn verursacht. Mit steigender Breite des Rakelbalkens nimmt die Eigenfrequenz des Balkens ab, wobei dies zusammen mit dem anhaltenden Trend zu immer höheren Maschinengeschwindigkeiten, z. B. bei Maschinen mit einer Breite von 8–10 Metern und Laufgeschwindigkeiten oberhalb von 1200 m/min, zu einem Betrieb in einer Bandbreite führt, bei dem sich die Erreger-Frequenz und die Eigenfrequenz des Rakelbalkens überschneiden können. Darüber hinaus kann die Amplitude der Eigenfrequenzoszillationen, die bei einem breiten Balken hervorgerufen werden, drastischer ansteigen als bei einem schmaleren Balken, der von derselben Quelle angeregt wird. Während das Auftauchen von derartigen Anregungen durch eine Änderung der Laufgeschwindigkeit der Papiermaschine vermieden werden kann, ist das im Allgemeinen nicht wünschenswert, weil das Ziel darin besteht, die Maschine mit ihrer maximal möglichen Geschwindigkeit zu betreiben, die eine optimale oder wenigstens akzeptable Qualität der Bahnbeschichtung ergibt. Daher ist es wünschenswert, die Schwingungen des Rakelbalkens regulieren zu können, um mögliche Resonanzschwingungen des Rakelbalkens zu unterdrücken.
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Zum Dämpfen obiger Schwingungen ist es im Stand der Technik beispielsweise anhand der
DE 197 55 411 A1 bekannt gewesen, ein Kraftgerät zum Dämpfen eines Egalisier- oder/und Dosierelementes (Rakelklinge) vorzusehen, wobei das wenigstens eine Kraftgerät über wenigstens eine Federanordnung auf die Kraftübertragungseinheit einwirkt. Ferner war es beispielsweise anhand der
DE 44 40 711 A1 bekannt, einen Dämpferschlauch, der mit einem Fluid-Druckmedium gefüllt ist, an der Rakel vorzusehen, um Letztere zu dämpfen. Die
DE 197 30 142 A1 zeigt eine Lösung zum Dämpfen von Schwingungen, bei der Stützrollen an der Rakel vorgesehen sind, die ihrerseits mit einem eine ausreichende Haftreibung zwischen Stützrollen und Rakelstab bereit stellenden Belag versehen sind. Die Stützrollen können zusätzlich gefedert gelagert sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die im Stande ist, die Oszillationen bei der Eigenfrequenz des Rakelbalkens zu dämpfen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch Merkmale gemäß der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Hierzu ist an dem Rakelbalken wenigstens eine dynamische Dämpfungsvorrichtung angebracht, die wenigstens ein federgespanntes Element und eine durch das federgespannte Element abgefederte Masse enthält.
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Des Weiteren ist die Dämpfungsvorrichtung vorteilhafterweise in der Mitte des Rakelbalkens angeordnet und das federgespannte Element ist mit einem Dämpfungselement versehen, welches dazu geeignet ist, die Amplitude der Bewegungen des federgespannten Elementes zu begrenzen.
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Die Erfindung bietet erhebliche Vorteile.
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Durch die dynamische Dämpfereinrichtung können die Schwingungen des Rakelbalkens wesentlich gedämpft werden. Die anzusteuernde Masse ist kleiner als die Masse, die zur direkten Anbringung am Rakelbalken benötigt würde, wobei die neue Anordnung sogar einen höheren Dämpfungseffekt ergibt. Die Beweglichkeit der Dämpftungsvorrichtung kann mittels eines hydraulischen, pneumatischen oder eines Friktions-Dämpfungselementes eingeschränkt sein, um so einen unkontrollierten Anstieg der Amplitude der Dämpferbewegungen zu verhindern. Weil die Schwingungen des Rakelbalkens auf diese Weise auf einem niedrigen Level gehalten werden, ist das Ergebnis des Beschichtungsprozesses verbessert und die Qualität des so hergestellten Produktes wird einheitlicher. Dank der vorliegenden Erfindung schränken Schwingungen – selbst bei breiteren Maschinen – nicht den Anstieg der Bahngeschwindigkeit ein. Das ist insofern ein wesentlicher Vorteil, als einerseits eine Verbreiterung der Maschinen ausgehend vom heutigen Standard kompliziert und teuer ist, während andererseits höhere Bahngeschwindigkeiten einen einfacheren Weg darstellen, um eine größere Produktionskapazität zu erreichen.
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Im Folgenden wird die Erfindung genauer mit Verweis auf die beigefügte Zeichnung betrachtet, die eine Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht zeigt.
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Die Halterung eines Rakelbalkens 1, wie sie in der Darstellung gezeigt ist, ist in herkömmlicher Weise durch die Montage der Enden des Rakelbalkens 1 in Lager ausgeführt, die den Balken drehbar am Rahmen der Beschichtungsvorrichtung halten. Die Rakel ist zwischen den drehbaren Haltepunkten angebracht. Da sich der Rakelbalken 1 unter der Last und seinem eigenen Gewicht durchbiegen kann, sind die Haltedrehpunkte in den Lagern unter Verwendung von Anlenkungslagern ausgeführt, derart, dass sowohl der Haltepunkt als auch das Ende des Balkens 1 transversal zur Längsachse des Balkens rotieren können. Dementsprechend ist der Balken 1 nach den Regeln statischer Konstruktionen mit Drehhalteverbindern an seinen beiden Enden ausgestattet. Am Mittelpunkt von Balken 1 ist eine Spindelschraube angebracht, die dem Balken zentralen Halt bietet und es dem Balken ermöglicht, entsprechend dem gewünschten Klingenwinkel und den Veränderungen der Klingenlast zu rotieren.
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In der Zeichnung ist ein Ausschnitt des Rakelbalkens im Mittelbereich des Balkens gezeigt. Der Rakelbalken ist mit der Referenznummer 1 bezeichnet. Genau in der Mitte des Balkens 1 bezogen auf seinen Verlauf quer zur Maschine ist eine Befestigungsklammer 3 für ein Gestänge 2 zur Justierung des Winkels des Rakelbalkens 1 angebracht. Die Stange des Gestänges 2 zur Winkeljustierung ist mittels eines Drehgelenks 4 mit der Befestigungsklammer verbunden. Die Befestigungsarme 5 der Elemente der dynamischen Dämpfungsvorrichtung ragen von der Befestigungsklammer 3 nach unten hervor. Die dynamische Dämpfungsvorrichtung umfasst zwei Dämpfungselemente, die symmetrisch um die Befestigungsklammer 3 angebracht sind. Jedes Dämpfungselement weist eine Blattfederstange 6 auf, die als blattfedergespanntes Element fungiert und mit ihrem ersten Ende mit dem Befestigungsarm 5 des Dämpfungselementes verbunden ist, sowie eine (bewegliche) Schwingungsmasse 7 und ein Dämpfungsbauteil, welche zwischen dem zweiten Ende der Blattfederstange 6 und dem Rakelbalken 1 angebracht sind. Das Dämpfungselement ist über eine Montageplatte 9 mit dem Rakelbalken 1 verbunden.
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Insofern die größte Amplitude von Schwingungen eines Rakelbalkens, der an seinen Enden gehalten wird, in der Mitte des Balkens auftritt, ist die Mitte des Balkens offensichtlich auch die optimale Position für die dynamische Dämpfungsvorrichtung. Jedenfalls reduziert die Unterteilung der Dämpfungsvorrichtung in zwei Teile den durch die Dämpfungsmittel benötigten Platz und macht die Implementierung leichter. Natürlich wird die hier diskutierte Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung in vorteilhaftester Weise symmetrisch ausgeführt. Offensichtlich muss die Eigenfrequenz der Dämpfungsvorrichtung auf die Eigenfrequenz des Rakelbalkens abgestimmt sein. Die Variablen bei der Berechnung der Dämpfungsparameter sind die Größe der vibrierenden Masse und ihr Abstand vom Haltepunkt. Wird die Masse groß gemacht, sind die Frequenzspitzen der Eigenschwingungen der Dämpfer weit voneinander entfernt, während die Justierung des Dämpfers leichter durch die Platzierung der Masse bei einer korrekten Distanz vom Haltepunkt zu bewerkstelligen ist. Andererseits vergrößert eine große Masse, die der eigenen Masse des Balkens hinzugefügt wird, die Last des Rakelbalkens und vergrößert den für den Dämpfer benötigten Platz. Jedenfalls bringt die Benutzung von kleinen Schwingungsmassen die Frequenzspitzen der Eigenschwingungen näher zueinander, was die Einstellung des Dämpfers auf die Eigenfrequenz des Rakelbalkens schwieriger gestaltet. Wegen dieser Gründe beträgt das Optimum der Massengröße etwa 20% der Masse des Rakelbalkens. Somit wird die Masse jedes Dämpfungselementes bei etwa 10% der Masse des Rakelbalkens gewählt.
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Wenn die Erregerkraft bei einer konstanten Frequenz verharrt, die mit der Eigenfrequenz des Rakelbalkens und des Dämpfers übereinstimmt, nimmt die Amplitude der Dämpferbewegungen ohne Begrenzung zu. Um die Amplitude der Schwingungen in vertretbaren Grenzen zu halten, wird ein Dämpfungsbauteil 8 zur Absorption kinetischer Energie am Ende der Blattfederstange 6 angebracht, das für die Masse 7 als federgespanntes Element wirkt. Die Funktion dieses absorbierenden Dämpferbauteils besteht darin, die kinetische Energie der dynamischen Dämpfungsvorrichtung durch die Dämpfung der Bewegung des Endes der Blattfederstange 6 in Wärme umzuwandeln. Das absorbierende Dämpferbauteil kann jedes konventionelle Bauteil wie z. B. ein hydraulischer, friktionaler oder gasgefüllter Dämpfer sein. Eine Vielzahl von geeigneten absorbierenden Dämpferbauteilen ist auf kommerziellem Wege erhältlich, wie auch die Konstruktion eines für diesen Zweck verwendeten derartigen Bauteils dem Fachmann gut bekannt ist.
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Während die zuvor beschriebene dynamische Dämpfungsvorrichtung bereits während der Konstruktionsphase des Rakelbalkens recht genau auf die richtige Eigenfrequenz hin dimensioniert sein kann, werden die besten Ergebnisse durch die Einstellung des Dämpfers auf die Frequenz mit maximaler Dämpfung beim tatsächlichen Betrieb des Rakelbalkens erreicht. Darm stimmt die Eigenfrequenz des Dämpfers am genauesten mit der Eigenfrequenz des Rakelbalkens überein, wobei eine Dämpferkonstruktion, welche den Dämpfer dazu veranlasst, mit einer relativ zu den Schwingungen des Rakelbalkens inversen Phase zu oszillieren, zu einer wirksamen Dämpfung führt. Die Einstellung kann durch Änderungen des Abstandes von Masse 7 zum Haltepunkt erfolgen, d. h. den Befestigungsarm 5 des Dämpferelements. In der in der Zeichnung gezeigten exemplarischen Ausführung ist die Masse 7 in zwei Teile geteilt, die um die Blattfederstange 6 angeordnet sind. Die Masse kann dadurch bewegt werden, dass die in den Festigungslöchern 10 festgezogenen Schrauben gelöst werden, wodurch eine Justierung der rückstellenden Federlänge des federgespannten Elementes möglich ist. Bei dieser Art von Dämpfer kann die Feinabstimmung des Dämpfers durch Bewegung der Masse bei laufender Beschichtung durchgeführt werden, und wenn nötig, kann die Abstimmung wiederholt werden, wenn aufgrund von Wartung oder Umarbeitungen Änderungen an der Konstruktion des Beschichters oder Rakelbalkens erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die Masse beweglich, z. B. mittels eines Schraubengewindes, anzubringen, wodurch die Abstimmung, z. B. basierend auf Messungen der Schwingungen des Rakelbalkens, automatisch durchgeführt werden kann.
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Ergänzend zu dieser Beschreibung kann die vorliegende Erfindung alternative Ausführungsformen haben.
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Vorteilhafterweise ist das federgespannte Element der Dämpfungsvorrichtung eine Blattfeder, die wie ein stangenähnliches Element implementiert ist, was die Herstellung kosteneffizient und die Dimensionierung einfach macht. Insofern der Umfang und der Gehalt der Erfindung nicht durch die Konstruktion der Feder eingeschränkt werden, kann als federgespanntes Element beispielsweise auch eine Schraubenfeder benutzt werden, die am Rakelbalken angebracht ist. Wie auch immer, erfordert eine derartige Konstruktion im Vergleich zu einem einfachen Dämpfer, wie er in der exemplarischen Ausführungsform benutzt wird, mehr Platz. Während der Dämpfer anstatt in der Mitte des Rakelbalkens auch an einem anderen Punkt des Balkens angebracht sein kann, kann die Wirksamkeit seiner Dämpfung schwächer werden oder nach der Benutzung größere Massen verlangen, da die Amplitude der Schwingungsbewegungen des Balkens bei anderen Punkten kleiner ist und daher weniger Möglichkeiten für die Schwingungsdämpfung mit inverser Phase bietet.
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Die Eigenfrequenz des Dämpfers muss nicht notwendigerweise genau auf die Eigenfrequenz des Rakelbalkens, sondern lediglich in das resonante Frequenzband der Eigenschwingung des Rakelbalkens geregelt werden. In diesem Fall muss sich das Resonanzfrequenzband, in dem die Eigenfrequenz des Dämpfers liegt, selbstverständlich so nahe bei der Eigenfrequenz des Rakelbalkens befinden, dass die Effektivität der Dämpfung 50% beträgt. Wenn die Eigenfrequenz des Dämpfers sehr nahe an die Eigenfrequenz des Rakelbalkens geregelt werden kann, kann die Amplitude der Schwingungen auf ein Drittel der ungedämpften Amplitude gedämpft werden.
