DE19650576A1 - Kalander - Google Patents
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
- D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
- D21G1/0006—Driving arrangements
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- Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
- Treatment Of Fiber Materials (AREA)
- Lubricants (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Kalander zur Behandlung einer
Warenbahn, insbesondere einer Papierbahn, beispielsweise einen Satinier
kalander.
Ein Kalander, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
genannten Merkmale aufweist, ist beispielsweise aus DE-U-2 95 04 034 be
kannt. Dabei ist üblicherweise eine mittlere Walze im Walzenstapel
angetrieben und nimmt die anderen Walzen durch Friktion mittels der Wa
renbahn mit. In der genannten Druckschrift ist angegeben, daß für das
Einführen der Warenbahn in die Walzspalte die normalerweise mitgenommenen
Walzen angetrieben werden. Dieser Hilfsantrieb braucht nur für die Leer
laufleistung bis zum Erreichen der Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegt
zu werden, während der Hauptantrieb für die Gesamtleistung während des
Betriebs auszulegen ist.
Auf die Walzen wirken in Vertikalrichtung äußerlich einge
speiste Kräfte sowie, von oben nach unten zunehmend, Gewichtskräfte
der überlagerten Walzen. Dadurch hervorgerufene Deformationen - insbe
sondere Durchbiegungen - können mittels der Durchbiegungseinstellwalzen
kompensiert werden. Aber auch in Horizontalrichtung wirken Kräfte auf die
Walzen. Diese Kräfte können auf die erwähnte über Friktion erfolgende
Drehmomentübertragung zurückzuführen sein, wie in der Veröffentlichung
Pav/Svenka, "Der Kompaktkalander - die Antwort auf die Herausforderung
nach hohen Geschwindigkeiten bei der Glättung und Satinage", DAS PAPIER
1985, S. V178 ff. erläutert wird. In dieser Veröffentlichung wird auch
ein Kompaktkalander erwähnt, bei dem um eine harte, stationär gelagerte
Basiswalze herum vier elastische Walzen mit eigenem Antrieb Walzspalte
bilden. Dadurch soll die Verkettung des Walzensatzes, wie sie bei Ka
landern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unvermeidlich ist, aufge
löst werden.
Während vertikale Deformationen der Walzen, wie oben ausge
führt, kompensierbar sind, gilt dies nicht für Deformationen infolge
horizontal wirkender Kräfte. Das bedeutet, daß die Walzen Mindestdurch
messer aufweisen müssen, damit horizontale Deformationen sich inner
halb tolerierbarer Grenzen halten lassen. Eine dieser Begrenzungen
liegt darin, daß bei einer Deformation einer Walze in horizontaler
Richtung die Verteilung der Streckenlast ungleichförmig wird, wobei
die Bereiche nahe den Lagern stärker belastet werden. Dies kann zu ei
ner Überpressung der Warenbahn im Randbereich und zur ungleichen Ver
teilung der Warenbahn-Eigenschaftswerte im Querprofil führen. Darüberhin
aus kann der erhöhte Verschleiß der elastischen Walzenbezüge und im Ex
tremfall eine Zerstörung derselben eintreten. Bei einer gegebenen Strec
kenlast wird die Druckspannung durch die Mindestdurchmesser der Walzen
auf einen entsprechenden Wert begrenzt, der sich nur durch Erhöhen
der Streckenlast vergrößern läßt. Aber selbst wenn die horizontale
Verformung der Walzen sich in Grenzen hält, wirken doch im Walzenspalt
Schubspannungen auf die Warenbahn, welche - im Falle von Papier - die
Bindung zwischen den Fasern in Bahnlaufrichtung lockern können und da
durch seine Festigkeit herabsetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kalander mit den im Ober
begriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen anzugeben, bei dem die
Druckspannung bei gegebener Streckenlast durch Verkleinern der Walzen
durchmesser gesteigert werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird bei dem gat
tungsbildenden Kalander durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 bzw. des Anspruchs 2 erreicht.
Da die Walzendurchmesser nicht mehr gemäß den horizontal wir
kenden Kräften ausgelegt zu werden brauchen, weil deren Wirkungen ausge
regelt werden, kann man die Walzen mit Durchmessern ausbilden, die von
anderen Kriterien als der Verformungsfestigkeit bzw. der horizontalen
Deformationen bestimmt werden, etwa den kritischen Eigenfrequenzen.
Walzen mit kleinerem Durchmesser haben ein geringeres Gewicht,
so daß die statischen (gravitationsbedingten) Kräfte relativ geringer
sind und auch kleinere Lager verwendet werden können.
Die Antriebe bringen die für die jeweils angetriebene Walze
spezifische Leistung auf, die sich aus Umformungs-, Transport- und Ver
lustleistung zusammensetzt. Dabei wäre eine Verteilung von 50:50 auf die
beiden spaltbildenden Walzen nur ein grober Anhaltspunkt, da bei
spielsweise eine Durchbiegungseinstellwalze deutlich höhere Reibungsver
luste aufweist als eine normale massive Walze.
Die erfindungsgemäß auszuregelnden Kräfte lassen sich bei
spielsweise in den Walzenlagern messen; Lager mit eingebauten Kraft
meßsystemen sind im Handel erhältlich. Es ist aber zumindest auch denk
bar, die durch solche Kräfte hervorgerufenen horizontalen Deformationen
meßtechnisch zu erfassen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalanders ist
in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend im ein
zelnen erläutert.
Fig. 1 ist eine weitgehend schematisierte Seitenansicht
eines erfindungsgemäßen Kalanders,
Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung eine zweite Ausfüh
rungsform,
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Regelung einer der Walzen.
Ein Kalandergestell 10 mit seitlichen Ständern ist in
Schweiß- oder Gußkonstruktion ausgeführt. In dem Gestell 10 ist ein Ka
lander 12 angeordnet, der acht spaltbildende Walzen aufweist. Die ober
ste und die erste Walze 14 bzw. 16 sind Durchbiegungseinstellwalzen,
und das Joch der oberen Durchbiegungseinstellwalze ist ortsfest im
Gestell eingespannt; auch die Lager dieser Walze sind ortsfest. Die
Walze 14 ist mit einem elastischen Bezug versehen, ebenso wie die im Ka
lander 12 vorgesehenen Walzen 18, 20, 22 und untere Durchbiegungsein
stellwalze 16. Zwischen den Walzen 14 und 18 ist eine harte beheizbare
Walze 24 angeordnet, die mit den über und unter ihr angeordneten Walzen
14 bzw. 18 je einen Walzspalt bildet. Auch zwischen den Walzen 18 und
20 befindet sich eine harte, beheizbare, mit ihnen je einen Walzspalt
definierende Walze 26. Der von der Warenbahn 28 durchlaufene Spalt zwi
schen den Walzen 20 und 22 dient nicht der Umformung der Warenbahn,
sondern als Wendespalt, um die vorher den elastischen Walzen zugekehrte
Seite der Warenbahn nun der harten, beheizbaren Walze 30 zuzukehren,
die zwischen den Walzen 22 und 16 angeordnet ist. (Die betreffende Sei
te der Warenbahn hat bereits vier Spalte durchlaufen, wenn auch jeweils
einer elastischen Walze zugekehrt, ist aber dabei gleichwohl soweit ge
glättet worden, daß das Durchlaufen zweier weiterer Spalte auf der be
heizten Seite ausreicht).
Die Lager aller Walzen mit Ausnahme der oberen Durchbiegungs
einstellwalze 14 sind gleitverschieblich im Gestell 10 angeordnet.
Die Belastung der Walzspalte erfolgt mittels Hydraulikzylindern 32 und
ergibt beispielsweise eine mittlere Linienkraft von 500 N/mm. Anzumer
ken ist, daß die Linienkraft auch mittels der Durchbiegungseinstellwal
zen aufgebracht werden kann. Die harten Walzen lassen sich mit Dampf auf
zum Beispiel bis zu 200°C aufheizen. Die elastischen Walzen können
temperiert sein. Die Warenbahn 28 wird zwischen den einzelnen Walzspal
ten um Leitwalzen 34 geführt, deren Oberflächen mit Spiralnuten verse
hen sind, um die Breithaltung der Warenbahn sicherzustellen und die
Bildung eines Luftkissens zu verhindern, auf dem die Warenbahn auf
schwimmen könnte. Pneumatische Kompensation der überhängenden Lasten
erfolgt mittels Kompensationseinheiten 46, an deren Stelle auch hy
draulische oder andere Servoantriebe vorgesehen sein können.
Übliche Breitstreckwalzen können ebenfalls vorgesehen sein.
Die gezeigte Kalanderanordnung kann als "In-Line-Kalander" einer Papier-
oder Streichmaschine nachgeordnet sein oder als "Off-Line-Kalander" ar
beiten.
Die insoweit beschriebene Anordnung entspricht weitgehend dem
Stand der Technik, abgesehen davon, daß der Durchmesser der Walzen
zwischen den Durchbiegungsausgleichswalzen, zumindest aber der harten
Walzen deutlich kleiner als üblich ist.
Gemäß der ersten Variante der Erfindung ist jede spaltbil
dende Walze mit einem eigenen Antrieb versehen, bestehend aus einem
Elektromotor, zum Beispiel einem Gleichstrommotor, der über eine Ge
lenkwelle mit der ihm zugeordneten Walze gekuppelt ist und aus einer
geregelten Versorgungseinheit gespeist wird. Die Antriebe sind in Fig.
1 nur durch das übliche Zwei-Viertel-Kreissymbol angedeutet.
Fig. 4 zeigt den Antrieb einer der Walzen. Der Antriebsmotor
ist ein Gleichstrommotor 50, gespeist aus einem Umformer 52 über einen
Regler 54, vorzugsweise einen digitalen PID-Regler.
In der Anlaufphase wird die Drehzahl geregelt; hierfür weist
jeder Motor 50 einen Istwertgeber in Form beispielsweise eines Tachody
namos 56 auf; die Sollwerte können in einem elektronischen Speicher 58
abgelegt sein, der sequentiell ausgelesen wird. In der Anlaufphase wer
den die Sollwerte so gewählt, daß die jeweils einen Walzspalt definie
renden Walzen gleiche Umfangsgeschwindigkeit aufweisen.
In der Betriebsphase ist die Umfangsgeschwindigkeit nur mit
Einschränkungen ein geeigneter Parameter, da sich ja die elastischen
Walzen im Bereich des Walzspalts deformieren, also keine strikte Pro
portionalität mehr zwischen Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit vor
liegt. Entsprechendes gilt für die bei Beheizung einer Walze erfolgende
Dilatation.
Aus diesem Grunde erfolgt im Betrieb eine Leistungsregelung.
Jeder Walze wird eine Leistung zugeführt, die zumindest annähernd die
Hälfte der in jedem von ihr definierten Walzspalt auf die Warenbahn
übertragenen Umformungs- und Transportleistungen zuzüglich der Verlust
leistung deckt. Es ist anzumerken, daß die Antriebsleistung der Leitwal
zen 44 in der dargestellten Ausführungsform nach Art eines Zugmittelge
triebes mittels der Warenbahn übertragen wird; auch diese Leistung ist
daher bei der Bemessung der Sollwerte - ebenfalls in dem Speicher 56
abgelegt - zu berücksichtigen. Allerdings ist es, besonders bei
größeren In-Line-Kalandern, bevorzugt, auch die Leitwalzen mit eigenen
Antrieben zu versehen.
Die Leistungsregelung weist die Besonderheit auf, daß bei der
Zumessung der Leistung zu den Motoren, die jeweils einen Walzspalt be
grenzende Paare von Walzen antreiben, bei einer Sollwertabweichung die
Leistung beider Motoren verstellt wird und da alle Walzen miteinander
verkettet sind, bedeutet das einen Regeleingriff an allen Motoren. Dem
Einzelmotorregler ist demgemäß ein Gesamtregler 60 hierarchisch überge
ordnet, der bei einer Sollwertabweichung auch nur bei einer einzigen
Walze neue Sollwerte der Leistung für alle Walzen berechnet oder einem
Suchtabellenspeicher entnimmt.
In den Lagern der Walzen sind Kraftsensoren angeordnet, die zu
mindest die in Horizontalrichtung von der betreffenden Walze auf das Ge
stell 10 übertragenen Kräfte erfassen. Solche "Kraftmeßlager" werden
beispielsweise von der Firma SKF Kugellagerfabriken GmbH, Schweinfurt,
angeboten. Wie oben erwähnt, wird die Leistung oder, genauer, die Lei
stungsverteilung so geregelt, daß diese Horizontalkräfte möglichst klein
gehalten werden.
Die Kalanderanordnung nach Fig. 1 kann so betrieben werden,
daß die Zahl der durchlaufenen Walzspalte vorgegeben wird; darüberhinaus
kann der Betreiber das technologische Ergebnis durch Auswahl der
Streckenlast und der Walzentemperaturen beeinflussen.
Fig. 2 zeigt als zweite Ausführungsform einen Doppelkalander
mit jeweils nur zwei Walzspalten zur Glättung jeweils einer der Waren
bahnseiten. Die Elemente des in der Zeichnung linken Kalanders sind mit
den Bezugszeichen analoger Elemente in Fig. 1 bezeichnet, bei dem rechten
ist jeweils ein Indexstrich "'" zugefügt. Man erkennt, daß jeder Einzel
kalander nur noch zwei Durchbiegungseinstellwalzen 40 bzw. 42 mit elasti
schem Bezug und eine dazwischen angeordnete harte, beheizte Walze 44 auf
weist.
Fig. 3 stellt ein Beispiel für die zweite Variante der Erfin
dung dar, abgeleitet von der Ausführungsform nach Fig. 2. Hier hat die
harte, beheizte mittlere Walze 45 keinen eigenen Antrieb, sondern wird
von den Mänteln der Durchbiegungseinstellwalzen 40, 42 mitgenommen. Diese
übertragen zwar durch die Warenbahn die Antriebsmomente auf die harte
Walze 46, doch werden die Antriebe der beiden elastischen Walzen so ge
regelt, daß die auf die harte Walze wirkenden Kräfte gleich und entge
gengesetzt werden.
Es wird angenommen, daß z. B. bei Satinierkalandern wegen der
extrem hohen Druckspannungen in den Walzspalten in Kombination mit ho
her Temperatur bereits mit der in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Konfigura
tion gute technologische Ergebnisse erzielbar sind. Neben einer solchen
Konfiguration 3/3 sind zahlreiche weitere denkbar, bei denen jeweils ei
ne harte Walze zwischen zwei elastischen Walzen angeordnet ist, wie
die Konfigurationen 5/3, 7/3, 5/5, 8/5 und andere.
Claims (10)
1. Kalander (12) zur Behandlung einer Warenbahn (28), um
fassend eine Mehrzahl von Walzen (14 bis 26, 30), von denen jeweils
eine harte Walze und eine elastische Walze einen Walzspalt definieren,
welche Walzen in Ständern eines Gestells (10) mit ihren Achsen verti
kal verlagerbar aufgenommen sind, und wobei die unterste und die
oberste Walze Durchbiegungseinstellwalzen (16/26, 18/30) sind, dadurch
gekennzeichnet, daß den mindestens einen Walzspalt bildenden Walzen ei
nes Walzenpaares jeweils ein eigener derart geregelter Antrieb (50, 52,
54, 56, 58, 60) zugeordnet ist, daß in Horizontalrichtung auf die Walzen
wirkende Kräfte minimal gehalten werden.
2. Kalander zur Behandlung einer Warenbahn, umfassend eine Mehr
zahl von Walzen, von denen jeweils eine harte Walze und eine elastische
Walze einen Walzspalt definieren, welche Walzen in Ständern eines Ge
stells mit ihren Achsen vertikal verlagerbar aufgenommen sind, und wobei
die unterste und die oberste Walze Durchbiegungseinstellwalzen sind, da
durch gekennzeichnet, daß der oberen und der unteren elastischen Walze
einer drei Walzen umfassenden, zwei Walzspalte definierenden Gruppe je
weils ein eigener, derart geregelter Antrieb zugeordnet ist, daß in Hori
zontalrichtung auf die Walzen wirkende Kräfte minimal gehalten werden.
3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
den Antrieben der einzelnen Walzen die für die Verluste der betreffenden
Walze benötigte Leistung sowie mindestens annähernd die Hälfte der Lei
stung für die Warenbahnumformung und den Warenbahntransport geregelt
zugeführt wird.
4. Kalander nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die in den Walzenlagern auftretenden IST-Horizontalkräfte gemessen
werden.
5. Kalander nach Anspruch 1 oder einem der auf ihn rückbezogenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle spaltbegrenzenden Walzen mit
einem eigenen Antrieb ausgerüstet sind.
6. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß von der Warenbahn umschlungene Walzen einschließlich
Leitwalzen mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet sind.
7. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elastischen Walzen einen mit einem elastischen
Kunststoffbezug versehenen Kern umfassen.
8. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein die Durchbiegungskräfte aufnehmendes Joch minde
stens einer der Durchbiegungseinstellwalzen (14, 16) ortsfest in Stän
dern des Gestells (10) angeordnet ist.
9. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedem Antrieb ein Regler (54) zugeordnet ist, dem bei
einer Sollwertabweichung von einem übergeordneten Gesamtregler (60) ein
angepaßter Sollwert zugeführt wird.
10. Kalander nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein
zelregler und der Gesamtregler für die Regelung der Leistungsverteilung
auf alle Antriebe ausgebildet sind.
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