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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
radialen Elastizitätsmoduls von
Papier oder einem entsprechenden bahnähnlichen Material, welches
auf eine Rolle aufgerollt oder aufgewickelt werden kann. Bei dem
Verfahren wird die Verbindung zwischen der Kraft und Durchbiegung eines
in übereinanderliegenden
Schichten angeordneten Materials gemessen.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Messen des radialen Elastizitätsmoduls
von Papier besteht in einer in einem Labor durchgeführten Messung,
die zum Beispiel in der Veröffentlichung
von D. Roisum: The Mechanics of Win ding (Die Mechanik des Aufwickelns),
Tappi Press 1994, Seite 62, offenbart ist. Die Messung wird so durchgeführt, dass
ein Stapel von Papierbögen
zwischen zwei Ebenen gepresst wird. Als Ergebnis der Messung wird
eine Kurve erhalten, welche die Druckkraft als eine Funktion der
Höhe des Stapels
darstellt. Die Belastung wird durch Teilen der Kraft durch die Messfläche erhalten.
Die Beanspruchung des Papierstapels, die in diesem Fall in der Tat in
Komprimierung besteht, wird durch Teilen der Höhenveränderung durch die ursprüngliche
Höhe des Stapels
erhalten. Der Papierstapel wird belastet, bis er eine Belastung
erreicht, die im Wesentlichen dieselbe wie die Maximalbelastung
ist, die als innerhalb der Rolle wirksam angenommen wird. Die Belastung des
Papierstapels wird mehrere Male in Folge durchgeführt. Das
radiale Elastizitätsmodul
ist die Steilheit der Tangente der Belastungs-Beanspruchungskurve.
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Ein
Problem der Labormessung besteht darin, dass sie mit einer Verzögerung durchgeführt wird, mit
anderen Worten ausgedrückt
Reaktionen auf Probleme bei der Produktion langsam erfolgen. Die
Form des Papierstapels entspricht nicht vollständig der Form der Rolle in
der Produktionsmaschine. Weiterhin ist es notwendig, einen Papierstapel
zu verwenden, wobei es etwas schwierig ist, ein Muster für die Messung
vorzubereiten. Bei dieser Messung ist es jedoch notwendig, einen
Papierstapel zu verwenden, da es sehr schwer ist, ein zelne Bögen zu messen, wodurch
ungenaue Ergebnisse verursacht werden können.
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Mittels
des Verfahrens gemäß der Erfindung ist
es möglich,
die oben erwähnten
Probleme zu beseitigen oder zu vermindern. Das Verfahren gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die zur Berechnung des radialen
Elastizitätsmoduls
notwendigen Messungen von Kraft und Durchbiegung auf einer Papierrolle
außerhalb
der Auf roll- oder Aufwickelposition durchgeführt werden. Der Begriff Auf roll-
oder Aufwickelposition bezieht sich auf die Position, in der die
Rolle angeordnet ist, wenn Material in Form einer ununterbrochenen
Bahn auf dieselbe aufgerollt oder aufgewickelt wird.
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Die
Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung
bestehen darin, dass die Messung von Kraft und Durchbiegung auf
der Rolle durchgeführt
werden kann, wobei die Form der zu messenden Oberfläche richtig
ist. Mittels der Messung werden Informationen erhalten, die anzeigen,
wie das Aufrollen oder Aufwickeln durchgeführt werden sollte, zum Beispiel
welche Bahnspannung zu einer gegebenen Zeit verwendet werden sollte.
Mit anderen Worten ausgedrückt können die
Messergebnisse in theoretischen Aufwicklungsmodellen angewandt werden.
Da die Messungen auf der fertiggestellten Rolle durchgeführt werden,
ist es möglich,
auf Fehler beim Aufrollen oder Aufwickeln schnell zu reagieren.
Ungenau aufgerolltes oder aufgewickeltes Material kann erneut aufgerollt
oder zurückgewiesen
werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung
kann nach der Aufroll- oder Aufwickelposition von Aufrollern oder
Aufwicklern verschiedener Arten wie zum Beispiel Hülsenaufwicklern
oder Tragtrommelaufwicklern angewandt werden, wenn die Rolle in
eine spezielle Messposition übertragen
wurde. Das Verfahren kann auf entsprechende Art und Weise auch in
ununterbrochen betriebenen Aufrollern angewandt werden.
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Wenn
das Ziel in der Verwendung theoretischer Aufwickelmodelle besteht,
um Aufwickelparameterrezepte zu erhalten, ist es notwendig, das
Aufbauverhalten der Papierrolle zu kennen, das heißt die Verbindung
zwischen Belastung und Beanspruchung der Papierrolle. Wenn ein elastisches
orthotropes Ebenenmodell verwendet wird, sind vier Variablen zur
Beschreibung dieser Verbindung notwendig, wobei von diesen Variablen
das radiale Elastizitätsmodul
von dem Druck innerhalb der Rolle abhängig ist, und von den anderen
drei Variablen typischerweise angenommen wird, dass sie konstant
sind. Es wurde nun ein Verfahren zur Schätzung des radialen Elastizitätsmoduls
entwickelt, wobei das Verfahren unten in diesem Dokument beschrieben
wird.
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Wenn
das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet
wird, werden die zur Berechnung des radialen Elastizitätsmoduls
von Papier oder einem entsprechenden Material notwendigen Messungen
von Kraft und Durchbiegung außerhalb
der Aufroll- oder Aufwickelposition von Papier oder einem entsprechenden
Material durchgeführt.
Mit anderen Worten ausgedrückt
wird die Rolle von der Aufroll- oder Aufwickelposition zu einer
speziellen Messposition übertragen.
Bei der Messung wird eine feststehende (sich nicht drehende) Papierrolle
oder dergleichen mit Kräften
unterschiedlicher Größenordnung
in der Richtung des Radius der Papierrolle belastet und den Kräften entsprechende
Durchbiegungen werden registriert. Bei dieser Anwendung bezieht
sich der Begriff Durchbiegung auf die Kompression von schichtförmigem Papier
oder entsprechendem Material auf einer Rolle in der Richtung des
Radius der Rolle, wenn die Rolle mit einer Kraft in der Richtung
des Rollenradius belastet wird. Die Kompression kann entweder direkt
von der Bewegung des Pressbauteils in der Radialrichtung der Rolle
oder indirekt von dem Ausmaß der
Kontaktfläche
bei der Belastung (das Ausmaß der
Kontaktfläche
in der Richtung des Umfangs steht in Wechselbeziehung zu der Durchbiegung)
gemessen werden.
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Die
Messung wird durchgeführt,
wenn die Papierrolle oder dergleichen in einer Messstation positioniert
ist, die Einrichtungen zur Erzeugung und Registrierung der Durchbiegung,
und Einrichtungen zur Registrierung der Kraft enthält, die
der Durchbiegung entspricht. Die Messung wird nach Fertigstellung
der Papierrolle durchgeführt,
die Rolle wird angehalten und danach zu der Messstation übertragen. Die
Rolle wird mit einer bekannten Kraft belastet und gleichzeitig wird
die Durchbiegung der Rolle gemessen. Bei dem die Rolle in der Messstation
belastenden Bauteil kann es sich um ein Pressbauteil handeln, welches
die Oberfläche
der Rolle mittels einer Schwenkbewegung oder einer Linearbewegung
belastet. Die Messung der Durchbiegung kann zum Beispiel durch Messen
dieser Bewegung oder des durchbiegungsabhängigen Ausmaßes der
Kontaktfläche
zwischen der geraden Fläche
des Belastungsbauteils und der Oberfläche der Papierrolle in der
Belastungssituation durchgeführt
werden. Die Kraft kann mittels eines in dem Pressbauteil positionierten Sensors
oder auf der Grundlage der für
die Belastungsbewegung erforderlichen Kraft gemessen werden. Auf
der Grundlage des Messergebnisses wird eine Kurve erhalten, welche
die Durchbiegung in der Richtung des Radius der Rolle als eine Funktion
der die Rolle belastenden Kraft darstellt.
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Die
Durchbiegungen werden unter Verwendung desselben Pressbauteils mit
unterschiedlichen Kraftwerten bestimmt, wobei mehrere Paare von Messergebnissen
(Messpunkten) von Kraft und Durchbiegung erhalten werden. Ihre Anzahl
ist so groß,
dass es möglich
ist, dadurch eine zuverlässige Kraft-Durchbiegungskurve
zu erhal ten. In der Praxis ist es möglich, die Kraft konstant zu
erhöhen
und die Kräfte
und die entsprechende Durchbiegung in genügend kurzen Intervallen oder
konstant zu messen, wenn das Pressbauteil konstant in Richtung der
Mittelachse der Rolle in der Richtung des Radius gedrückt wird.
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Das
tangentiale Elastizitätsmodul
von Papier oder entsprechendem, aufzurollenden oder aufzuwickelndem
bahnähnlichem
Material, welches als Messergebnis entweder in Form einer Labormessung oder
in der Produktionsmaschine erhalten wird, wird in dem theoretischen
Belastungsmodell der Papierrolle positioniert. Als anfängliche
Annahmen verwendete Elastizitätsparameter
sind auch bei dem theoretischen Belastungsmodell notwendig. Auf
der Grundlage des theoretischen Belastungsmodells wird eine weitere
Kurve erhalten, welche die Durchbiegung in der Richtung des Radius
der Rolle als eine Funktion der die Rolle belastenden Kraft beschreibt.
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Das
theoretische Belastungsmodell der Papierrolle kann zum Beispiel
ein Modell sein, bei dem die FEM (Finite-Element-Modell)-Berechnung verwendet
wird. Die FEM-Berechnung
ist an sich bekannt und wird deshalb nicht detaillierter beschrieben.
Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass die FEM-Berechnung dann
verwendet wird, wenn die Verwendung genauer mathematischer Formeln
zum Beispiel auf Grund ihrer komplexen Art schwierig ist.
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Die
auf der Grundlage der Messergebnisse erhaltene Kurve und die auf
der Grundlage des theoretischen Belastungsmodells erhaltene Kurve
werden miteinander verglichen. Wenn sie übereinstimmen, ist die anfängliche
Annahme der Elastizitätsparameter
richtig. Wenn die Kurven nicht übereinstimmen,
werden neue Werte für
die Elastizitätsparameter
gegeben, wobei dieser Vorgang so lange fortgeführt wird, bis die mittels des
theoretischen Belastungsmodells erhaltene Kurve den Messergebnissen entspricht.
Das radiale Elastizitätsmodul
wird zum Beispiel durch die Elastizitätsparameter vollständig bekannt,
die anfänglich
als Annahmen in der Berechnung enthalten waren. Auf der Grundlage
des erhaltenen Ergebnisses ist es möglich, das radiale Elastizitätsmodul
zu schätzen.
Bei der Schätzung
ist es möglich,
zum Beispiel die Methode der kleinsten Quadrate zu verwenden, wobei
ein Minimum des Quadrates der Differenz der berechneten und gemessenen
Werte angestrebt wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben, wobei in
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1 das
Verfahren gemäß der Erfindung
in einem Blockdiagramm dargestellt ist,
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2 und 3 in
Seitenansichten der Rolle einige Messstationen dargestellt sind,
bei welchen es möglich
ist, das Verfahren gemäß der Erfindung durchzuführen, und
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4 eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens in einer Vorderansicht der Rolle dargestellt ist.
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In 1 ist
das Verfahren gemäß der Erfindung
zum Messen des radialen Elastizitätsmoduls von Papier in einem
Blockdiagramm dargestellt. Zur Berechnung des radialen Elastizitätsmoduls
ist eine anfängliche
Annahme der Elastizitätsparameter
und ein von dem Papier gemessenes tangentiales Elastizitätsmodul
notwendig.
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Das
radiale Elastizitätsmodul
kann mit der Formel Er = Er (δr)
dargestellt werden, das heißt
Er ist von der Radialbelastung δr abhängig. Diese
Abhängigkeit
kann mit einem Polynom erster bis dritter Ordnung beschrieben werden.
Elastizitätsparameter,
die als anfängliche
Annahmen erforderlich sind, können zum
Beispiel Koeffizienten dieses Polynoms sein.
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Das
tangentiale Elastizitätsmodul
kann mittels Labormessung gemessen werden, oder es kann in der Produktionsmaschine
gemessen werden. Wenn die als anfängliche Annahme gegebenen Elastizitätsparameter
in dem theoretischen Aufrollmodell positioniert werden, und eine
Kurve der Kompression der Rolle als eine Funktion der Walzenspaltlast
als ein Ergebnis der FEM-Berechnung erhalten wird, wird die erhaltene
Kurve mit der Kurve verglichen, welche die Durchbiegung der Rolle
als eine Funktion der Walzenspaltlast darstellt, die von der Produktionsmaschine
als ein Messergebnis erhalten wurde. Wenn die Kurven übereinstimmen,
ist die anfängliche Annahme
richtig. Wenn sie nicht übereinstimmen, werden
neue Werte für
die Elastizitätsparameter
gegeben und der Vergleich der Kurven wird fortgesetzt.
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In 2 ist
die nach dem Längsschneider-Aufwickler
durchgeführte
Messung veranschaulicht. Die Messung wird in der Messstation zum
Beispiel nach einem WinBelt®-Aufwickler oder einem WinRoll®-Aufwickler
durchgeführt.
Die Messstation kann an einem Standort positioniert werden, an den die
Rollen gleich nach dem Aufwickler übertragen werden, zum Beispiel
an den Standort der auf die Aufwickelposition folgenden Trägerbasis,
wobei die Rolle von oben auf der Tragtrommel auf diese Basis gerollt
und angehalten wird.
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In 2 ist
ein erstes Prinzip des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt,
bei dem eine kundenspezifisch angefertigte Rolle R, die in dem Längsschneider-Aufwickler um einen
Kern aufgewickelt ist, von oben mittels eines Pressbauteils 1 gedrückt wird, welches
am Ende eines Schwenkarmes 2 positioniert ist. Der Arm
ist in der Vertikalebene schwenkbar angeordnet, und ist an einer
geeigneten Rahmenkonstruktion befestigt. Der Arm 2 wird
nach unten gedrückt
und gleichzeitig wird das Pressbauteil 1 mit einer zwischen
dem Rahmen und dem Arm 2 angeordneten Kraftausübungsvorrichtung
F gegen die Rolle R gedrückt.
Die Winkelposition an dem Belastungsarm 2 (Winkel θ) wird mittels
eines Winkelsensors 4 gemessen. Mittels des Winkels und
der Kraft, die von der Kraftausübungsvorrichtung 3 erzeugt
werden, ist es möglich,
die Senkung des Pressbauteils 1 als Funktion der durch
das Pressbauteil 1 erzeugten Radialkraft zu bestimmen.
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Bei
der Kraftausübungsvorrichtung 3 kann es
sich zum Beispiel um einen Hydraulikzylinder handeln, der eine messbare
Kraft erzeugt, wobei es auf dieser Grundlage möglich ist, die von dem Pressbauteil 1 erzeugte
Kraft zu berechnen.
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Das
Pressbauteil 1 kann relativ klein sein, wobei eine Voraussetzung
für seine
Funktion jedoch darin besteht, dass es seine Form während der
Belastung nicht verändert.
Das Pressbauteil 1 kann aus Stahl oder einem anderen Werkstoff
mit passender Härte
hergestellt sein. Die untere Fläche
des Pressbauteils ist eben, und die Ebene ist annähernd tangential
im Verhältnis
zu der Umfangsfläche
der Rolle angeordnet.
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Um
zur genauen Messung der tatsächlichen Belastungskraft
in der Lage zu sein, ist es möglich, einen
geeigneten Kraftsensor 5 auf der unteren Fläche des
Pressbauteils 1 zu verwenden. Dieser Kraftsensor misst direkt
die in dem Walzenspalt zwischen der Oberfläche des Kraftausübungsbauteils 1 und der
Umfangsfläche
der Rolle R wirksame Kraft. Es ist möglich, zum Beispiel eine druckempfindliche
Sensorfolie zu verwenden, die in der Lage ist, ein zu der Kraft
proportionales Messsignal zu geben. Ein Beispiel ist eine piezoresistive
Messfolie oder ein entsprechender Foliensensor. Bei Verwendung eines Foliensensors
mit einer großen
Oberfläche,
oder mehrerer Sensoren an verschiedenen Standorten des Pressbauteils 1 ist
es auch möglich,
die Form des Walzenspaltes, das heißt die Kontaktbreite zu messen,
wodurch mehr Informationen erhalten werden können. Die Kontaktbreite, das
heißt
das Ausmaß der
Kontaktfläche
in Richtung des Umfangs der Walze zeigt auch die Durchbiegung an,
wobei es mittels einer geeigneten Sensoranordnung des Pressbauteils
möglich
ist, sowohl die Kraft als auch die Durchbiegung zu messen.
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In 3 ist
ein weiteres Verfahren dargestellt, bei dem ein Pressbauteil 1 ebenfalls
am Ende eines Armes 2 positioniert ist. Die Funktion ist
analog zu 2, mit dem Unterschied, dass
die Kraftausübungsvorrichtung 3 eine
Linearbewegung erzeugt, da das Pressbauteil 1 und der Arm 2 so
angeordnet sind, dass sie sich in einer Führung linear bewegen. Auch
in diesem Fall ist es möglich,
die Kraft auf der Grundlage der Kraft zu bestimmen, die von der
in dem Pressbauteil 1 positionierten Kraftausübungsvorrichtung 3 oder
dem Kraft sensor 5 verwendet wird. Um die Bewegung proportional
zu der Durchbiegung zu messen, ist es bei dieser Alternative möglich, einen
Sensor 4 mit genügender
Genauigkeit zu verwenden, der zum Messen der Linearbewegung in der
Lage ist. Bei dieser Alternative ist es auch möglich, die Durchbiegung mittels
des Sensors des Pressbauteils zu bestimmen, wenn er zur Bestimmung
des Ausmaßes
der Kontaktfläche
verwendet werden kann.
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Bei
der Messposition von 2 und 3 wurde
die Rolle R von der Aufwickelposition weg verlagert. Die Messstation
weist eine Messbasis 6 auf, auf der die Rolle genügend von
unten gestützt
angeordnet ist, wobei ein Rollen derselben verhindert wird. Die
Trägerbasis 6 kann
zum Beispiel auf dem Bodenniveau angeordnet sein. Ein Vorteil der
Durchführung
der Messung außerhalb
der Aufrollers oder Aufwicklers besteht darin, dass die Messung
durchgeführt
werden kann, ohne den Aufroll- oder
Aufwickelvorgang zu stören.
Wenn die Messung in einer Station durchgeführt wird, in der die Rollen
normalerweise entladen werden, wenn sie vollständig aufgewickelt sind, wird
die Folge des Satzwechsels des Aufwicklers auch nicht gestört. Da es
möglich
ist, eine neue Rolle in dem Aufwickler gleichzeitig aufzuwickeln,
wenn die Rolle R in der Messstation gemessen wird, wird der Aufwickelvorgang
nicht gestört, und
Messungen können
im Prinzip so lange durchgeführt
werden, bis die Rolle von dem Pfad der nächsten Rolle weg verlagert
werden muss, die von dem Aufwickelvorgang kommt, wobei die Rolle
die nächste
ist, die in derselben Messstation zu messen ist.
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In 4 ist
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
dargestellt. Das Pressbauteil 1 ist so angeordnet, dass
es sich in Querrichtung, das heißt in Axialrichtung der Rolle
(Längsrichtung
des Kernes) bewegt, wobei es möglich
ist, die Kraft-Durchbiegungskurve an verschiedenen Standorten der
Rolle zu bestimmen. Die an verschiedenen Standorten gemessenen Kurven
können
zum Messen des Querrichtungsprofils des radialen Moduls der Rolle
verwendet werden. In der Praxis wird die Messstation von 4 so
verwirklicht, dass das Pressbauteil 1 beweglich auf einer
sich in Querrichtung erstreckenden Führung 7 angeordnet
ist, wobei der das Pressbauteil 1 tragende Arm 2 von
der Führung
aus schwebend gehalten werden kann, indem er zum Beispiel an einem
Trägerschlitten 8 oder
dergleichen befestigt wird, der sich in Längsrichtung der Führung hin-
und herbewegt.
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Die
Anordnung von 4 kann auch zum Messen mehrerer
aneinander angrenzender Rollen verwendet werden, wobei diese Situation
auftritt, wenn mehrere Rollen, die von derselben Bahn aufgewickelt
sind, nach dem Längsschneidevorgang
aus dem Rollenaufwickler herausgenommen werden. Das Pressbauteil 1 wird
nacheinander oben auf jede Rolle verlagert. Es ist auf jeder Rolle
mög lich,
einen Punkt oder mehrere Punkte zur Bestimmung eines Profils zu
messen.
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Die
oben erwähnten
Beispiele der Ausführungsformen
begrenzen die Erfindung nicht. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch bei
ununterbrochen arbeitenden Aufrollern angewandt werden, die zum
Aufrollen einer Papierbahn mit Produktionsbreite auf aufeinanderfolgenden
Maschinenrollen vorgesehen sind. Eine solche Messung kann zum Beispiel
dann durchgeführt
werden, wenn die Maschinenrolle außerhalb der Aufrollposition
auf Aufrollschienen angeordnet ist, oder wenn die Maschinenrolle
in der Abwickeleinrichtung positioniert wird, bevor ihre Abwicklung
beginnt. Es ist auch möglich,
ein Profil für
die Maschinenrolle zu bestimmen. Der Hauptgedanke bei dieser Erfindung
besteht darin, dass die zur Berechnung des radialen Elastizitätsmoduls
von Papier oder einem entsprechenden Material benötigten Messungen
direkt auf einer Rolle durchgeführt
werden können,
ohne den Aufroll- oder Aufwickelvorgang zu stören, weshalb die zusätzliche
Arbeit verursachende Labormessungsstufe weggelassen werden kann.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des radialen Elastizitätsmoduls
von Papier oder einem entsprechenden bahnähnlichen Material, welches
auf eine Rolle aufgerollt oder aufgewickelt werden kann. Bei dem
Verfahren wird die Verbindung zwischen der Kraft und Durchbiegung
eines in Schichten angeordneten Materials gemessen. Die zur Berechnung
des radialen Elastizitätsmoduls
notwendigen Messungen von Kraft und Durchbiegung werden auf einer
Rolle (R) aus Papier oder entsprechendem Material außerhalb
der Aufroll- oder
Aufwickelposition durchgeführt,
indem die Rolle mit einem Pressbauteil (1) belastet wird.
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