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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Vorrichtung zum Regeln der
Spannung eines Bandes, das von einer Haspel abgezogen wird, die von einer druckluftbetätigten
Bremse gebremst wird, oder auf eine Haspel aufgewickelt wird, die von einer druckluftbetätigten
Antriebsmaschine oder Kupplung angetrieben wird, mit einem Regelventil, das ein
gegen eine Druckluftöffnung bewegbares plattenförmiges Ventilelement aufweist und
das der den Bremskolben bzw. die druckluftbetätigte Antriebsmaschine oder Kupplung
beaufschlagenden, von einer Druckluftquelle über ein Drosselventil konstanter Weite
zufließenden Druckluft eine je nach der Spannung des Bandes veränderliche Abflußöffnung
bietet, indem es von einer in einer Schleife des Bandes liegenden beweglichen Rolle
über ein Gestänge gegen eine das Ventil zu schließen suchende, einstellbare Kraft
je nach der Spannung des Bandes mehr oder weniger weit geöffnet wird.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art (USA.-Patentschriften 2 098
422, 2 343 181, 2 557 185) ist das bewegliche Ventilelement eine Düsen-Prallplatte,
und dort ist die Prallplatte über ihre ganze Fläche eben und dicht vor dem Düsenmund
angeordnet.
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Nach den Erfahrungen der Erfinderin sind solche Düse-Prallplatte-Verstärker
zur Regelung der Bandspannung bei sehr zerreißempfindlichem Band ungünstig, und
zwar wegen der ihnen innewohnenden Instabilität. Denn bei ihnen hat die vom Düsenstrahl
auf die Prallplatte ausgeübte Kraft, wenn als Funktion der zwischen der Düse und
der Prallplatte vorhandenen Spaltweite aufgetragen, eine mit der Öffnungsweite zunächst
ansteigende und erst danach absinkende Größe. Dies erklärt sich bekanntlich -siehe
z. B. »Bauelemente der Regelungstechnik« von Solodownikow, VEB Verlag Technik, Berlin
1963, Band I, Seiten 422 bis 424, Bild 98, und Seiten 470/ 471, Bild 940 - daraus,
daß die Prallwirkung des Strahls bei beginnendem Spalt, da dann der Strahl sich
entwickelt, mit der Spaltweite zunächst zunimmt und erst bei größerer Spaltweite
abnimmt. Diese Instabilität des Düse-Prallplatte-Verstärkers kann bei Vorrichtungen
der eingangs genannten Art Schwankungen der Bandspannung verursachen und dazu führen,
daß das Band reißt. Um guter Stabilität der Vorrichtung willen ist solche zunächst
steigende und erst danach fallende Kennlinie der auf das Ventilverschlußstück ausgeübten
Kraft unwillkommen und eine vom Beginn der Ventilöffnung an stetig fallende Kennlinie
erwünscht. Erfindungsaufgabe ist daher, das Ventilverschlußstück so zu gestalten,
daß das Ventil eine stetig fallende Kennlinie aufweist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das plattenförmige
Ventilelement des Regelventils einen der Druckluftöffnung gegenüberliegenden Ring
aufweist, dessen Rand mit der die Druckluftöffnung aufweisenden Ventilgehäusewand
einen die Ventilöffnung bildenden Spalt formt.
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Die große Fläche des durch den O-förmigen Ring gebildeten Napfes
ist sehr wichtig, denn sie gibt große Stellkraft, also große stabilisierende Kraft.
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Bekannt ist ein napfförmiges Verschlußstück von einer pneumatischen
Waage, welche aus Luft konstanten Drucks einen der Last proportionalen, die Last
anzeigenden Luftdruck erzeugt (britischePatentschrift 898 381).
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die das
Regelventil zu schließen su-
chende Kraft durch einen Druckluftzylinder erzeugt wird,
in welchem mittels eines einstellbaren Druckreglers ein beliebiger konstanter Druck
eingehalten wird. Dieser Druckluftzylinder hat vor einem zur Druckerzeugung dienenden
Gewicht den Vorzug, daß die Kraft sich leichter einstellen läßt, und vor einer Feder
den Vorteil, daß die Kraft nicht hubabhängigveränderlich, sondern konstant ist.
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Um ständiges Schwanken der Bremskraft infolge kleinerer Schwankungen
des vom Ventil erzeugten Luftdruckes zu verhindern, kann man die Erfindung noch
darin ausgestalten, daß in der vom Regelventil zum Bremszylinder führenden Druckluftleitung
zwei federbelastete Rückschlagventile von einstellbarer Federspannung angeordnet
sind, deren eines nur den Zufluß zum Zylinder und deren anderes nur den Abfluß aus
dem Zylinder zuläßt, und daß ihre Federn so gespannt sind, daß nur Schwankungen
oberhalb eines gewünschten, eingestellten Wertes in den bzw. aus dem Zylinder gelangen.
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Beim Beginn des Abhaspelns, d. h. solange die Bandschleife um die
bewegliche Rolle noch nicht vorhanden, also solange Abbremsen der Haspel noch nicht
nötig und noch keine Bandspannung vorhanden ist, die das Regelventil öffnen könnte,
kann es erwünscht sein, den Druck der durch das Drosselventil konstanter Weite zum
Regelventil und zum Bremszylinder strömenden Luft niedrigzuhalten. Dies kann dadurch
geschehen, daß dem zwischen der Druckluftquelle und dem Regelventil angeordneten
Drosselventil ein einstellbares Druckminderventilvorgeschaltet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine erste Ausführung der Gesamtanordnung, F i g. 2 eine zweite
Ausführung der Gesamtanordnung, F i g. 3 eine Abwandlung eines Details.
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In F i g. 1 ist mit 10 eine Haspel bezeichnet, die eine Rolle aus
Bandmaterial 12 trägt und in (nicht dargestellten) Lagern sitzt und von der das
Band 12 zur Richtung der Pfeile abgezogen wird. Die Haspel 10 ist mit einer Bremse
14 versehen, die ein veränderbares Bremsmoment zur Regulierung der Bandspannung
aufbringt. Die Bremse 14 besitzt einen Schlitzring, der in einem gerätefesten Träger
16 sitzt und dessen freies Ende 18 durch einen Bremszylinder 20 betätigt werden
kann, der zu diesem Zweck an eine Druckluftleitung 22 angeschlossen ist.
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Zum Aufbau einer Kraft, die sich zum Anzeigen der im Band herrschenden
Spannung verwenden läßt, wird eine Spannungs-Obertragungsrolle 24 vomBand 12 zwischen
einem Paar Umlenkrollen 26 umschlossen, deren Funktion darin besteht, eine geeignete
Umschlingung um die Rolle 24 sicherzustellen und auf diese eine Komponente der Bandspannung
zu übertragen. Die Rolle24 sitzt schwenkeinstellbar und drehbar in einer Kugelbuchse,
die das eine Ende der Achse 30 in einem Lagerständer hält. Das andere Ende der Achse
30 ist schwenkeinstellbar und drehbar in einem Hebelarm 34 gehalten, der schwenkbar
auf einem in einem stationären Träger 38 sitzenden Wellenstummel 36 gehalten ist.
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Ein allgemein mit 40 bezeichnetes Regelventil ist auf einer Grundplatte
42 aufgebaut, die auf einem stationären Träger 44 liegt. Das Regelventil 40 besitzt
ein schwenkbares Ventilelement 46, das bei 48
drehbar an der Grundplatte
42 gehalten ist und mit einem O-förmigen Ring 50 unter Bildung eines veränderbaren
Spaltes 51 zusammenwirkt.
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Die Grundplatte 42 des Regelventils 40 besitzt weiter eine Ventilgehäusewand
49, in dem ein Zweigstück der Druckluftleitung 22 endet. Luft oder ein anderes Strömungsmittel
wird der verzweigtenDruckluftleitung 22 unter Druck von einer Druckquelle her zugeführt,
und ein Drosselventil, vorzugsweise ein einstellbares Nadelventil 56, ist in die
Druckluftleitung 22 eingeschaltet. An Stelle einer verstellbaren Drossel kann man
jedoch auch eine feste Drossel verwenden.
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Die dem Ventilelement 46 über die Stange 41 übermittelte Bandspannung
wird durch einen abgeschlossenen Druckluftzylinder 60 aufgewogen, der in einer ringförmigen
Aussparung 62 einen vorzugsweise elastischen O-Ring 64 gleitbar und abdichtend aufnimmt
und mit diesem auf der Grundplatte 42 aufliegt. Dem Innenraum des Druckluftzylinders
60 wird über eine Leitung 66, die mit der Luftquelle in Verbindung ist und einen
mit einem Anzeigemeßgerät 70 verbundenen einstellbaren Druckregler 68 aufweist,
ein Druck zugeführt, der ausreicht, um die aufgebrachte Spannung auszugleichen.
Der Luftzuführdruck und die wirksame Fläche des Druckluftzylinders 60 sollten unter
Beachtung des zu erwartenden Bereiches der Bandspannung gewählt werden, so daß der
dem Druckzylinder zugeführte Druck zum Auswägen des Ventilelementes bei offenem
Spalt 51 reguliert werden kann. Der Hebel für die Spannung kann außerdem durch Bewegen
der Stange 41 entlang dem Verschlußstück 46 verändert werden.
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Bei dieser Ausführung ist das Produkt aus dem Druck in der Druckluftleitung
22 mit der Fläche des 0Ring 50 und dem Hebelarm um das Lager 48 gleich der Differenz
aus dem Produkt der durch den Druck in der Leitung 66 erzeugten Aufwärtskraft mit
deren Hebelarm um das Lager 48 und dem Produkt aus der Abwärtskraft in der Stange
41 mit deren Hebelarm um das Lager 48 und dem Produkt aus der Abwärtskraft in der
Stange 41 mit deren Hebelarm um das Lager 48. Mit anderen Worten, der Druck in der
Druckluftleitung 22 (und demzufolge das Bremsmoment) ist proportional zu der Differenz
zwischen der in dem Band erforderlichen Spannung und der dort tatsächlich herrschenden
Spannung. Hieraus ergibt sich, daß die vorhandene Spannung nicht exakt gleich der
gewünschten Spannung sein kann, daß aber der sich hieraus ergebende Fehler durch
Bemessung des O-Ringes 50 so klein wie gewünscht gemacht werden kann. Andererseits
ergibt sich daraus, daß ein Restfehler durch die Rückwirkung des Bremsdruckes auf
die Steuerung vorhanden ist, eine Steuerung, die im Betrieb relativ schnell, weich
und stabil wirkt.
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Im Betrieb wird das Druckregulierventil 68 eingestellt, bevor der
durch das Meßgerät 70 angezeigte Druck der erforderlichen Spannung entspricht. Dieser
Druck kann in zwei Komponenten aufgeteilt gedacht werden: den »Tara«-Druck, der
zum Ausgleich des Gewichtes der mechanischen Teile erforderlich ist, und den diesen
»Tara«-Druck übersteigenden Druck, der zu der gewünschten Spannung proportional
ist. Dieser Druck drückt das Ventilelement 46 nach oben und schließt auf diese Weise
den Spalt 51 mehr. Dadurch wird der Druck in der Druckluftleitung 22 gesteigert,
der das Bremsmoment
vergrößert und demzufolge auch die Bandspannung und dadurch die
Abwärtskraft in der Stange 41 vergrößert, bis am Ventilelement 46 das Gleichgewicht
wieder hergestellt ist.
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Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in F i g. 2 gezeigt, die jedoch verschiedene zusätzliche Merkmale aufweist.
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Auch hier sind der Ausführung nach Fig. 1 ähnliche Teile wiederum
in ähnlicher Weise beziffert.
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Ein mit einem Anzeigemeßgerät 82 versehenes einstellbares Druckminderventil
80 ist vor dem einstellbaren Nadelventil 56 in die Druckluftleitung 22 eingeschaltet
und dient zur Verminderung des Druckpegels beim Anlaufen der Vorrichtung. Zu Beginn
eines Umspulvorganges kann es erwünscht sein, den dem Regeleventil zugeführten Druck
zu vermindern, da die anfängliche, über die Stange 41 aufgebrachte Spannungsbelastung
lediglich aus dem Gewicht der Rolle 24 besteht, da zu diesem Zeitpunkt keine bemerkenswerte
Spannung auf das Band 12 ausgeübt wird; folglich kann der Spalt 51 des Regelventils
40 ausgangs völlig geschlossen sein. Bei einer normalen Luftzuführung kann daher
ein sehr hoher Druck auf den Bremszylinder 20 aufgebracht werden, der beim Beginn
des Umspulvorganges eine zu große Anfangsspannung hervorruft. Dies kann durch Einstellen
des Druckminderventils 80 zur starken Verminderung des Druckes der Luftzuführung
in diesem Zeitpunkt vermieden werden, wobei die auf die Bremse 14 aufgebrachte Spannung
auch dann auf einen Sicherheitswert begrenzt wird, wenn der Spalt 51 voll geschlossen
ist. Das Druckminderventil 80 sollte so eingestellt werden, daß es einen normalen
Zuführungsdruck durchläßt, sobald das Band 12 zu laufen begonnen hat und ein vorher
vorhandener Durchhang aufgenommen ist, so daß eine Steigerung des Bremsdruckes durch
die sich dadurch ergebende Spannung, wie sie durch die auf die Stange 41 ausgeübte
Kraft gemessen wird, abgetastet werden kann.
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Zu erwähnen ist noch, daß das Druckminderventil 80 vor dem Nadelventil
56 angeordnet werden muß, da das letztere zum Beschränken des Luftdurchsatzes nach
dem Regelventil 40 hin zur Regelung des Druckes in der Leitung 22 durch die Stellung
des Regelventils dient; wenn der Druck in der Druckluftleitung 22 stromabwärts des
Nadelventils 56 auf einen festen Wert geregelt würde, so würde er natürlich das
exakte Funtionieren des Systems verhindern.
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Ein zusätzliches Merkmal der Ausführung nach Fig. 2 umfaßt eine Vorrichtung
zum Verhindern einer kontinuierlichen Veränderung des Bremsdruckes durch geringere
Schwankung des Steuerdruckes in der Druckluftleitung 22. Ein praktisches Ergebnis
besteht darin, daß die übliche Spannung nicht auf einen einzigen präzisen Wert eingeregelt
werden muß; es ist vielmehr ausreichend, die Spannung innerhalb vernünftiger Toleranzgrenzen
eines gewünschten Hauptwertes zu halten. Folglich wird das Regelsystem an einer
Anderung des Bremsdrukkes so lange gehindert, wie die Spannung zwischen diesen Toleranzgrenzen
bleibt und verhältnismäßig kleine änderungen des Regeldruckes eintreten. Die sich
hierdurch ergebende Verminderung der Änderungsfrequenz des Bremsdruckes führt zu
einer vergrößerten Lebensdauer der die Bremse betätigenden Elemente. Die vorzugsweise
zu diesem Zweck- verwendete Vorrichtung umfaßt ein Paar federbelasteter Rückschlagventile
83 und 84, die in parallelen
Zweigen der Leitung 22 angeordnet sind.
Die Federkonstante und die freie Länge der Feder 86 im Rückschlagventil 84 sind
so ausgewählt, daß nur eine kleine Druckbelastung ausgeübt wird. Dadurch ergibt
sich, daß jedes Rückschlagventil nur dann öffnet, wenn ein ausreichender Differentialdruck
der entsprechenden Richtung zwischen der Druckluftleitung 22 und dem Bremszylinder
20 zur Überwindung der Druckkraft seiner Feder vorhanden ist und daß das Rückschlagventil
84 unter einem kleineren Differentialdruck als das Rückschlagventil 83 öffnet. Das
Rückschlagventil 83 ist mit einer Einstellschraube 92 zum Einstellen der Druckbelastung
seiner Feder 90 versehen, so daß eine gewünschte Differenz der Ansprechdruckwerte
der beiden Ventile ausgewählt werden kann.
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Im Betrieb bewirkt eine im einen oder anderen Sinn von dem vorbestimmten
Hauptsteuerdruck in der Leitung 22 ausgehende Veränderung, die nicht groß genug
ist, um die Ansprech-Druckdifferenz in einem der beiden Ventile zu erzeugen, keine
Beeinflussung des aufgebrachten Bremsdruckes. Wenn jedoch die Spannung in dem Band
ausreichend steigen sollte, um den Druck in der Druckluftleitung 22 soweit zu mindern,
daß eine obere Toleranzgrenze der Spannung überschritten wird, so öffnet das Rückschlagventil
83 und setzt den Bremsdruck herab, und dadurch wird die Spannung auf einen Wert
innerhalb der oberen Toleranzgrenze zurückgebracht, wodurch das Rückschlagventil
wieder geschlossen und die Steuerung inaktiviert wird. Wenn andererseits der Spannungswert
im Band unter eine untere Toleranzgrenze fallen sollte, so steigt der Druck in der
Druckluftleitung 22 entsprechend, und der Differentialdruck öffnet das Rückschlagventil
84 zur Steigerung des Bremsdruckes und bewirkt dadurch ein Ansteigen der Spannung
auf einer Wert innerhalb der unteren Toleranzgrenze. Die im Band herrschende Spannung
kann sich daher innerhalb einer neutralen Zone ändern, die zwischen der oberen und
der unteren Toleranzgrenze eingeschlossen ist, ohne daß dadurch irgendeine Änderung
des Bremsdruckes hervorgerufen wird. Die Differenz zwischen den Spannungswerten
der beiden Toleranzgrenzen, d. h. der Bereich der zugelassenen Abweichung, kann
durch Ändern der Spannung der Druckfeder 90 mittels der Schraube 92 eingestellt
werden.
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Bei dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten System ist der in der verzweigten
Leitung 22 herrschende Luftdruck proportional zur Differenz zwischen der Spannungskraft,
die den reguliertenDruck im Lastaufnahmezylinder ausgleichen würde, und der tatsächlich
aufgebrachten Spannungskraft, wenn die Spannungskraft im Sinne eines Schließens
anstatt eines Öffnens der Öffnung aufgebracht wird, so sollte das Drucksignal umgekehrt
werden, wenn es für eine Regulierung der Spannungsregelvorrichtung verwendet wird.
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Eine weitere Verbesserung oder Verfeinerung ist in einer schematischen
Teilansicht in F i g. 3 gezeigt.
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Hier verringert ein einfaches Drosselventil 94 den Durchsatz des Druckströmungsmittels
nach und vom Bremszylinder 20. Dieses Drosselventil wirkt als Filter oder Empfindlichkeitsregelung,
so daß die Bremse 14 so ausgeführt werden kann, daß sie langsamer auf Steuersignale
anspricht, wobei nicht erforderliche
Bremswirkung in Reaktion auf schnelle kleine
Spannungsänderungen vermieden werden. Diese Ausführung kann anstatt oder in Reihe
bzw. gemeinsam mit der Rückschlagventil-Anordnung nach Fig.2 verwendet werden.
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Die Spannungs-Oberwachungsgeräte sind in Verbindung mit einer Band-Abwickelvorrichtung
gezeigt worden, wobei die Spannung durch eine Bremse geregelt wird. Sie können jedoch
ebenso zweckmäßig zur Regelung eines Antriebsmotors oder einer Schlupfkupplung zum
Vorwärtsziehen des Bandes durch eine Verarbeitungsvorrichtung oder auf eine Aufwickelvorrichtung
verwendet werden.