DE19846520A1 - Walze, insbesondere Kalanderwalze - Google Patents

Abstract

Es wird eine Walze (1) angegeben, insbesondere eine Kalanderwalze, mit einem Rohrkörper (2), der an seinen Enden Zapfen (3) aufweist und dessen Umfang zumindest in seinem Arbeitsbereich einen elastischen Belag (8) aufweist. DOLLAR A Man möchte das Risiko einer Beschädigung des Belags (8) im Betrieb vermindern können. DOLLAR A Hierzu nimmt die Dicke des Belages (8) im Bereich (A-B) der axialen Enden (A) des Arbeitsbereichs (A-A) zu.

Description

Die Erfindung betrifft eine Walze, insbesondere eine Kalanderwalze, mit einem Rohrkörper, der an seinen En­ den Zapfen aufweist und dessen Umfang zumindest in sei­ nem Arbeitsbereich einen elastischen Belag aufweist.

Derartige Walzen werden in Kalandern und entsprechenden Walzenmaschinen eingesetzt, um eine Materialbahn, bei­ spielsweise eine Papierbahn, mit Druck zu beaufschla­ gen. Die Walze wirkt hierbei mit einer Gegenwalze zu­ sammen, die in vielen Fällen auch beheizt sein kann.

Aufgrund des elastischen Belages hat die Walze eine "weiche" Oberfläche. Der Belag weist eine gewisse Nach­ giebigkeit auf. Die Papierbahn wird mit Hilfe der ela­ stischen oder weichen Walze verdichtet.

Die mit dieser Walze zusammenwirkende Gegenwalze ist in der Regel der als "harte" Walze ausgebildet, d. h. sie weist eine wesentlich geringere Elastizität oder Nach­ giebigkeit an ihrer Oberfläche auf. Sie dient zum Glät­ ten der Bahn. Walzen in den Endpositionen eines Kalan­ ders sind in der Regel als Durchbiegeeinstellwalzen ausgebildet. Die harten Walzen werden in der Regel be­ heizt, um die Materialbahn auch mit einer höheren Tem­ peratur beaufschlagen zu können.

Die Walzen mit elastischem Belag auf einem Rohrkörper haben vielfach die früher verwendeten Papierwalzen er­ setzt, weil ihre Oberflächen widerstandsfähiger sind, insbesondere eine geringere Markierungsempfindlichkeit aufweisen. Allerdings läßt sich bei derartigen Walzen gelegentlich eine Beschädigung des Belages beobachten, vor allem im Bereich der axialen Enden des Arbeitsbe­ reiches.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Risiko einer Beschädigung des Belages im Betrieb zu vermin­ dern.

Diese Aufgabe wird bei einer Walze der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß die Dicke des Belages im Bereich der axialen Enden des Arbeitsbereichs zunimmt.

Der Arbeitsbereich der Walze ist hierbei der Teil der axialen Erstreckung, auf dem die zu behandelnde Ma­ terialbahn im Betrieb aufliegt. Dieser Arbeitsbereich kann durchaus eine Größenordnung von mehreren Metern, beispielsweise 6 bis 10 m haben. Der Bereich eines axialen Endes beginnt axial außen am Ende des Arbeits­ bereichs und erstreckt sich dann axial nach innen. Die Größe dieses Bereichs ist von der jeweiligen Walze ab­ hängig. Der Bereich wird im folgenden auch "Randbe­ reich" genannt werden.

Bei der Lösung des erfindungsgemäßen Problems geht man zunächst davon aus, daß die Beschädigungen des Belages auf zu hohe Streckenlasten im Randbereich zurückzufüh­ ren sind. Möglicherweise sind diese hohen Streckenla­ sten durch die in den Rohrkörper eingesetzten Zapfen zurückzuführen, die in vielen Fällen eine Innenpassung besitzen. Aus diesem Grund ist das Rohrende nicht so stark verformbar, wie beispielsweise die axiale Mitte der Walze. Hinzu kommt, daß die Streckenlast nicht über die gesamte Rohrlänge aufgebracht wird. Dadurch wird auch weniger Verformungsenergie in die Walzenenden ein­ gebracht. Das bedeutet, daß die Walze im mittleren Be­ reich unter der Last der Gegenwalze oval verformt wird, während die Walze an ihren axialen Rändern nahezu den runden Querschnitt beibehält. Die Niplänge, d. h. die Durchlauflänge des Walzenspaltes, ist also im Randbe­ reich kleiner als im mittleren Bereich der Walze. Dem­ entsprechend ist der auf dem Belag lastende Druck grö­ ßer. Bei Überschreiten gewisser Werte kann er zu einer Zerstörung des Belages führen. Wenn man nun die Dicke des Belages im Randbereich vergrößert, ist mehr "weiches" Material vorhanden, das eingedrückt werden kann. Dadurch vergrößert man unter anderem die Nipbrei­ te, so daß der Druck oder die Flächenpressung wieder verringert wird.

Vorzugsweise nimmt der Außenumfang des Rohrkörpers im Bereich der axialen Enden des Arbeitsbereichs ab. Damit steht mehr Platz zur Verfügung, um den Belag dicker werden zu lassen. Die "Federlänge" des Belages kann sich vergrößern, so daß der Randbereich der Walze ela­ stischer gemacht werden kann. Damit wird eine weitere Maßnahme angegeben, um die Kantenpressung zu verrin­ gern.

Vorzugsweise setzt sich die Abnahme des Außendurchmes­ sers des Walzenrohres über das Ende des Arbeitsbereichs hinaus fort. Diese Ausgestaltung hat mehrere Vorteile. Zum einen wird damit erreicht, daß das Walzenrohr au­ ßerhalb des Arbeitsbereiches einen größeren Abstand zur Gegenwalze hat als bei einem konstanten Durchmesser. Dieser Abstand ist insbesondere bei beheizten Gegenwal­ zen von Vorteil, weil dadurch die Temperaturbeeinflus­ sung durch die Gegenwalze verringert wird. Weiterhin ist man flexibler bei der Wahl der Arbeitsbreite. Falls es notwendig ist, den Walzenkörper mit einer etwas größeren Arbeitsbreite zu verwenden, kann man einen entsprechenden Belag aufbringen, ohne daß man die Grundkonstruktion des Walzenrohres ändern muß. Darüber hinaus hat diese Ausgestaltung einen kleinen positiven Einfluß auf die Nachgiebigkeit oder Elastizität des Walzenrohres. Je kleiner der Außendurchmesser des Wal­ zenrohres ist, desto geringer ist die lokale Biegestei­ figkeit. Auch dadurch wird die Kantenpressung etwas verringert.

Vorzugsweise erfolgt die Zunahme der Dicke des Belages zumindest gleichlaufend mit der Abnahme des Außenradius des Rohrkörpers. Der Belag füllt also zumindest den Be­ reich aus, der durch die Abnahme des Außendurchmesser des Rohrkörpers frei wird.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Umfangsfläche des Belags im Arbeitsbereich der Mantelfläche eines Zy­ linders entspricht. Die Walze sieht also genauso aus, wie eine herkömmliche Walze mit elastischem Belag, bei der der Belag über die Arbeitsbreite eine konstante Dicke aufweist. Abgesehen von der gleichen optischen Erscheinung erreicht man damit eine geradlinige Aufla­ gemöglichkeit der zu behandelnden Materialbahn auf der Walze, was Störungen durch Faltenbildung oder ähnlichem entgegenwirkt.

Vorzugsweise ist der Zapfen außerhalb des Arbeitsbe­ reichs angeordnet. Damit wird die Versteifung des Rohr­ körpers durch den Zapfen aus dem Arbeitsbereich heraus­ gehalten. Im Arbeitsbereich kann man dann die gewünsch­ te Nachgiebigkeit der Walze erzielen, um erhöhte Kan­ tenpressungen zu vermeiden.

Vorzugsweise ist der Innendurchmesser des Rohrkörpers außerhalb der Walzenzapfen konstant oder er vergrößert sich zu seinen Enden hin. Mit anderen Worten nimmt die Dicke der Wand des Rohrkörpers zu seinen axialen Enden hin ab. Dies wird bei einem konstanten Innendurchmesser durch eine entsprechende Verringerung des Außendurch­ messers erreicht. Gegebenenfalls kann man auch eine kleine Vergrößerung des Innendurchmessers vornehmen, um die Wandstärke weiter herabzusetzen. Dadurch wird die Steifigkeit der Walze an den Enden weiter verringert, was einen kleinen positiven Beitrag leistet, um eine hohe Kantenpressung zu vermeiden.

Vorzugsweise ist der Dickenverlauf des Belags im we­ sentlichen proportional zur Radialverformung eines Man­ telrohres mit konstanter Wandstärke und gleichen Wal­ zenzapfen. Man kann den Dickenverlauf des Belags empi­ risch ermitteln. Eine Hilfestellung hierfür liefert al­ lerdings die Beobachtung oder die Berechnung der Ver­ formung eines herkömmlichen Mantelrohres mit "normaler" Zylinderform. Man kann dort beobachten, daß die Radial­ verformungen am Rand wesentlich kleiner sind als in der axialen Mitte. Der Verlauf dieser Radialverformung ist in den meisten Fällen aber nicht linear, sondern er folgt einer Kurve. Man kann nun die größte Dicke des Belages dort ansiedeln, wo die geringste Radialverfor­ mung auftritt und die Dickenabnahme des Belages gleich­ laufend zu der Zunahme der Radialverformung gestalten. Damit lassen sich auf einfache Weise relativ gute Er­ gebnisse erzielen.

Vorzugsweise ist die Walze von innen temperierbar. Da­ mit lassen sich insbesondere im Bereich der axialen En­ den sogenannte "Hot spots" vermeiden, die ebenfalls zu einer Beschädigung des Belages führen können.

Vorzugsweise ist im Inneren des Rohrkörpers eine ver­ dampfbare Flüssigkeit angeordnet, wobei der Druck im Innern auf die Betriebstemperatur der Walze abgestimmt ist. Man kann damit erreichen, daß die Flüssigkeit ver­ dampft, wenn die Betriebstemperatur überschritten wird. Dies ist an den Stellen der Fall, die zu heiß geworden sind. Mit dem Verdampfen entzieht die Flüssigkeit der Walze Wärme. Die Flüssigkeit kondensiert dann an den Stellen, die zu kalt sind und führt auf diese Weise dieser Stelle Wärme zu. Man erreicht auf diese Weise eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung in der Wal­ ze.

Hierbei ist bevorzugt, daß im Innern des Rohrkörpers eine Wärmetauscher angeordnet ist, der nach außen ge­ führte Anschlüsse aufweist. Man kann die Flüssigkeit dann nicht nur dazu verwenden, die Temperaturverteilung in der Walze zu vergleichmäßigen. Sie dient auch dazu, Wärme an den Wärmetauscher zu transportieren, von wo aus sie nach außen geleitet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein axiales Ende einer Walze,

Fig. 2 Kurven zur Darstellung einer Radialverformung der Walze unter Last für zwei verschiedene Ausführungsformen,

Fig. 3 eine Kurve zur Darstellung der Abnahme des Außendurchmessers der Walze,

Fig. 4 eine Gegenüberstellung von zwei Strecken­ lastverläufen für eine erste Walze und

Fig. 5 eine Darstellung der Streckenlastverläufe für eine zweite Walze.

Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte Walze 1 ist im wesentlichen gebildet durch einen Rohrkörper 2, der an seinen axialen Enden Zapfen 3 aufweist. Der Zapfen 3 ist an einer Zapfenscheibe 4 befestigt, die in das In­ nere des Rohrkörpers 2 mit Passung eingesetzt ist. Der Rohrkörper 2 und die Zapfenscheiben 4 umgrenzen einen Innenraum 5 in dem eine verdampfbare Flüssigkeit 6 und ein Wärmetauscher 7 angeordnet sind. Im Betrieb, d. h. wenn die Walze 1 rotiert, wird sich die Flüssigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft natürlich über den gesam­ ten Umfang des Innenraums 5 verteilen.

Der Außenumfang des Rohrkörpers 2 ist mit einem elasti­ schen Belag 8 versehen. Ein derartiger Belag ist bei­ spielsweise aus einem Kunststoff, wie Epoxidharz, ge­ bildet. Er wird auch als "Bezug" bezeichnet. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel hat der Belag 8 eine Dicke von etwa 12 mm und einen Elastizitätsmodul E = 3400 N/mm². Die Dicke bezieht sich allerdings auf die axiale Mitte der Walze 1.

Eine derartige Walze dient beispielsweise zur Behand­ lung einer Papierbahn in einem Super- oder Soft-Kalan­ der. Die Walze 1 wirkt hierbei mit einer nicht näher dargestellten harten Gegenwalze zusammen. Die Papier­ bahn wird dann durch einen Nip zwischen den beiden Wal­ zen geführt und mit Druck und gegebenenfalls auch mit einer erhöhten Temperatur beaufschlagt.

Um die nachfolgende Erläuterung zu vereinfachen, ist mit einer Linie 9 die Position der Längskante der Pa­ pierbahn angedeutet. Diese Position ist normalerweise bekannt. Sie richtet sich nach den Maschinen und Anla­ gen, die der Walze 1 vorgeschaltet sind, beispielsweise eine Papiermaschine, die eine Papierbahn mit einer vor­ gegebenen Breite erzeugt. Der Bereich zwischen den bei­ den Linien 9 wird als Arbeitsbereich bezeichnet. Die Kante des Arbeitsbereichs ist mit "A" gekennzeichnet. Von dem Ende A axial nach innen erstreckt sich ein End­ bereich oder Randbereich bis etwa zur Stelle B. Axial nach außen erstreckt sich der Außendurchmesser bis zu einer Stufe 10. Wo die Walze 1 dann in die sogenannte Schleifschulter 11 übergeht. Für die nachfolgende Er­ läuterung liegt die Stufe 10 an der Position C.

Wenn nun die Walze 1 von der Gegenwalze belastet wird, beispielsweise mit einer mittleren Streckenlast von 550 N/mm, dann verformt sich die Walze. Die Verformung ist für zwei unterschiedliche Walzen in Fig. 2 aufgetragen. Der Nullpunkt auf der waagrechten Achse ist hierbei die Grenze A des Arbeitsbereichs. Dargestellt ist eine Kur­ ve GGG, die die Verhältnisse für eine Graugußwalze mit einem Außendurchmesser von 820 mm und einem Innendurch­ messer von 520 mm wiedergibt und eine Kurve St für eine Walze aus Stahl mit 700 bzw. 498 mm.

Aus Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, daß die Radialver­ formung der Walze am Rand lediglich 18 µm beträgt, wäh­ rend sie im Bereich ihrer axialen Mitte 41 µm beträgt. Die Differenz von 23 µm ist merklich. Für die Stahlwal­ ze ergibt sich eine Differenz von 38 µm.

Wie aus den Fig. 4 und 5 zu entnehmen ist, ergeben sich dadurch relativ hohe Kantenpressungen. Fig. 4 zeigt mit einer Kurve GA (Dreiecke als Markierung) den Strecken­ lastverlauf, der sich ohne weitere Maßnahmen bei einer herkömmlichen Walze mit konstanter Belagdicke und kon­ stanter Dicke der Wand des Rohrkörpers 2 ergibt. Die Streckenlast steigt hierbei von der an und für sich eingestellten und erwünschten Streckenlast von 550 N/mm in der axialen Mitte der Walze auf über 700 N/mm.

Fig. 5 stellt die gleichen Verhältnisse für eine Stahl­ walze dar. Hier gibt die Kurve SA den Streckenlastver­ lauf der herkömmlichen Walzen an.

Um diese hohen Kantenpressungen zu vermeiden, verrin­ gert man im Randbereich A-B den Außendurchmesser des Rohrkörpers 2, was aus Fig. 1 schematisch zu erkennen ist. Dort ist die Durchmesserverringerung übertrieben groß dargestellt. Die Durchmesserverringerung setzt sich auch bis zur Position C fort, also über das axiale Ende A des Arbeitsbereichs und auch über die Erstrec­ kung des Belages 8 hinaus. Der Belag 8 ist außerhalb des Arbeitsbereichs abgeschrägt, was an und für sich bekannt ist.

Die Verringerung des Außendurchmessers des Rohrkörpers 2, also die Abnahme des Radius, geht aus Fig. 3 hervor. Hier ist erkennbar, daß an der axialen Grenze A des Ar­ beitsbereichs der Radius um 5 mm verringert worden ist. Der Radius nimmt dann axial nach innen zu. Bei einer Entfernung von etwa 1.200 mm vom Ende A des Arbeitsbe­ reichs hat der Rohrkörper 2 seinen Soll-Durchmesser er­ reicht.

Hierbei bleibt der Innendurchmesser des Rohrkörpers 2 konstant. Der Außendurchmesser des Belages 8 bleibt ebenfalls konstant. Die Außenform der Walze 1 ist also nach wie vor zylindrisch.

Wenn man nun die Streckenlasten für die einzelnen Wal­ zen betrachtet, stellt man fest, daß die Kantenpressung um etwa 100 N/mm abgenommen hat und zwar für beide Wal­ zen. Fig. 4 zeigt eine Kurve GN (Rechtecksymbole), die den Streckenlastverlauf für die so modifizierte Walze 1 aus Grauguß angibt. Fig. 5 zeigt in der Kurve SN die entsprechende Kurve für die Stahlwalze.

Die Abnahme des Außendurchmessers des Rohrkörpers 2 er­ folgt im vorliegenden Fall nicht linear. Sie entspricht aber der Verformung der nicht modifizierten Walze, die in Fig. 2, Kurve GGG, dargestellt ist. Diese Verformung kann man beispielsweise mit numerischem Verfahren be­ rechnen. Man kann sie in einer ersten Nährung durch folgenden Ausdruck beschreiben:

ΔR (x) = R₀ - K (d₀ - d(x)).

Hierbei ist ΔR (x) die Radiusverringerung, d. h. das Maß des radialen Abschliffes in einer Entfernung x von der Grenze A des Arbeitsbereichs.

R₀ ist die Radiusverringerung im Punkt A. K ist ein konstanter Faktor. d₀ ist die Radialverformung am Punkt A. d(x) ist die Radialverformung in einer Entfernung x von der Grenze A des Arbeitsbereichs. Es gilt K.d₀ = R₀.

Eine derartige Durchmesserabnahme des Rohrkörpers 2 läßt sich beispielsweise durch ein gesteuertes Ab­ schleifen erreichen.

Die Durchmesserabnahme setzt sich, wie aus Fig. 3 er­ kennbar ist, auch über die Grenze A des Arbeitsbereichs und auch über das axiale Ende des Belages 8 hinaus fort. Sowohl der Arbeitsbereich als auch der Belag und die Durchmesserabnahme enden aber vor der Schleifschul­ ter und vor allem auch außerhalb des Zapfens 3. Dadurch wird zum einen erreicht, daß dort, wo der Rohrkörper 2 nicht mehr mit einem Belag 8 versehen ist, ein relativ großer Abstand zur Gegenwalze erzeugt wird. Zum anderen erreicht man durch die Verringerung des Außendurchmes­ sers bei gleichzeitiger Verringerung der Dicke der Wand des Rohrkörpers 2 eine geringfügig "weichere" oder nachgiebigere Walze, was sich wiederum positiv auf die Kantenpressungen auswirkt.

Mit diesen Maßnahmen wird es möglich, die Streckenla­ sten an den axialen Enden des Arbeitsbereichs näher an die angestrebten Streckenlasten heranzuführen, so daß die Gefahr von Beschädigungen des Belages 8 verringert wird.

Claims (11)

1. Walze, insbesondere Kalanderwalze, mit einem Rohr­ körper, der an seinen Enden Zapfen aufweist und dessen Umfang zumindest in seinem Arbeitsbereich einen elastischen Belag aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke des Belages (8) im Bereich (A-B) der axialen Enden (A) des Arbeitsbereichs (A-A) zunimmt.

2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Rohrkörpers (2) im Bereich der axialen Enden (A) des Arbeitsbereichs (A-A) ab­ nimmt.

3. Walze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abnahme des Außendurchmessers des Walzen­ rohres (2) über das Ende (A) des Arbeitsbereichs hinaus fortsetzt.

4. Walze nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zunahme der Dicke des Belages (8) zu­ mindest gleichlaufend mit der Abnahme des Außenra­ dius des Rohrkörpers (2) erfolgt.

5. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Belags (8) im Arbeitsbereich (A-A) der Mantelfläche eines Zy­ linders entspricht.

6. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zapfen (3) außerhalb des Ar­ beitsbereichs (A-A) angeordnet ist.

7. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohrkör­ pers (2) außerhalb der Walzenzapfen (3) konstant ist oder sich zu seinen Enden hin vergrößert.

8. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dickenverlauf des Belags (8) im wesentlichen proportional zur Radialverformung eines Mantelrohres (2) mit konstanter Wandstärke und gleichen Walzenzapfen (3) ist.

9. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Walze (1) von innen tempe­ rierbar ist.

10. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Inneren (5) des Rohrkörpers (2) eine verdampfbare Flüssigkeit (6) angeordnet ist, wobei der Druck im Innern (5) auf die Betrieb­ stemperatur der Walze (1) abgestimmt ist.

11. Walze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern (5) des Rohrkörpers ein Wärmetauscher (7) angeordnet ist, der nach außen geführte An­ schlüsse aufweist.