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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren 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
Erfindung betrifft auch eine für
die Anwendung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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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 Keuzungsrohr
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 Laufge schwindigkeit
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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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, welches im Stande ist, die Oszillationen bei der Eigenfrequenz des
Rakelbalkens zu dämpfen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass an dem Rakelbalken
wenigstens eine dynamische Dämpfungsvorrichtung
angebracht ist, die wenigstens ein federgespanntes Element und eine durch
das federgespannte Element abgefederte Masse enthält. 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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Genauer
wird das erfindungsgemäße Verfahren
durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 charakterisiert.
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Weiterhin
wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 charakterisiert.
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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 Dämpfungsvorrichtung 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 Lagern
ausgeführt,
die den Balken drehbar am Rahmen des Beschichtungsvorrichtung halten. Die
Rakel ist zwischen den drehbaren Haltepunkten angebracht. Da sich
der Rakelbalken 1 unter der Last und seinem eigenem 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,
den Balken 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 Stange 6 auf, die als blattfedergespanntes Element
fungiert und mit ihrem ersten Ende mit dem Befestigungsarm 5 des
Dämpfungselementes
verbunden ist, sowie eine bewegliche Masse 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 6 als federgespanntes Element 6 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. Dann 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 An 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 als der Umfang und der
Gehalt der Erfindung nicht durch die Konstruktion der Feder eingeschränkt werden,
kann als federgespannte 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 größerer 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 notwendiger Weise 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.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
von Schwingungen eines Rakelbalkens. Mit dem Rakelbalken (1)
ist wenigstens eine dynamische Dämpfungsvorrichtung
verbunden, die wenigstens ein federgespanntes Element, das an dem
Rakelbalken (1) fixierbar ist, und eine an dem federgespannten
Element befestigte Masse enthält,
wodurch die Eigenfrequenz der Dämpfungsvorrichtung
auf die Eigenfrequenz des Rakelbalkens abgestimmt ist.
(1)