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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Klinge nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Die
Klinge der Materialbahnmaschine umfasst mindestens eine erste Werkstoffschicht
und eine zweite, an die erste Werkstoffschicht gefügte
Werkstoffschicht, wobei die zweite Werkstoffschicht eine höhere
Biegesteifigkeit als die erste Werkstoffschicht hat.
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STAND DER TECHNIK
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In
Materialbahnmaschinen, zu denen wenigstens die Papier-, Karton-,
Tissue- und Zellstoffmaschinen zählen, werden Klingen für
verschiedenste Zwecke, wie zum Beispiel als Schaberklingen, Streichmesser
und Kreppklingen eingesetzt, wobei die Klingen jeweils mit einer
Walze zusammenwirken.
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In
der
WO-Schrift 2005/049919 ist
ein Verfahren zur Aussteifung eines Balkens oder einer Tragkonstruktion
in der Endgruppe einer Materialbahnmaschine beschrieben. Das Aussteifen
erfolgt durch Befestigen wenigstens eines aus Verbundwerkstoff hergestellten
Aussteifungselements an der Außenfläche des Balkens oder
der Tragkonstruktion. Der Zweck des Aussteifungselements besteht,
wie schon der Name sagt, in der Aussteifung der Konstruktion, an
der es befestigt wird. Mit dem Aussteifungselement kann auch die
Eigenschwingungsfrequenz der auszusteifenden Konstruktion so erhöht
werden, dass sie die auf die auszusteifende Konstruktion wirkende
Haupterregerfrequenz übersteigt. Der Balken kann aus Stahl,
das Aussteifungselement aus einem aus Kohlefaser-Verbundstoff hergestellten
Streifen bestehen, bei dem die Kohlefasern in eine Epoxidharzmatrix
eingebettet sind. Durch die Erhöhung der Steifigkeit der
Klinge wird die Dämpfung der Klinge nicht erhöht,
sondern unter Umständen sogar reduziert.
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Im
US-Patent 4,549,933 ist
eine Schaberklinge beschrieben, die inhomogene Steifigkeitseigenschaften und
mehrere übereinander angeordnete fasrige Schichten aufweist,
die in Epoxidharz eingebettet sind. Diese Verbundklinge hat eine
fasrige Innenschicht, Zwischenschichten mit parallelen Graphitfasern
und fasrige Außenschichten. Die parallele Graphitfasern
enthaltenden Zwischenschichten verlaufen in Maschinenrichtung. Die
Idee dabei ist, der Schaberklinge in Maschinenrichtung eine ausreichende
Steifigkeit zu verleihen, damit die Klinge gut greift, d. h. schabt,
anderseits aber in Maschinenquerrichtung flexibel ist und so den
Ungleichmäßigkeiten der Walzenoberfläche
folgen kann. Man war also bestrebt, die Klinge so zu optimieren,
dass sie in verschiedenen Richtungen verschieden große
Steifigkeitswerte hat. Über eine Verbesserung der Dämpfungseigenschaften
der Klinge ist in der Schrift nichts gesagt.
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Im
FI-Patent 101636 ist eine
Schaberklinge für Papier- oder Kartonmaschinen beschrieben.
Die Klinge umfasst faserverstärkte Kunststoffschichten,
zwischen denen eine Metallschicht, bevorzugt ein dünnes
Metallblech, angeordnet ist. Die Schaberklinge bildet also eine
Art Sandwich-Konstruktion. Die Faserrichtungen in den Kunststoffschichten
oder -lagen sind je nach den erforderlichen Eigenschaften gewählt. Über
eine Verbesserung der Dämpfungseigenschaften der Klinge
ist in der Schrift nichts gesagt.
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Schaberklingen
werden in Materialbahnmaschinen zum Reinigen von Walzenaußenflächen
eingesetzt, d. h. mit der Klinge wird von der Walzenaußenfläche
an dieser anhaftender Schmutz abgeschabt. Die Reibung zwischen der
Schaberklinge und der Walzenaußenfläche kann unter
Umständen zum so genannten Stick-slip-Effekt (Haftgleiteffekt,
Ruckgleiten) führen, wobei dann die Walzenaußenfläche
möglicherweise durch die Schwingung der Schaberklinge beschädigt
wird. Die Schaberklinge kann an der Walzenaußenfläche eine
so genannte grobe (weite) Markierung oder eine enge (dichte) Markierung
verursachen. Die mit der groben Markierung verbundene Eigenschwingungsfrequenz
der Schaberklinge liegt im Bereich von 300–500 Hz, die
mit der engen Markierung verbundene Eigenschwingung der Schaberklinge
im Bereich von über 2000 Hz. Bei den niedrigeren Frequenzen
sind an der Schwingung größere Konstruktionen
beteiligt, typischerweise der gesamte Schaberbalken. Bei den höheren
Frequenzen wiederum ist die Schwingung mehr örtlicher Natur,
und bei einer Frequenz von 2000 Hz bleibt die Schwingung auf die
Schaberklinge selbst oder auf die Kombination aus Klinge und Klingenhalter
beschränkt. Deshalb muss die Schaberklinge im Hinblick
auf die Schwingung auf die höhere Frequenz 2000 Hz optimiert
werden.
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Hinter
der Zunahme der groben Markierung steht die so genannte synchrone
Resonanzschwingung, die folgendermaßen entsteht:
In
dem Gleitkontakt zwischen Schaberklinge und Walzenoberfläche
treten stets Niedrigenergie-Störungen auf. Die Störungen
bewirken, dass die Schaberklinge mit ihrer Eigenschwingungsfrequenz
gegen die Walzenaußenfläche schwingt.
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Aus
einigen der Störungen des Kontakts zwischen Schaberklinge
und Walzenaußenfläche entsteht an der Walzenaußenfläche
eine kleine Einkerbung/Scharte. Die an der Walzenoberfläche
entstandene Markierung bildet ein Muster, dessen Wellenlänge
durch die natürliche Schwingungsfrequenz der Schaberklinge
und die Rotationsgeschwindigkeit der Walzenaußenfläche
bestimmt wird.
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Hat
die Walze eine volle Umdrehung vollführt, kommt das bereits
gebildete Muster erneut mit der Schaberklinge in Berührung.
Das an der Walzenaußenfläche entstandene Muster
fungiert als Erreger für die Schwingung der Schaberklinge,
das heißt, das Muster bewirkt einen Stoß/Schlag
auf die Schaberklinge.
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In
einer Situation, in der die Walze eine solche Rotationsgeschwindigkeit
hat, dass das auf der Walzenaußenfläche entstandene
Muster in der gleichen Phase auf die Schaberklinge trifft wie die
schon schwingende Schaberklinge, beginnt die Schwingung zuzunehmen.
Im Laufe der Zeit wächst die Schwingungsfrequenz der Schaberklinge
exponentiell.
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Die
gleiche Erscheinung kann auch zwischen zwei in Nipkontakt befindlichen
Walzen auftreten und wird dann als Barring bezeichnet.
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Der
Entstehungsmechanismus der engen Markierung ist ein anderer.
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Die
Geometrie des Klingenhalters ist so beschaffen, dass die Reibung,
deren Richtung tangential zur Walzenaußenfläche
verläuft, auf selbstbelastende Weise oder so funktioniert,
dass die Belastung der Schaberklinge infolge der Reibung zwischen
Klinge und Walzenaußenfläche wächst.
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Nimmt
die Reibung zwischen der Schaberklinge und der Walzenaußenfläche
zu, so kommt es zu einem Haften der Schaberklinge an der Außenfläche
der rotierenden Walze, und die Belastung der Schaberklinge nimmt
stark zu. Auch der Berührungswinkel der Schaberklinge zur
Walzenaußenfläche wächst wenn sich die
Schaberklinge und deren Halter biegen.
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Übersteigt
die Belastung der Schaberklinge die Festigkeit der Walzenaußenfläche,
so löst die Schaberklinge Material aus der Walzenaußenfläche
heraus, und die Belastung der Schaberklinge lässt schlagartig nach.
Die Schaberklinge springt dabei in ihre ursprüngliche Stellung
zurück.
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Verursacht
die Stick-slip-Schwingung an der Walzenaußenfläche
Markierungen, so wirken diese als Schwingungsquellen, und die Schwingung
verstärkt sich.
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An
der Außenfläche von Walzen finden sich vielerlei
Verunreinigungen/Fremdstoffe, die zu einer Zunahme der Reibung zwischen
Schaberklinge und Walzenaußenfläche führen,
wobei dann auch das Risiko wächst, dass die Schaberklinge
zu schwingen beginnt.
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Man
hat auch beobachtet, dass, wurden beim Kalander die Temperaturen
der Thermowalzen erhöht, sich die Schwingungsniveaus der
Schaberklingen erhöhten. Die Ursache dieser Erscheinung
dürfte sein, dass bei höheren Temperaturen das
Haften der Schaberklingen an der Walzenaußenfläche
zunimmt. Bei niedrigen Thermowalzentemperaturen können
die Schaberklingen problemlos beträchtlich längere
Zeit im Einsatz gehalten werden als bei hohen Thermowalzentemperaturen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung kann die
Schwingung der Klinge einer Materialbahnmaschine eliminiert oder
zumindest beträchtlich reduziert werden.
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Die
hauptsächlichen Merkmale des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 aufgeführt.
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Die übrigen
charakteristischen spezifischen Merkmale der Erfindung gehen aus
den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Für
die erfindungsgemäße Klinge ist kennzeichnend,
dass die zweite Werkstoffschicht so gewählt ist, dass ihr
Verlustfaktor bei Betriebstemperatur der Klinge und der problematischen
Schwingungsfrequenz der Klinge einen möglichst hohen Wert
hat.
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Auf
diese Weise wird die Dämpfungseigenschaft der zweiten Schicht
bei Betriebstemperatur der Klinge und der problematischen Schwindungsfrequenz
der Klinge maximiert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Klinge noch
eine auf der zweiten Werkstoffschicht gebildete dritte Werkstoffschicht
auf. Die durch die Schwingung der Deckschichten verursachten Scherkräfte werden
dann in der Mittelschicht wirksam gedämpft.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schabervorrichtung in schematischer Darstellung.
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2 zeigt
eine Vergrößerung der in 1 dargestellten
Schaberklinge.
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3 zeigt
die Biegesteifigkeit und den Verlustfaktor in Abhängigkeit
von der Temperatur.
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4 zeigt
den Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Schabervorrichtung, die eine an
der Mantelaußenfläche 11 der Walze 10 anliegende
Schaberklinge 20 hat, die im Klingenhalter 30 befestigt
ist, der wiederum über den Gelenkpunkt N an dem Tragbalken 40 angeordnet
ist. Beiderseits des Gelenkpunkts N sind zwischen dem Klingenhalter 30 und
dem Tragbalken 40 Druck-, d. h. Belastungsschläuche 51, 52 angeordnet,
mit denen die Position der im Klingenhalter 30 befestigten
Schaberklinge 20 relativ zur Mantelaußenfläche 11 der
Walze 10 reguliert werden kann. Der Rotationsmittelpunkt
der im Querschnitt gezeigten Walze 10 trägt das
Bezugszeichen C.
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2 zeigt
eine Vergrößerung der in 1 dargestellten
Schaberklinge 20. Die Schaberklinge 20 setzt sich
aus den Deckschichten 21, 23 und der zwischen
diesen befindlichen Zwischenschicht 22 zusammen.
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Die
Zwischenschicht 22 besteht bevorzugt aus legiertem Epoxidharz.
Für alle Epoxidharze ist charakteristisch, dass die Steifigkeit
des Werkstoffs mit wachsender Temperatur sinkt. Die Steifigkeit
von Epoxidharz nimmt nicht gleichmäßig ab, sondern
sinkt bei einer bestimmten Temperatur zusammenbruchartig. Diese
Temperatur wird als Glasübergangstemperatur bezeichnet.
Außerdem wächst die Steifigkeit von Epoxidharz
in Abhängigkeit von der Belastungsfrequenz, und auch das
geschieht bei einer bestimmten Frequenz, der so genannten Transitionsfrequenz
(Übergangsfrequenz), abrupt.
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Bei
dynamischer Belastung wird ein Teil der auf den Werkstoff gerichteten
Last in Form elastischer Energie in dem Werkstoff gespeichert und
ein Teil infolge der Wirkung der Verluste in Wärme umgewandelt.
Das Verhältnis aus diesen Energien wird als Verlustfaktor
bezeichnet, d. h. also: Verlustfaktor = Verlustenergie eines Zyklus/elastische
Energie.
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Bei
der Transitionsfrequenz nimmt die Steifigkeit je nach Epoxidharz
um etwa eine Dekade zu, und gleichzeitig erreicht der Verlustfaktor
des Werkstoffs sein Maximum.
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Beide
oben genannten Eigenschaften sind abhängig von der Menge
und der Qualität der unter das Epoxidharz gemischten Zusatzstoffe.
Das Legieren des Epoxidharzes muss also so optimiert werden, dass
der Verlustfaktor des legierten Epoxidharzes bei Betriebstemperatur
und der problematischen Frequenz sein Maximum erreicht.
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Zur
Auswahl des Epoxidharzes werden die Betriebstemperatur T0 und die
Eigenschwingungsfrequenz F0 der Schaberklinge 20 an der
Einsatzstelle gemessen. Bei einer Eigenschwingungsfrequenz von 2000
Hz und einer Betriebstemperatur von 80°C wird das legierte
Epoxidharz so gewählt, dass seine Glasübergangstemperatur
bei einer Belastungsfrequenz von 2000 Hz 80°C beträgt.
Unlegiertes Epoxidharz hat eine niedrige Glasübergangstemperatur,
aber bei Hinzufügen von Zusatzstoffen nimmt die Glasübergangstemperatur
von Epoxidharz zu.
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Für
den Elastizitätsmodul eines viskoelastischen Werkstoffs
lassen sich Diagramme mit der unten aufgeführten Gleichung
(1) – dem Materialmodell erster Ordnung für viskoelastische
Werkstoffe – berechnen. Dieses Modell vermag mit angemessener
Genauigkeit das Verhalten des Werkstoffs unter gegebenen Transitionstemperatur-
und Frequenzbedingungen zu beschreiben.
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Darin
bedeuten E0 und E1 Elastizitätsmoduln
des Werkstoffs außerhalb des Glasumwandlungsbereichs des
Werkstoffs und η einen die Viskoelastizität des
Werkstoffs beschreibenden Parameter (Relaxationszeit).
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Aus
der Gleichung (2), dem Absolutwert der Gleichung (1), erhält
man den dynamischen Elastizitätsmodul des Werkstoffs, und
aus der Gleichung (3), der Tangente des Phasenwinkels der komplexen
Zahl der Gleichung (1), erhält man den Verlustfaktor des
Werkstoffs.
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Die
Temperaturabhängigkeit für den Parameter η erhält
man aus der so genannten WFL-Gleichung (Wilson-Landel-Ferry) (4):
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Nimmt
man T
2 als Glasübergangstemperatur
T
g, so gilt für die meisten Epoxidharze
C
1 = 17,4 und C
2 =
51,6 und man erhält:
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Durch
Variieren der Werkstoffparameter E0, E1, η(Tg)
und Tg in den oben aufgeführten
Gleichungen lassen sich die Kurven zeichnen, an Hand deren ein solches
legiertes Epoxidharz gewählt werden kann, dessen Verlustfaktor
bei der gewünschten Temperatur und der gewünschten
Frequenz sein Maximum hat.
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Die
in 3 gezeigten Kurven 1–6 beschreiben die
Verlustfaktoren LF von sechs unterschiedlich legierten Epoxidharzen
E1, E2, E3, E4, E5 und E6 als Funktion der Temperatur F, und die
Kurven 01–06 in 3 beschreiben die Logarithmen
LogE des Elastizitätsmoduls der entsprechenden Epoxidharze
E1, E2, E3, E4, E5 und E6 als Funktion der Temperatur T. Die in 3 dargestellten
Kurven beschreiben die Situation bei einer Schwingungsfrequenz von
10 Hz.
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4 zeigt
den Verlustfaktor LF eines der in 3 einbezogenen
legierten Epoxidharze, nämlich E3, als Funktion der Frequenz
F. Die in 4 eingezeichneten Kurven 1–6
entsprechen den folgenden Temperaturen des legierten Epoxidharzes
E3: –20, 20, 25, 30, 40 und 80°C. Die Abszisse
in 4 hat eine exponentielle Skala.
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Dem
Kurvendiagramm in 3 ist zu entnehmen, dass der
Verlustfaktor LF des legierten Epoxidharzes E3 (Kurve 3) bei einer
Temperatur von ca. 38°C im Maximalbereich liegt. Aus dem
Diagramm in 4 wiederum ist zu ersehen, dass
der Verlustfaktor LF des legierten Epoxidharzes E3 (Kurve 3) bei
einer Schwingungsfrequenz F von etwa 10 Hz sein Maximum hat, wobei
die Temperatur 40°C beträgt.
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Durch
Beschichten der Schaberklinge 20 mit dem legierten Epoxidharz
E3 erzielt man also die beste Dämpfung bei einer Schwingungsfrequenz
von 10 Hz und einer Temperatur von ca. 40°C.
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Auf
Grund von 3 und 4 lässt
sich schließen, dass man eine wirksame Dämpfung
der Klinge erzielt, wenn man die bevorzugt aus Stahl gefertigte
Schaberklinge 20 mit legiertem Epoxidharz beschichtet, das
bei Betriebstemperatur der Klinge einen möglichst hohen
Verlustfaktor hat. Die Dämpfungswirkung lässt sich
noch verstärken indem man die Klinge 20 so fertigt,
dass die Deckschichten 21, 23 aus Stahl und die
Zwischenschicht 22 aus legiertem Epoxidharz bestehen. Die
durch die Schwingung der Deckschichten 21, 23 verursachten
Scherkräfte werden dann in der aus legiertem Epoxidharz
bestehenden Mittelschicht effektiv gedämpft. Wesentlich
sind der Steifigkeitsunterschied zwischen den verschiedenen Schichten
und der große Verlustfaktor der Mittelschicht. Die obere
und die un tere Schicht brauchen auch nicht aus dem gleichen Werkstoff
zu bestehen. Da die beste Dämpfung durch passende Wahl
der Dämpfungs- und der Deckschicht erreicht wird, gestaltet
es sich vorteilhaft, wenn zum Beispiel als Deckschicht ein steiferer
Werkstoff eingesetzt wird. Dabei genügt dann eine sehr
dünne Deckschicht. Die Klinge kann zum Beispiel so hergestellt
werden, dass die untere Schicht, d. h. die Grundschicht aus Stahl,
die Mittelschicht aus legiertem Epoxidharz und die obere Schicht,
d. h. die Deckschicht aus Kohlefaser-Verbundstoff besteht. Die hohe
Zugsteifigkeit der Kohlefaser ermöglicht eine sehr dünne
Deckschicht. Die Dicke der Klingen-Grundschicht könnte
2 mm betragen, der Zwischenschicht 3 mm und der Deckschicht 1 mm.
Die aus Stahl bestehende Grundschicht bildet bevorzugt das dem Verschleiß ausgesetzte
Spitzenteil der Klinge.
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Mit
einer solchen dreischichtigen Struktur bewirkt man ein so genanntes „constrained
layer damping”. Auf den Grundwerkstoff wird ein weicherer
und einen größeren Verlustfaktor aufweisender
Werkstoff und auf diesen noch eine Sperrschicht aufgetragen. Bei
Biegeschwingung überträgt der Dämpfungsfaktor
die Scherkraft bei Biegung der Sperrschichtstruktur. Infolge der
unterschiedlich großen Elastizitätsmoduln der
Werkstoffe muss die Dämpfungsschicht große Scherkräfte
aufnehmen, und der Verlustfaktor des Werkstoffs wird so genutzt.
Die Schichtdicken werden bevorzugt so optimiert, dass in der Dämpfungsschicht
bei Biegung eine möglichst hohe Scherspannung (Deformation)
entsteht und die Gesamtdicke innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
Außerdem muss die Konstruktion eine ausreichend große
Biegesteifigkeit haben.
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Die
obigen Beispiele basieren auf dem Einsatz bezüglich des
Verlustfaktors optimierten legierten Epoxidharzes in Verbindung
mit einer Klinge einer Materialbahnmaschine, aber statt legierten
Epoxidharzes könnte auch irgendein anderes Elastomer, wie
zum Beispiel Polyurethan oder Gummi, deren Verlustfaktoren entsprechendes
Verhalten wie das von legiertem Epoxidharz zeigen, verwendet werden.
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Die
Erfindung wurde vorangehend in Verbindung mit einer Schaberklinge
beschrieben, jedoch kann die Erfindung auch in Verbindung mit einem
Streichmesser oder eine Kreppklinge eingesetzt werden. An Streichmessern
und Kreppklingen treten entsprechende Schwingungen wie an der Schaberklinge
auf.
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In 1 ist
der Klingenhalter 30 über einen Gelenkpunkt N
am Tragbalken 40 befestigt, sodass die Verbindung zwischen
Klingenhalter 30 und Tragbalken 40 flexibel ist.
In einer solchen Situation genügt es im Allgemeinen, dass
lediglich die Klinge 20 durch eine legierte Epoxidharzschicht,
deren Verlustfaktor auf Grund der Betriebstemperatur und der problematischen Schwingungsfrequenz
der Klinge optimal gewählt wurde, gedämpft wird.
In dem Fall, dass die Klinge 20 und der Klingenhalter 30 starr
am Tragbalken 40 abgestützt sind, kann eine bloße
Dämpfung der Klinge 20 mit Epoxidharz eventuell
nicht ausreichen. In solchen Fällen müssen dann
auch der Klingenhalter 30 und eventuell auch der Tragbalken 40 durch
Epoxidharz gedämpft werden.
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Vorangehend
wurden lediglich einige bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben, und für den Fachmann versteht es
sich, dass an diesen im Rahmen der beigefügten Patentansprüche
zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/049919 [0004]
- - US 4549933 [0005]
- - FI 101636 [0006]
