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Regelvorrichtung für elektromotorische Antriebe von Aufwickelspulen
für Fäden Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für elektromotorische
Antriebe von Aufwickelspulen für Fäden unter Verwendung von Mitläuferwalzen und
Fliehkraftkontaktreglem zwecks Erzielung einer annähernd gleichbleibenden Auflaufgeschwindigkeit
und eines annähernd gleichbleibenden Streckungsverhältnisses.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Aufwickelspule durch
Friktion von einer zylindrischen Walze angetrieben wird, welche ihrerseits eine
auf Konstanz geregelte Umlaufgeschwindigkeit besitzt. Um ein schlupffreies Mitlaufen
der relativ schweren Spule, deren Gewicht einige Kilogramm beträgt, zu gewährleisten,
ist ein erheblicher Anpreßdruck der antreibenden Walze an den Umfang des Spulenkörpers
erforderlich. Dieser Druck preßt jedoch die einzelnen Faser- bzw. Fadenwindungen
auf der Spule stark aneinander, was besonders bei endlosen Kunstfasern, die noch
im plastischen Zustand aufgewickelt werden, mit großen Nachteilen verbunden ist.
Die Fasern werden außerdem durch den starken Anpreßdruck unsachgemäß beansprucht,
was sich auf ihre Qualität ungünstig auswirkt. Ein weiterer Nachteil liegt in dem
erforderlichen Zentralantrieb für eine gewisse Anzahl von Spulstellen, da der Leistungsaufwand
für Einzelantrieb bei diesem Verfahren ungünstig ist.
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Um eine Vereinfachung des Maschinengestells zu erzielen und lange
Wellen und Kupplungen, die unnötigen Kraftaufwand erfordern, zu vermeiden, wurden
Aufwickelspulvorrichtungen mit Einzel antrieb geschaffen. Hierdurch wurden die Betriebssicherheit
und die Zuverlässigkeit der Maschine gegenüber dem Zentralantrieb der vorher beschriebenen
Vorrichtungen erhöht. Damit war jedoch die Notwendigkeit einer ständigen Regelung
der Umfangsgeschwindigkeit beim Aufwickeln des fortwährend größer werdenden Spulumfangs
verbunden, um eine stetig gleichbleibende Faserspannung und damit gleiche Faserdicke
zu erzielen. Dies wird bei bekannten Vorrichtungen durch einen in den Fadenlauf
eingeschalteten Fühler erreicht, der bei zunehmender Faserspannung die Drehzahl
der Spule vermindert, bei abnehmender Spannung die Drehzahl der Spule jedoch steigert.
Zur Erzielung einer notwendigen Nenn- oder Normalspannung in der endlosen Faser
bzw. im Faden ist die sogenannte Galette in den Faserlauf eingeschaltet, welche
aus einem mit entsprechender Drehzahl angetriebenen Rollenpaar besteht, welches
die Faser in S-Form umläuft, so daß ein Schlupfen der Faser auf den beiden Rollen
ausgeschlossen ist. Hierdurch kann zwischen Galette
und Spule eine gewisse konstante
Faserspannung erzeugt werden.
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Da mit dem Fortschreiten der Technik die Faser mit steigender Geschwindigkeit
der Spuleinrichtung zugeführt wird, ist es bereits bei einer heute üblichen Fasergeschwindigkeit
bis 1200 m pro Minute außerordentlich schwierig, die mit solcher Geschwindigkeit
ankommende Faser um die Galette und über den Fühler zu legen. Außerdem ist die Anordnung
mit Galette und Fühler kompliziert und kostspielig in ihrer Herstellung.
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Weiterhin ist eine selbständige Steuerung der Umfangsgeschwindigkeit
von Aufwickelspulen von deren wachsendem Durchmesser aus mittels elektrischer Regler,
beispielweise Widerstände, die mechanisch mit einer Schwinge gekuppelt sind, bekannt.
Diese Regulierungseinrichtungen wirken jedoch ungenau und sind für die erforderliche
außerordentlich genaue Regelung des Antriebs von Kunstfaserspulen nicht geeignet
Das gleiche gilt von stufenlosen mechanischen Getrieben. Auch Geschwindigkeitsregelungen
in Abhängigkeit vom jeweiligen Durchmesser des Spulenkörpers ohne Verwendung eines
Mitläufers, z. B. unter Verwendung eines schleifenden Antriebs, sind ungeeignet.
Lösungen, die eine Teilumschlingung des Regelorgans durch das Wickelgut selbst beinhalten,
entfallen, da sie für einen einzelnen empfindlichen Kunstfaserfaden unbrauchbar
sind. Der Faden ist nicht imstande, die erforderliche Friktion und Antriebskraft
für einen schlupffreien Antrieb des Regelorgans aufzubringen.
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Es muß also in bekannter Weise ein gegen die Umfangsfläche der Spule
anliegender Mitläufer verwendet werden. Es genügt jedoch nicht, mittels des
Mitläufers
einen Kontakttachometer oder mittels Tachodynamo einen Kontaktvoltmeter zu speisen,
da beide Vorrichtungen mit zu viel Trägheit behaftet sind. Diese obendrein noch
kostspielige Regeleinrichtung ist - da sie nur eine schleppende, verzögerte Regelung
der Spulendrehzahl erlaubt - für das Aufwickeln von hochempfindlichen Kunstfaserfäden
völlig ungeeignet.
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Die obigen Nachteile und Mängel werden durch die Erfindung im wesentlichen
dadurch beseitigt, daß ein Fliehkraftkontaktregler unmittelbar auf der Welle einer
Mitläuferwalze angeordnet ist und über Schaltglieder Vorwiderstände im Motorstromkreis
periodisch überbrückt. Hierbei werden die positiven bzw. negativen Drehzahlschwankungen
des gegen die Umfangsfläche der Spule anliegenden Mitläufers in bezug auf einen
Sollwert »unmittelbar« als impulserregende Regelgrößen für die Regelung der Spulendrehzahl
bzw. der regelbaren Antriebsmaschine zwecks Erzielung gleichbleibender Geschwindigkeit
der Faser bei ihrem Auflauf auf den Spulenumfang verwendet.
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Dadurch wird die Regelvorrichtung gegenüber der mit Galette und Fühler
versehenen Vorrichtung bedeutend vereinfacht und außerdem das Einlegen des Fadens
sehr erleichtert.
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Der Mitläufer ist zweckmäßig in Form einer schlanken Walze ausgebildet,
deren Länge mindestens der Länge des Spulenkörpers entspricht und welche gegenüber
einer bekannten Treibwalze für den Spulenantrieb ein sehr kleines Eigengewicht besitzt,
denn der Mitläufer folgt in der Regel nur dann der in geringen Grenzen schwankenden
Abzugsgeschwindigkeit, wenn er ein minimales Trägheitsmoment besitzt, und nur dann
wirkt sich der Vorteil durch die unmittelbare starre Kupplung des Fliehkraftreglers
mit dem rotierenden Mitläufer voll aus. Der Schlupf zwischen Spule und Mitläufer
wird vernachlässigbar klein. Der Anpreßdruck des Mitläufers auf die Spule läßt sich
im Gegensatz zum Friktionsantrieb nunmehr so klein wie erforderlich halten, so daß
die Fäden nicht mehr verwalzt werden, die Aufwickelmaschine also wesentlich besseres
Spinngut liefert. Gleichzeitig kann durch die Ausbildung der Mitläuferwalze als
Leitwalze mit geringstem Trägheitsmoment erreicht werden, daß die Leitwalze der
verlangten geringeren Shorehärte des Spulenwickels angepaßt werden kann, wodurch
die Weiterverarbeitung auf der Zwirnmaschine weniger Verluste ergibt, weil sich
das Aufwickelgut besser abwickeln läßt. Die Oberfläche der Walze ist dabei den Eigenschaften
des Spinngutes angepaßt, um bei dem geringen Anpreßdruck auch hierdurch jeden Schlupf
zu vermeiden und eine sichere Mitnahme der Mitläuferwalze durch das Aufwickelgut
zu gewährleisten. Dies läßt sich beispielweise durch Aufbringung einer Aluminiumoxydschicht
erreichen.
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Der Fliehkraftregler besitzt zweckmäßigerweise eine exzentrisch zur
Drehachse liegende und sich senkrecht zu dieser erstreckende schmale Blattfeder
von geringster Masse. Der Mitläufer kann ohne Schwierigkeit gleichzeitig als Stützwalze
eines Fadenführers ausgebildet sein bzw. eine solche Stützwalze als Mitläufer dienen.
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Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde. die Steuerkontakte
für die Regelung unmittelbar und ohne störend wirkende Verzögerung durch die Mitläuferwalze
zu betätigen. Durch die erfindungsgemäße kombinierte Anwendung eines gegen den Umfang
der Spule anliegenden Mitläufers, eines hier-
von unmittelbar angetriebenen elektrischen
Fliehkraftkontaktreglers und einer rein elektrischen Beeinflussung des Antriebsstromkreises
ohne Zwischenschaltung mechanischer Regelglieder ist eine Regelvorrichtung geschaffen,
die es gestattet, auch beim Aufspulen von hochempfindlichen endlosen Fasern eine
genau gleichbleibende Geschwindigkeit der Faser beim Umlauf auf dem Spulenumfang
zu sichern. Jede Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Auflaufgeschwindigkeit bedeutet
aber bei dem heute zur Verarbeitung gelangenden. gegen Streckung hochempfindlichen
Kunstfasergutes einen bedeutenden technischen Fortschritt, weil nur dadurch eine
hohe Genauigkeit des Titers gewährleistet werden kann.
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Bei Anwendung eines elektrischen Fliehkraftkontaktreglers kann der
bei der Kontaktgebung auftretende Reibungswiderstand, der sich auf das leichte Mitlaufen
der Walze nachteilig auswirken würde, dadurch verringert werden, daß die Stromzufiihrungen
des Kontaktreglers innerhalb der Walze zu ihren beiden Stirnenden durchgeführt werden
und dort mit in der Achsrichtung angeordneten Abnehmerkontakten zusammenwirken.
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Auf diese Weise kann der vom Mitläufer angetriebene elektrische Fliehkraftkontaktregler
bei Drehzahlschwankungen die Regelung der Spulendrehzahl als Zweipunktregler bewirken.
Durch Öffnen und Schließen der elektrischen Kontakte des Fliehkraftreglers greift
dieser in den Speisestromkreis des Antriebsmotors der Spule bzw. in einen Hilfsstromkreis
ein, der mit dem Speisestromkreis z. B. über ein Relais oder ein anderes Schaltelement
verbunden ist, so daß die Wirkung die gleiche ist, als ob der Fliehkraftregler direkt
im Speisestromkreis des Antriebsmotors läge. Der Vorteil der Benutzung eines Hilfsstromkreises
liegt lediglich in der geringen Strombelastung der Kontakte des Fliehkraftreglers.
Die Regelung erfolgt also bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung durch Ein-
und Ausschalten des Antriebsmotors der Aufwickelspule in sehr schneller Folge (5-
bis 10mal in der Sekunde und noch schneller). Hierdurch entsteht ein Hin- und Herpendeln
des Antriebes der Aufwickelvorrichtung, und hieraus ist offenbar das Vorurteil der
Technik entstanden, an eine Regelung solcher Art nicht heranzugehen; aber eine genaue
Durchrechnung aller technischen Daten hat eben gezeigt, daß die Vorurteile bei richtiger
Dimensionierung der einzelnen Elemente, die den Regelkreis bilden, unberechtigt
sind. Im Gegenteil, es läßt sich eine Regelung aufbauen, die exakt arbeitet, einfach
und damit auch preiswerter ist als alles bisher Dagewesene. Die Größe des Hin- und
Herpendelns ist ja eine Funktion der Zeitfolge, mit der der Fliehkraftregler ein-
und ausschaltet, und abhängig von dem mit dem Motor verbundenen Trägheitsmoment.
Ereicht wird daher diese empfindliche Regelung durch eine Mitläuferwalze geringsten
Trägheitsmomentes, einen empfindlichen Fliehkraftregler. ein Relais mit geringster
Ansprechverzögerung und durch die Abstimmung der rotierenden Schwungmassen der Aufwickelmaschine
auf die Regelung.
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Die Einschaltung eines Hilfsmotors würde, abgesehen von der Verteuerung,
ein viel zu träges Regelelement bedeuten. Vielmehr ist es kennzeichnend und wesentlich,
daß die Erfindung ohne Hilfsmotor arbeitet und der Antriebsmotor durch die Regelschaltung
direkt ein- und ausgeschaltet wird. Die Aufwickelgeschwindigkeit
pendelt
hierbei nur innerhalb der zulässigen Toleranz von t 10/o, wobei die mittlere Toleranzgrenze
auch auf t 3 36/o festgelegt werden könnte, wie Messungen ergeben haben. Die Aufwickelgeschwindigkeit
selbst liegt je nach gewünschtem Titer und dem Material im allgemeinen zwischen
200 und 1000 m/Min.
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Voraussetzung für eine gute einwandfreie und sichere Regelung ist,
daß die Mitläuferwalze die durch das Ein- und Ausschalten erfolgenden Beschleunigungs-
und Bremsvorgänge der Aufwickelspule auch echt und ohne Verzögerung wiedergibt.
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Dies kann aber unter der Voraussetzung eines verschwindend kleinen
Anpreßdruckes, bei welchem die Fäden aus Kunststoffasern nicht verwalzt werden,
in der Regel nur dann der Fall sein, wenn, wie vordem schon erwähnt, die Mitläuferwalze
lang ist, leicht rotiert, ein geringes Gewicht hat und damit ein außerordentlich
geringes Trägheitsmoment besitzt, z. B. durch Wahl einer Walze von geringem Radius
und aus einem Material von geringer spezifischer Masse.
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Je größer nämlich die Schwungmasse der Mitläuferwalze ist, desto stärker
muß ihr Anpreßdruck sein, um eine einwandfreie und exakte Regelung der Spulendrehzahl
zu gewährleisten. Da gerade die Stützwalze der Fadenführerschwinge im allgemeinen
die vorgenannten Erfordernisse erfüllt, die an die Mitläuferwalze gestellt werden,
ist es zweckmäßig, diese Stützwalze gleichzeitig als Mitläufer der Regelvorrichtung
zu verwenden und mit einem das Ein-und Ausschalten des Antriebsmotors bewerkstelligenden
Fliehkraftkontaktregler zu versehen.
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Die Erfindung und deren weitere Merkmale und Vorteile werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert,
auf welche jedoch die möglichen Ausführungsarten der Erfindung nicht beschränkt
sind.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Mitläufer und die ihn tragende
Schwinge; Fig. 2 ist die Ansicht des auf der Welle der Mitläuferwalze aufgesetzten
Fliehkraftkontaktreglers; Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Schwinge und die teilweise
axial geschnittene Mitläuferwalze mit ebenfalls axial geschnittenem Fliehkraftregler;
Fig. 4 zeigt eine für die Ausführung nach Fig. 1 bis 3 geeignete Schaltanordnung
mit einem Relais in dem regelbaren Stromkreis.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 ist auf dem mit Einzelantrieb
ausgestatteten Spulenkörper 1 die Spule 4 aufgewickelt, auf deren Umfang sich die
mitlaufende Walze 3 abwälzt, welche in Kugellagern an der am Maschinenrahmen schwenkbar
angeordneten Schwinge 2 gelagert ist, um ein möglichst leichtes und reibungsfreies
Mitlaufen in ihren Lagern 6 zu gewährleisten. Mit der Schwinge 2 ist in bekannter
Weise ein Fadenführer 5 verbunden, für den die Mitläuferwalze 3 gleichzeitig als
Führungswalze auf dem Spulenumfang dient.
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Die Mitläuferwalze 3 hat einen Mantel aus einem haftfähigen Werkstoff,
um jeden Schlupf gegenüber dem Spulenumfang zu vermeiden. Die Länge der Walze 3
entspricht zweckmäßig mindestens der Länge des Spulenkörpers 4, um einen gleichmäßigen
Anpreßdruck der Walze auf der gesamten Länge der Spule zu gewährleisten.
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Auf der in den Kugellagern 6 gelagerten Welle 7 der Walze 3 ist ein
Fliehkraftkontaktregler 8 ange-
ordnet, dessen Kontakte 13 und 14 mit zwei Kontaktscheiben
9, die an den beiden Stirnenden der Welle 7 angeordnet sind, durch innerhalb dieser
Welle 7 liegende elektrische Zuleitungen verbunden sind. An die beiden Kontaktscheiben
9 werden in axialer Richtung zur Welle 7 mittels einer Federanordnung 12 zwei kontaktgebende
Kohlen 10 gedrückt, die in einer Halterung 11 am Rahmen der Schwinge 2 angeordnet
sind. Die Kolben 10 sind in einen Reglerstromkreis 18 eingeschaltet, der vom Netzstromkreis
aus versorgt wird. Der Reglerstromkreis ist über ein Relais 16, welches natürlich
mit einem Beruhigungskreis zur Dämpfung der Induktion und einem Löschkreis zur Funkenverminderung
usw. (der Einfachheit halber in Fig. 4 nicht mit eingezeichnet) versehen ist, über
den Relaisschalter 16 mit dem Antriebsmotor 15 gekoppelt. Im Motorkreis liegt neben
dem Motor selbst ein Widerstand 17, der über die Relaiseinrichtung 16 kurzgeschlossen
werden kann.
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Die über die angetriebene Spule4 in Umlauf gebrachte Mitläuferwalze
3 wird durch den an der Welle 7 der Mitläuferwalze 3 angeordneten Fliehkraftkontaktregler
8 auf konstanter Drehzahl gehalten. Wird bei steigender Umfangsgeschwindigkeit die
Auflaufgeschwindigkeit des Aufwickelgutes auf die Spule und damit die Drehzahl des
Fliehkraftkontaktreglers größer, so öffnen sich dessen entsprechend eingestellte
Kontakte 13 und 14, wodurch der im Reglerkreis 18 erzeugte und durch das Relais
16 fließende Strom unterbrochen wird. Hierdurch öffnet sich der Kontakt des Relais
16, so daß der Widerstand 17 im Motorstromkreis eingeschaltet wird. Eine dadurch
bewirkte Spannungserniedrigung im Motorstromkreis ergibt eine Drehzahlminderung,
wodurch die Drehzahl der Spule 4 und die davon abhängige Drehzahl der Mitläuferwalze
3 verringert wird, bis der Fliehkraftkontaktregler 8 seine Kontakte wieder schließt.
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Die Regelgenauigkeit wird durch den Abzug der Kunstfaser selbst nicht
beeinflußt, weil die Momentenbedarfskurve für den Abzug des Fadens aus der Düse
nur wenige Gramm beträgt, also praktisch Null ist. Da also zum Abziehen der Kunstfasern
keine Energie benötigt wird, stellt sich bei einem Antrieb ohne Fliehkraftregler
die Drehzahl des Motors praktisch auf Gleichheit zwischen Antriebs- und dem entgegenwirkenden
Reibungsmoment ein, also auf eine völlig ungeregelte Abzugs geschwindigkeit, und
eben dies verhindert der Fliehkraftregler. Der Fliehkraftregler 8 ist mit der Mitläuferwalze
3 starr verbunden. Die Drehzahl der Mitläuferwalze und damit des Fliehkraftreglers
wird bestimmt durch die Spulenumfangsgeschwindigkeit - also die Abzugsgeschwindigkeit,
da die Mitläuferwalze von der Spule 4 an deren äußerem Umfang mitgenommen wird.
Einer Abzugsgeschwindigkeit von 400 m/Min. entspricht bei gegebenem Radius der Mitläuferwalze
z. B. eine Tourenzahl der Mitläuferwalze von rund 7500 Umdr./Min.
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Um diese Abzugsgeschwindigkeit zu halten, wird der Fliehkraftregler
auf eine Umdrehungszahl von 7500 Umdr./Min. eingestellt, d. h., der elektrische
Kontakt des Fliehkraftreglers öffnet sich beispielsweise bei etwa 7520Umdr./Min.
und schließt sich bei etwa 7480 Umdr./Min. der Mitläuferwalze.
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Wenn also bei diesem Beispiel die Abzugsgeschwindigkeit etwas über
dem Soll von 400 m/Min. liegt, so daß die Mitläuferwalze eine Tourenzahl von
7520
Umdr./Min. erreicht, öffnet der Fliehkraftregler seinen elektrischen Kontakt und
läßt mittels eines Relais 16, dessen Kontakte sich nun ebenfalls öffnen, den Strom
des Antriebsmotors 15 nunmehr über zusätzliche Widerständel7 laufen, so daß die
Antriebsleistung wesentlich kleiner als die entgegenwirkende Reibungsleistung wird.
Die in Form von Schwung vermöge des Trägheitsmomentes innewohnende Rotationsenergie
wird also aufgezehrt, bis die Abzugsgeschwindigkeit etwas unter 400 m/Min., und
zwar so weit sinkt, daß die Tourenzahl der Mitläuferwalze 7480 Umdr./Min. erreicht.
Dann schließt sich der Kontakt des Fliehkraftreglers und läßt mittels des Relais
16, dessen Kontakte sich nun ebenfalls wieder schließen, den Strom des Antriebsmotors
15 ungehemmt fließen, so daß die volle Antriebsleistung wieder zur Verfügung steht.
Da diese Antriebsleistung größer als die energieverzehrende Reibungsleistung ist,
wächst die Rotationsenergie so lange, bis die Abzugsgeschwindigkeit über dem Soll
von 400 mlMin. liegt und die Mitläuferwalze die Tourenzahl von 7520Umdr./Min. erreicht,
das Spiel also von vorn beginnt.
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Die Schaltzeiten sind nun proportional dem Verhältnis der Rotationsenergie
zurVerzehrleistung beim Bremsvorgang bzw. zur Zuwachsleistung beim Beschleunigungsvorgang.
Das Verhältnis Öffnungszeit zu Schließzeit ist also proportional dem Verhältnis
Zuwachsleistung zu Verzehrleistung; Rotationsenergie, Verzehrleistung und Zuwachsleistung
sind aber stark abhängig von der Spulen-Tourenzahl, die mit wachsendem Durchmesser
während des Aufspulens kleiner wird. Infolgedessen verändern sich während des Spulvorganges
die Offnungss und-Schließzeiten und deren Verhältnis zueinander. Und zwar werden
die Öffnungszeiten mit wachsendem
Spulendurchmesser ein wenig länger, die Schließzeiten
dagegen beträchtlich kürzer, wie auch an den Maschinen beobachtet werden kann.
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Der Fliehkraftkontaktregler hält also die Abzugsgeschwindigkeit innerhalb
enger Grenzen im Beispiel um 400 m/Min. praktisch konstant, womit auch bewiesen
ist, daß die Herabregelung der Motordrehzahl mit steigendem Wickeldurchmesser allein
mit Hilfe des Fliehkraftkontaktreglers in der durch Fig. 4 beispielsweise angegebenen
Schaltung möglich ist.