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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Walze nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei
vielen technischen Prozessen, die auf Walzvorrichtungen ausgeführt werden,
spielt die Rundlaufgenauigkeit der beteiligten Walzen ein große Rolle.
Ein Rundlauffehler führt
zu periodischen Veränderungen
des Walzspalts im Rhythmus der Drehung. Diese Änderungen prägen sich
im Produkt aus, was für
das Walzen von Papier oder Folien zwischen in einem Walzspalt zusammenwirkenden
Walzen ohne weiters sinnfällig
ist. Es gibt aber auch andere Prozesse, bei denen es sehr auf die
Rundlaufgenauigkeit ankommt, z.B. beim Ultraschall-Verfestigen von
thermoplastischen Vliesen, bei der das Vlies zwischen einer Sonotrode
und einer Gegenwalze hindurchgeführt
wird und die erzielte Verfestigung sehr empfindlich auf die Einhaltung
eines gleichmäßigen Abstandes
zwischen der Sonotrode und der Gegenwalze abhängt.
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Mit
modernen Schleifmaschinen sind heute Rundlaufgenauigkeiten bei der
Herstellung der Walzen von 3 bis 5 μm zu erzielen. Dieser für Walzenkörper von
30 bis 50 cm Durch messer und 3 bis 5 m Länge außerordentlich geringe Wert
der Rundlauftoleranz kann allerdings im Einsatz der Walze nicht
aufrecht erhalten werden. Die Praxis zeigt, daß sich die Rundlaufgenauigkeit
durch verschiedene Faktoren im Laufe der Zeit verschlechtert. Solchen
Faktoren können
sein:
- – Durchhang
bei längerer
Lagerung
- – nicht-homogenes
Gefüge
- – ungleichmäßige Erwärmung über die
Erstreckung des Walzenkörpers
- – in
dem Walzenkörper
vorhandene Spannungsnester, die sich im Laufe der Zeit setzen
und
dergleichen.
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In
der Praxis stellen sich daher auch an einer zunächst nur den erwähnten minimalen
Rundlauffehler aufweisenden Walze nachträglich Rundlauffehler ein, die
je nach Größe der Walze
die Größenordnung von
ca. 50 μm
erreichen.
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Dabei
zeigt sich, daß in
den meisten Fällen ähnlich wie
bei einer Biegung der Walze in einer durch ihre Achse gehenden Ebene
der maximale Rundlauffehler in der Walzenmitte liegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartigen nicht belastungsbedingte
Rundlauffehlern der Walze im Betrieb entgegenzuwirken.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
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Die
Idee beruht darauf, einen Rundlauffehler, der in Umfangsrichtung
vorliegt, aber in vielen Fällen über die
Länge der
Walze gesehen einer Biegung derselben in einer durch ihre Achse
gehenden Ebene ähnelt,
durch eine Gegenbiegung entgegenzutreten. Damit kann der Rundlauffehler
zwar im allgemeinen nicht exakt beseitigt werden, doch kann immerhin
der mittlere längs
der Walze im Arbeitsspalt auftretende Fehlerwert verringert werden.
Der Rundlauffehler wird zu einem bestimmten Zeitpunkt festgestellt
und mittels der Einrichtung eine unveränderliche, den Rundlauffehler
so gut wie möglich
behebende Kraft ausgeübt.
Die Richtung dieser Kraft läuft
mit der Walze um.
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Mit
dem Problem des Rundlauffehlers an einer Kalanderwalze mit peripheren
Heizkanälen
befaßt
sich die
DE 18 11 690
A . Hierbei werden die in einem dem Schlag entsprechenden
Umfangsbereich liegenden Heizkanäle
gedrosselt, so daß der
Durchsatz an Wärmeträgermedium
in einem oberflächennahen
Längsstreifen
des Walzenkörpers
und damit die Temperatur in diesem Bereich erniedrigt werden. Die
damit einhergehende Dimensionsändeurng
verringert den Schlag.
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Aus
der dem Oberbegriff zugrundeliegenden
DE 41 11 852 A1 ist ein Walzgerüst mit einer
biegsamen Mantelwalze bekannt, die einen leicht tonnenförmigen umlaufenden
Biegeträger
aufweist, der nur in seinem mittleren Bereich am Innenumfang eines auf
ihm festen Mantels anliegt. An den aus dem Mantel vorstehenden Enden
des Biegeträgers
ist dieser in Einbaustücken
gelagert, auf die radiale, sich am Walzengestell abstützende hydraulische
Zylinder wirken, deren Druck in Abhängigkeit von den Signalen von Exzentrizitätsfühlern gesteuert
wird. Die Kräfte
wirken also von außen
auf den Biegeträger.
Die Enden des Mantels stehen axial frei vor und werden von den Kräften der
Zylinder nicht beeinflußt.
Eine Biegung des Walzenmantels kann ohne äußere Mittel wie Gegenwalzen
nicht erzeugt werden.
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Einer
Durchbiegung eines hohlen Walzenkörpers in einer durch seine
Achse gehenden Ebene unter der im Walzspalt auftretenden Streckenlast
entgegenzuwirken, ist von jeder durchbiegungssteuerbaren Walze bekannt.
Hierbei geht es aber nicht um Rundlauffehler. Der Biegeträger ist
drehfest angeordnet, und es dreht sich der Walzenkörper um
diesen. Ein besonderer Fall ist Gegenstand der
US 3 273 492 , die eine Saugwalze für die Textil-
oder Papierindustrie betrifft. Der feststehende Saugkasten entspricht
dem Biegeträger.
Er ist an den Enden im Maschinenständer drehfest angeordnet. Zu
beiden Seiten des Saugbereichs ist die gelochte umlaufende Saugwalze
auf dem Saugträger
drehgelagert. Die Ansätze
der Saugwalze reichen über
diese Stelle axial nach außen
und werden an ihren Enden dicht innerhalb des Maschinenständers mittels
Kolbenzylindereinheiten radial beaufschlagt, so daß sich eine Biegung
ergibt, die der Streckenbelastung im Saugspalt entgegengerichtet
ist.
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Es
sind auch Walzenkonstruktionen bekannt, bei denen der hohle Walzenkörper nur
an einigen Stellen auf einem mitumlaufenden Biegeträger abgestützt ist.
Auch hierbei geht es aber darum, der Durchbiegung des Walzenkörpers in
einer durch seine Achse gehenden Ebene entgegenzuwirken (
US 2 651 103 ).
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Bei
der Erfindung geht es nicht nur um die Abstützung gegen die Streckenlast
im Walzspalt, sondern es wird in der Walze eine Biegung erzeugt, die
eine bei der Drehung über
den Umfang auftretende Schwankung des radialen Abstandes der Umfangsfläche von
einer Drehachse vermindern soll.
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Die
Ausnehmung des Walzenkörpers
kann nach Anspruch 2 durch eine Bohrung gegeben sein.
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Der
Anlagebereich des Biegeträgers
kann gemäß Anspruch
3 durch einen radialen Bund desselben gebildet sein.
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Gemäß Anspruch
4 kann die Einrichtung ihre Kraft rein mechanisch über formschlüssig aneinander
anliegende Elemente ausüben.
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Solche
Elemente können
z.B. durch eine Schraubspindel und die entsprechende Mutter gebildet
sein. Zu Beginn des Betriebs der Walze erfolgt eine Positionierung
der Schraubspindel in der richtigen Richtung und ein entsprechendes
Anziehen derselben, um die Biegekraft zustande zu bringen. Diese Einstellung
bleibt dann im Betrieb der Walze erhalten. Außer der Schraubspindel kommen
für eine
solche Ausführungsform
auch Exzenteranordnungen, Keilanordnungen oder dergleichen in Betracht.
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Insbesondere
für den
Fall der feststehenden Kraftrichtung sind jedoch gemäß Anspruch
5 mindestens drei über
den Umfang verteilte, in gegenseitiger Abhängigkeit betätigbare
radial wirkenden Linearantriebe vorgesehen.
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Bei
entsprechender Betätigung
erzeugen die Kräfte
der Linearantriebe eine Resultierende, die das zwischen dem Biegeträger und
dem Walzenkörper ausgeübte Biegemoment
bestimmt. Die Betätigung kann
insbesondere so erfolgen, daß diese
Resultierende immer in der Wirkebene liegt.
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Die
mindestens drei Linearantriebe können zwar
auch rein mechanische Antriebe sein, doch sind sie gemäß Anspruch
6 hydraulisch oder gemäß Anspruch
7 elektrisch betätigbar,
insbesondere piezoelektrisch (Anspruch 8) oder magnetostrektiv (Anspruch
9), was Vorteile hat, wenn die Kraftänderung im Rhythmus der Drehung
des Walzenkörpers
und mit entsprechend hoher Frequenz erfolgen muß.
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Gemäß Anspruch
10 kann die Einbringung der Betätigungsenergie
in die Walze durch einen Drehanschluß erfolgen, der je nach Ausbildung
der "Einrichtung" für hydraulische oder
elektrische Energie vorgesehen ist. Im Falle der hydraulischen Betätigung kann
ebenfalls eine Änderung
der Kraft der entsprechenden Betätiger
mit hoher Frequenz erfolgen, da die in Betracht kommenden Hübe und somit die
zu verlagernden Mengen an hydraulischem Medium gering sind.
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Eine
konstruktiv vorteilhafte Ausführung
ist Gegenstand des Anspruchs 12.
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Eine
wichtige Ausgestaltung ist die Steuerung nach Anspruch 13.
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Diese
Steuerung ermittelt aus den Schwankungen des Rundlaufs am Walzenumfang
und der jeweiligen Drehstellung des Walzenkörpers den zeitlichen Verlauf
der benötigten
Kräfte
und gibt den entsprechenden zeitlich Verlauf des hydraulischen Drucks
bzw. der entsprechenden elektrischen Größe vor, die zu einer Verringerung
der Schwankung des rundlaufs führen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung schematisch dargestellt.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine Walze;
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2 zeigt
eine Ansicht gemäß 1 von rechts;
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3 zeigt
ein Diagramm des Verlaufs der Signale des Rundlaufsensors und des
Drehstellungsanzeigers.
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Die
in 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Walze
umfaßt
einen Walzenkörper 10 mit
einem dickwandigeren Mittelteil 1, dessen zu der Achse
A konzentrischer zylindrischer Außenumfang 2 die arbeitende
Umfangsfläche
des Walzenkörpers 10 bildet. An
den beiden Enden sind Walzenzapfen 3 gerin geren Außendurchmessers
vorgesehen, die in einem nur angedeuteten Maschinenständer 4 auf
Lagern 5 drehbar gelagert sind.
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Der
Walzenkörper 10 weist
eine durchgehende Bohrung 6 auf, die die Innenumfangsfläche 7 des
Walzenkörpers 10 bildet.
In der Bohrung 6 ist ein der Länge nach durchgehender Biegeträger 8 angeordnet,
der etwa die gleiche Länge
hat wie der Walzenkörper,
sich mit diesem dreht und die Bohrung 6 fast ausfüllt, jedoch
auf dem überwiegenden
Teil seiner Länge
einen geringen Abstand 9 zum Innenumfang 7 des
Walzenkörpers 10 beläßt. Nur
in der Mitte seiner Länge
weist der Biegeträger 8 einen
radialen Umfangsbund 11 auf, der mit seiner äußeren zylindrischen
Stirnfläche 12 an
der Innenumfangsfläche 7 der
Bohrung 6 anliegt. Ein entsprechender Umfangsbund 13 ist
am linken Ende des Walzenkörpers 10 und
des Biegeträgers 8 vorgesehen
und liegt mit seiner zylindrischen äußeren Stirnfläche 14 ebenfalls
an der Innenumfangsfläche 7 an.
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An
dem in 1 rechten Ende des Walzenkörpers 10 ist eine
als Ganzes mit 30 bezeichnete Einrichtung zur Ausübung einer
radialen Kraft zwischen dem dortigen Ende des Biegeträgers 8 und dem
benachbarten Ende des Walzenkörpers 10 vorgesehen.
Wenn die Einrichtung 30 eine Kraft im Sinne des Pfeiles 15 ausübt, ergeben
sich an den radialen Bunden 11 und 13 Kräfte 15' und 15'', die zu einer geringen Biegung
des Walzenkörpers 10 führen, die einem
Rundlauffehler des Walzenkörpers
entgegengerichtet ist, der meist einem der Auslenkung bei der Biegung
entsprechenden verlauf hat, d.h. im Mittelbereich der Walze 100 am
größten ist.
Der Biegeträger 8 biegt
sich dabei innerhalb der Bohrung 6 durch. Damit diese Biegung
möglich
ist, ist der radiale Abstand 9 belassen.
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Es
ist anhand von 1 erkennbar, daß die Biegewirkung
auch erzeugt werden könnte,
wenn statt des Umfangsbundes 13 auch am linken Ende des
Walzenkörpers 10 eine
Einrichtng 30 vorgesehen wäre.
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Die
Einrichtung 30 umfaßt
in dem Ausführungsbeispiel
einen an das Ende des Walzenkörpers 10 bzw.
dem Walzenzapfen 3 angeflanschten einen axialen Flansch
bildenden Ring 16, zwischen dessen Innenumfangsfläche 17 und
dem dortigen Ende 8' des
Biegeträgers 8 vier
unter 90° über den
Umfang versetzte hydraulische Kolbenzylindereinheiten 18 angeordnet
sind, die über
in dem Ende 8' des
Biegeträgers 8 angeordnete
Zuleitungen 19 mit Druckflüssigkeit versorgt werden. Die
Zuleitungen 19 führen
zu einem nicht dargestellten Drehanschluß, der an dem Biegeträger 8 angebracht
ist und die Flüssigkeit
von einer stillstehenden äußeren Druckflüssigkeitsquelle in
den drehenden Biegeträger 8 überführt.
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Je
nach dem, wie die vier Kolbenzylindereinheiten 18 in gegenseitiger
Abhängigkeit
betätigt
werden, entsteht eine resultierende radiale Kraft, die zu einem
Biegemoment auf dem Walzenkörper 10 in
der durch die Kraftrichtung und die Achse A bestimmten Ebene führt.
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Das
Ziel ist, diese Kraft und damit auch die Biegung des Walzenkörpers 10 in
der Wirkebene W zu halten, damit sich eventuelle Verlagerungen des Umfangs 2 des
mittleren Teils 1 des Walzenkörpers 10, d.h. Rundlauffehler
desselben, sich im Walzspalt 21 zu der in 1 nur
angedeuteten Gegenwalze 22 nicht als periodische Verengungen
und Erweiterungen bemerkbar machen. Die Wirkebene W ist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
die Verbindungsebene der Achse A des Walzenköpers 10 und der Achse
der Gegenwalze 22.
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Hierzu
dient eine Steuerung 40, die die hydraulischen Drücke für die vier
Kolbenzylindereinheiten 18 vorgibt und über Leitungen 23 an
die Zuleitungen 19 im Ende des Biegeträgers 8 angeschlossen ist.
Ferner ist an die Steuerung 40 ein z.B. induktiver oder
kapazitiver Drehstellungssensor 24 über eine Leitung 25 angeschlossen,
der einem entsprechenden Gegenstück 26 auf
dem Außenumfang
des Ringes 16 gegenübersteht
und bei jedem Vorbeikommen des Gegenstücks 26 ein Signal 29 abgibt,
wie es in 3 dargestellt ist.
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Außerdem ist
ein über
eine Leitung 27 mit der Steuerung 40 verbundener
Rundlaufsensor 28 etwa in der Mitte des Walzenkörpers 10 vorgesehen, der
ein Signal abgibt, welches charakteristisch für die augenblickliche Lage
der Umfangsfläche 2 gegenüber einem
festen Punkt ist. In dem Ausführungsbeispiel
ist der Rundlaufsensor als dem Walzspalt 21 gegenüberliegender
Abstandssensor ausgebildet, der fest angeordnet ist und ein für den Abstand
seiner Stirnseite zu der Umfangsfläche 2 repräsentatives
Signal abgibt. Dieses Signal ist auch für die Lage der Umfangsfläche 2 im
Walzspalt 21 maßgeblich,
weil der Fehler in der Zylindrizität des Walzenkörpers 10 wesentlich
niedriger ist als die durch Verbiegungen über die Länge des Walzenkörpers 10 zustande
kommenden Lageabweichungen. Was der Rundlaufsensor 28 als
Abstandssensor also mißt,
hat auch Gültigkeit
im Walzspalt 21.
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Der
Rundlaufsensor 28 muß aber
nicht notwendig ein Abstandssensor sein. Wenn zum Beispiel die Walze 100 nicht
mit einer Gegenwalze 22, sondern mit einer oberhalb des
Walzenkörpers 10 angeordneten
in 1 gestrichelt angedeuteten Sonotrode 34 zum
Ultraschall-Verfestigen von thermoplastischen Vliesen zusammenwirkt,
kann der Rundlaufsensor 28 auch ein mit der Sonotrode 34 verbundenes
Kraftmeßglied
sein. Die Sonotrode 34 wird im Betrieb, d.h. während des
Verfestigungsvorganges, mit einer gewissen Kraft gegen das durch
den Spalt zwischen der Sonotrode 34 und die die abstützende Gegenwalze
bildenden Walze 100 geleitet Vlies gedrückt, um die Einleitung der
Ultraschallenergie in das Vliesmaterial zu fördern. Der Verlauf der Kraft über den
Umfang stimmt mit dem Verlauf des Abstandes der Umfangsfläche 2 von
einem festen Punkt überein.
Nähert
sich die Umfangsfläche 2 der
feststehenden Sonotrode 34, so wird der Spalt enger und das
Vlies stärker
zusammengedrückt,
was einer entsprechend erhöhten
Kraft im Arbeitsspalt entspricht, die durch den dann als Kraftmeßglied ausgebildeten Rundlaufsensor
erfaßt
wird.
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In
dem Diagramm der 3 ist der zeitliche Verlauf
der Signale der beiden Sensoren 24,28 wiedergegeben.
Die Kurve S24 des Sensors 24 verläuft im wesentlichen
horizontal und hat lediglich einzelne Peaks 29 an den Stellen,
an denen das Gegenstück 26 bei
der Drehung an dem feststehend angeordneten Sensor 24 vorbeikommt.
Die Kurve S24 gibt also die jeweilige Drehstellung
der Walze 100 wieder.
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Die
Kurve S28 stellt das Signal des Sensors 28 dar,
welches mit der gleichen Frequenz periodisch ist wie das Signal
S24. Die Schwingungsdauer von S24 und
S28 ist mit t' bezeichnet. Allerdings sind die Scheitel 31 um
die Zeit tx gegenüber den Peaks 29 der
Kurve S24 versetzt, d.h. die maximale Auslenkung
liegt, in Umfangsrichtung gesehen, an einer anderen Stelle als das
Gegenstück 26.
tx ist also ein Maß für die Lage des Rundlauffehlers
in Umfangsrichtung. Die Höhe 32 der
Scheitel 31 über
einer gedachten, dem Idealzustand entsprechenden Zylinderfläche 33 entspricht
der Stärke
des Rundlauffehlers. Aus diesen Größen berechnet die Steuerung 40 die
zeitliche Abfolge und den Betrag der den Kolbenzylindereinheiten 18 zuzuführenden
Drücke
derart, daß die Schwankungen
der Spaltbreite im Walzspalt 21 bzw. der entsprechenden
Spaltbreite an der Sonotrode 34 bei einer Ultraschall-Verfestigungseinheit
ein Minimum wird.