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Die
Erfindung betrifft eine Leitwalze für Materialbahnen mit
lokalen strukturellen oder stofflichen Ungleichmäßigkeiten
in der Blattebene oder in Dickenrichtung, insbesondere für
Papier- oder Kartonbahnen, mit wenigstens zwei Nuten in der äußeren Oberfläche.
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Materialbahnen
mit lokalen strukturellen oder stofflichen Ungleichmäßigkeiten
in der Blattebene oder in Dickenrichtung sind beispielsweise bedingt
durch unterschiedliche Faserorientierung oder kleinflächige
stochastische Massen- oder Feuchteschwankungen.
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Bereits
in der
DE 195 32 323
A1 ist eine Leitwalze beschrieben, die derartige Materialbahnen
zu führen in der Lage ist. Dort ist schon erwähnt,
dass sich Papier- und Kartonbahnen unter Feuchteeinfluss (Strichauftrag)
ausdehnen und beim anschließenden Trocknen wieder schrumpfen.
Bei ungleichmäßiger Feuchteverteilung führt
dies zu Verformungen der Bahn. Das gleiche Problem tritt im Übrigen
in ähnlicher Form bei Kalandern auf, wo die Papierbahn vor
dem Einlauf gefeuchtet wird und während der Satinage im
Kalander mehrfach große Umschlingungen um Leitwalzen vornimmt,
bevor sie dem jeweils nächsten Kalander-Walzennip zugeführt
wird. Bereits die Leitwalze gemäß der
DE 195 32 323 A1 sollte
dafür sorgen, dass die Faltenbildung der sogenannten Schwielen
vermieden wird. Unter Schwielen versteht man die Stellen im Papier
die sich aufgrund eines höheren Feuchtigkeitsgehalts aufwölben.
Trifft man für diese Stellen keine Abhilfe, so würden
sie beispielsweise im Kalandernip Falten schlagen, die übereinander
liegend in die Bahn eingebügelt werden. Dies ist verständlicherweise
unerwünscht, da die Papierqualität leidet und
unter Umständen sogar die Walzenoberflächen der
Kalanderwalzen beschädigt werden. In der
DE 195 32 323 A1 ist deshalb
vorgesehen, dass die in Richtung der Achse verlaufende äußere
Begrenzungslinie der Mantelfläche aufgrund der Rillen so
verlängert ist, dass die Verbreiterung der Papier- oder
Kartonbahn aufgenommen werden kann. Die in den
3 und
4 der
DE 195 32 323 A1 gestrichelt gezeichnete
Begrenzungslinie a einer Rille beträgt daher mindestens
das 1,02-fache, bevorzugt das 1,03- bis 1,08- fache, maximal das
1,15-fache der Projektion b auf die geradlinige Mantellinie einer
zylinderförmigen Mantelfläche. Entsprechend verbreitert
sich die äußere Mantelfläche gegenüber der
zylindrischen Hüllfläche aufgrund der Rillung.
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Dieses
Prinzip hat sich bis zu begrenzten Bahngeschwindigkeiten bewährt.
Bei den heute üblichen Bahngeschwindigkeiten im Bereich
von 1600 bis 2000 m/min sind allerdings die Grenzen erreicht, wo
die Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Bei den hohen
Geschwindigkeiten wird die zwischen Bahn und Leitwalze eingesaugte
Luftmenge der Luftgrenzschicht so groß, dass ein ungewünschtes
sogenanntes Aufschwimmen der Bahn unvermeidbar wird.
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Nun
könnte man annehmen, dass diesem Sachverhalt Rechnung getragen
werden kann, indem man die Nuten so tief ausführt, dass
in ihnen unterhalb der Bahn genug Freiraum vorhanden ist, um die
Luft, die das Polster zwischen Bahn und Oberfläche der
Leitwalze bildet, abzuführen. Leider ist jedoch das Gegenteil
der Fall, denn die Bahn verliert auf diese Weise an Führungsstabilität,
da sie anfängt zu schwingen und zu flattern. Diese Schwingungen können
im schlimmsten Fall einen Bahnriss verursachen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Leitwalze nach dem Oberbegriff
zu schaffen, die auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten die Bahn stabil
führt.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Nuten einen Abstand
zueinander aufweisen und jede Nut in walzenaxialer Richtung wenigstens
einen flachen Abschnitt und wenigstens einen mindestens doppelt
so tief in die Oberfläche eingearbeiteten Luftabführkanal
umfassen. Die Nut erhält also quasi einen doppelten Auftrag.
Der flache Nutabschnitt nimmt den verlängerten Bahnanteil
auf. Die Bahn kann sich in diese flache Vertiefung, die aber dennoch
ein für eine durch Feuchtigkeit zugenommene Verbreiterung
der Bahn ausreichendes Aufnahmevermögen besitzt, einbetten.
Der Luftabführkanal, der sich in der Nut befindet, aber
deutlich bis unterhalb der stabil in die flachere Nut eingebetteten
Bahn reicht, gewährleistet die Abfuhr der zwischen Bahn und
Leitwalze eingeschlossenen Luft, die auf diese Weise kein Aufschwimmen
der Bahn mehr bewirken kann.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Abschnitte zwischen den Nuten,
die den beschriebenen abstand bilden, beispielsweise eine zylindrische Form
aufweisen, durchaus nennenswerte Breiten aufweisen können,
ohne dass der stabile Lauf der Bahn dadurch gestört wird.
Bei einer Versuchswalze entsprach der Abstand zwischen den Nuten
in etwa der Nutbreite, genau gesagt 8 mm. Diese Größenordnung
hat sich als sehr funktionstüchtig erwiesen. Der Aufwand
in der Dreherei oder Fräserei, wo die Nuten erzeugt werden,
hält sich also in Grenzen. Die geometrische Form der Nut
ist dabei mit nur zwei Standardschneidwerkzeugen herstellbar.
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Bevorzugt
verlaufen die wenigstens zwei Nuten in Umfangsrichtung. Das erleichtert
den Herstellprozess, da ein Schneidwerkzeug für jede Nut
nur ein Mal fest positioniert werden muss.
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Alternativ
kann es aber auch von Vorteil sein, wenn die die Nuten schraubenlinienförmig
verlaufen. Dann ist zwar der Herstellaufwand bedeutend größer,
dafür ergeben sich aber verschiedene Vorteile für
die Funktionsweise. Verläuft die Nut auf einer Walzenoberflächenhälfte „linksgewinde artig” und
auf der anderen entsprechend umgekehrt „rechtsgewindeartig” kann
die überschüssige Luft zur Seite abgeführt werden
und bewirkt damit einen gewissen Breitstreckeffekt der Bahn.
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Um
ein ausreichendes Aufnahmevermögen und eine gute Stabilisationswirkung
zu erreichen ist es vorteilhaft, wenn sich ein genuteter Oberflächenbereich
zumindest über die Breite der Materialbahn erstreckt.
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Es
ist von Vorteil, dass die Leitwalze nach der Erfindung konstruktiv
einfach aufgebaut und ohne großen Aufwand herzustellen
ist; z. B. durch Eindrehen oder Einfräsen der Rillen in
ein Stahlrohr. Es sind keine Innenlager im Bereich der geführten Bahn
erforderlich. Die Drehlager an den stirnseitigen Wellenzapfen lassen
sich kühlen, so dass die Leitwalze auch im Bereich hoher
Temperaturen eingesetzt werden kann.
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Es
ist bevorzugt, dass der flache Abschnitt der Nut eine leicht konische
Form besitzt. Beispielsweise ist die Nuttiefe im Übergang
zum zylindrischen Teil der Leitwalze zwischen den Nuten nicht so
tief wie auf der dem Luftabführkanal zugewandten Seite. Dadurch
wird die Luftzwischenschicht beim Einlegen der Bahn in die Nut besser
in den Luftabführkanal geleitet.
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Mit
ganz besonderem Vorteil ist die die Nuten aufweisende Oberfläche
der Leitwalze durch eine auf ein Trägerrohr aufgebrachte
Schicht gebildet. Dadurch sind bei der Herstellung des Trägerrohres,
das vorzugsweise aus einem Stahl besteht, nicht allzu genaue Anforderungen
an die Toleranzen zu legen. Dagegen kann die aufgebrachte Schicht
nach Materialeigenschaften ausgesucht werden, die für die Endherstellung
und die spätere Funktion der Leitwalze geeignet ist. Beispielsweise
kann hier ein Material gewählt werden, welches einfach
zu fräsen ist. Oder aber es kann auf die auf das Papier
wirkenden Eigenschaften Wert gelegt werde, wozu beispielsweise die Oberflächenrauigkeit
oder der Reibwert gehören. Auch eine gewisse Elastizität
der Oberflächenschicht kann zur Vermeidung von Schwingungsanregungen sinnvoll
sein. Ebenso können die Verschleißeigenschaften
bei der Materialauswahl eine wichtige Rolle spielen. Dabei kann
die Schicht ggf. nach einer Zeit durch eine neue ausgetauscht werden.
Eine solche Schicht austauschbar zu machen, spart dem Betreiber
die Kosten für eine komplette neue Leitwalze. Dementsprechend
ist vorgesehen, dass sich die Nuttiefe (die Tiefe des Luftabführkanals
ist hier selbstverständlich eingeschlossen) nicht größer
ist als die Dicke der Oberflächenschicht.
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In
der Experimentierphase mit der erfindungsgemäßen
Leitwalze hat sich als bevorzugtes Material für die Schicht
ein Verbundwerkstoff herausgestellt. Es besteht aus einem Matrixmaterial,
einem Harz, in das geeignete Füllstoffe und Fasern eingebracht
sind. In dieses Material lassen sich auf einfache Weise die gewünschten
Nuten eindrehen und trotzdem ist es relativ verschleißfest.
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Die
Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand eines
vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Die
Figur zeigt den Teilausschnitt eines Längsschnitts durch
eine Leitwalze mit einer Mantelfläche, deren äußere
Kontur durch die Nutform und die zylindrischen Abstände
dazwischen bestimmt ist.
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Die
Leitwalze 1 baut sich aus einem Walzenkörper 2 auf,
an dessen Stirnseiten in nicht dargestellter aber allgemein bekannter
Weise jeweils ein Wellenzapfen koaxial angeflanscht ist, mit dem
die Leitwalze drehbar in einem Gestell gelagert werden kann.
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Der
Walzenkörper 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
aus zwei unterschiedlichen Materialien aufgebaut. Im Inneren besitzt
der Walzenkörper 2 ein Trägerrohr 3,
das zum Beispiel aus einem Stahl gefertigt sein kann. Dieses umgibt
eine Oberflächenschicht 4, die bevorzugt aus einem
Verbundwerkstoff besteht. Selbstverständlich sind auch
andere Materialpaarungen denkbar. Typische Gesamtdurchmesser liegen
bei 200 bis 800 mm und eine typische Gesamtlänge der Leitwalze 1 bei
6000 bis 10000 mm.
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Über
die gesamte axiale Länge sind in die äußere
Mantelfläche des Walzenkörpers 2, in
diesem Ausführungsbeispiel in der Oberflächenschicht 4, eine
Reihe von Vertiefungen in Form von Nuten 5 eingearbeitet,
die jeweils umfänglich in sich geschlossen im rechten Winkel
zur Drehachse 10 des Walzenkörpers 1 verlaufen.
Die Leitwalze ist rotationssymmetrisch zur Walzendrehachse 10 aufgebaut.
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In
einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform
verlaufen die Nuten 5 schraubenlinienförmig um
den Walzenkörper 2.
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Die
Abstände 8 zwischen den Nuten 5 können
der Einfachheit halber zylindrisch bleiben wie die Leitwalzenoberfläche 11.
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Die
umlaufenden Nuten 5 sind so gestaltet und angeordnet, dass
die Mantelfläche so vergrößert wird,
dass ausreichend Auflagefläche für die durch Feuchte
verbreiterte Papier- oder Kartonbahn 9 (strichpunktiert
dargestellt) vorhanden ist. Beim Umlauf der Bahn um die Leitwalze
erzeugen die Nuten 5 eine Reihe von kleinen Längswellen,
um die Verbreiterung der Bahn aufzunehmen. Für die Erfindung
ist es wesentlich, dass sich die Nuten 5 aufteilen in wenigstens
einen flachen Abschnitt 6 und einen Luftabführkanal 7.
Dadurch wird es möglich, die Bahn auch bei hohen Geschwindigkeiten
umzulenken, ohne dass sie – durch eine Luftgrenzschicht
gestützt – auf der Leitwalzenoberfläche 11 schwimmt.
Die Tiefe des Luftabführkanals 7 sollte mindestens
doppelt so groß sein wie die Tiefe des flachen Abschnitts 6,
der vorteilhafterweise auch leicht konisch verlaufen kann.
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In
der Praxis haben sich Nutbreiten von 6 bis 12 mm, davon im flachen
Abschnitt von 5 bis 8 mm und im Kanalbereich von 1 bis 4 mm Breite
als optimale Abmessungen herauskristallisiert. Der Neigungswinkel
des flachen Abschnitts liegt vorzugsweise bei 2 bis 6°.
Die Tiefe des Luftabführkanals sollte mindestens 2 mm betragen.
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- 1
- Leitwalze
- 2
- Walzenkörper
- 3
- Trägerrohr
- 4
- Oberflächenschicht
- 5
- Nut
- 6
- Flacher
Abschnitt
- 7
- Luftabführkanal
- 8
- Abstand
- 9
- Materialbahn
(kurz: Bahn)
- 10
- Walzendrehachse
- 11
- Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19532323
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