DE69401167T2

DE69401167T2 - Wickelkerne mit grossem Spiralwinkel

Info

Publication number: DE69401167T2
Application number: DE69401167T
Authority: DE
Inventors: Clifford A Bellum; Terry D Gerhardt; Yanping Qui; Tony F Rummage
Original assignee: Sonoco Products Co
Current assignee: Sonoco Products Co
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: EP0631963A1; US5472154A; EP0631963B1; DE69401167D1; JP2783976B2; CA2126797C; CA2126797A1; TW283698B; JPH07144835A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Karton- bzw. Pappewickelkerne für Textilien und andere Materialien, die eine gesteigerte Fähigkeit aufweisen, hohen Wickelgeschwindigkeiten standzuhalten. Genauer gesagt betrifft die Erfindung spiralförmig gewickelte Kartonwickelkerne mit einem hohen Spiralwickelwinkel zur Verbesserung des Hochgeschwindigkeitswickelns von Textilfäden und -garnen sowie anderer Materialien.
Spiralförmig gewickelte Kartonrohre werden in der Textilindustrie und anderen Bereichen in großem Umfang zum Wickeln von Fäden, Garnen und anderen Materialien wie z.B. Filmen während deren Herstellung verwendet. Obwohl Karton als Einzelschicht relativ schwach ist, kann eine Röhre aus mehreren spiralförmig gewickelten Kartonschichten eine beträchtliche Festigkeit aufweisen.
In der Textilindustrie nahmen in den letzten Jahren die Garnwickelgeschwindigkeiten dramatisch zu. Derzeit eingesetzte Textilwickler können bei Wickelgeschwindigkeiten bis zu 8.000 m/min betrieben werden. Hohe Wickelgeschwindigkeiten führen dazu, daß beträchtliche Kräfte auf die Textilkerne ausgeübt werden, wie dies auf dem Gebiet allgemein bekannt ist. US-Patent 3.980.249 (Cunningham et al., veröffentlicht im Jahre 1976) berichtet z.B. über die Phänomene des Auflösens und Explodierens von Hochgeschwindigkeitstextilkernen bei Wickelgeschwindigkeiten von 3.660 m/min (12.000 Fuß pro Minute). Die erhebliche Zunahme der Textilwickelgeschwindigkeiten seit der damaligen Zeit verschärfte dieses bekannte Problem.
Wickler können trommel- oder spindelbetrieben sein. Trommelbetriebene Wickler besitzen eine angetriebene Wickeltrommel mit einer Antriebskontaktfläche, die die Oberfläche des Textilkerns während des Starts am Umfang berührt und die Oberflächengeschwindigkeit des Textilkerns rasch auf die erwünschte Wickelgeschwindigkeit erhöht. Derzeit erhältliche Trommelwickler können die Geschwindigkeit des Textilkerns innerhalb von nur fünf Sekunden vom Ruhezustand auf 6.000 m/min erhöhen. Spindelbetriebene Wickler beschleunigen den Textilkern mit einer viel langsameren Beschleunigungsrate vom Ruhezustand auf die erwünschte Wickelgeschwindigkeit, wobei eine angetriebene Spindel zum Einsatz kommt, die koaxial im Inneren des Textilkerns abgestützt ist. Diese Wickler umfassen eine Walze mit einer Antriebskontaktfläche, die die Oberfläche der rotierenden Röhre unter Druck berührt.
Die auf die Textilkerne insbesondere am Beginn eines Hochgeschwindigkeitswickelvorgangs ausgeübten Kräfte umfassen somit Druckkräfte (Kopfdruck), wie sie z.B. durch den Kontakt zwischen der Antriebskontaktfläche und der Vorderfläche des Textilkerns erzeugt werden; Scher- und Abriebkräfte, wie sie z.B. durch die angetriebene Wickeltrommel während der anfänglichen Beschleunigung der Textilkernoberfläche erzeugt werden; Zugkräfte aufgrund der Umfangsbeschleunigung vom Ruhezustand auf Startgeschwindigkeit; radial ausgerichtete Spannungen aufgrund der durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit des Textilkerns erzeugten Zentrifugalkraft; und durch die Rohrdrehung bewirkte Umfangsspannungen.
Obwohl sich herausstellte, daß einige sorgfältig konzipierte und konstruierte Kartontextilkerne mit den 6.000 m/min-Wicklern betrieben werden können, ist derzeit kein im Handel erhältlicher Kartontextilkern in der Lage, sich zuverlässig mehr als zwei Minuten lang auf dem 8.000 m/min-Wickler zu drehen, ohne zu explodieren. Dies gilt auch für Rohre, die aus den besten Kartonen der Welt bestehen.
Man weiß über die Mechanismen, die für die Auflösung der Textilrohre während des Starts des Hochgeschwindigkeitswicklers verantwortlich sind, wenig Bescheid, was teilweise auf die Beschaffenheit der Kartonrohre selbst zurückzuführen ist. Kartonrohre bestehen aus Schichten, die während des Herstellungsverfahrens miteinander verklebt wurden. Die Kartonbildung jeder dieser Schichten ist ein orthotopisches Material mit Eigenschaften in Längs- bzw. Maschinenrichtung (MD), die sich von den Eigenschaften des gleichen Kartons in Breite- bzw. Querrichtung (DC) unterscheiden, was auf die Neigung zurückzuführen ist, daß sich mehr Papierfasern in MD als in CD ausrichten.
Außerdem sind die Kartonfestigkeitseigenschaften in der senkrecht zur Papierebene verlaufenden Richtung weniger stark ausgeprägt als jene des Karton in MD oder DC, was ebenfalls die Folge der Fasernausrichtung ist.
Da die Kartonlagen, die die Textilkerne bilden, spiralförmig orientiert sind, gibt es keine Ausrichtung der Kartonlagen in CD oder MD entlang der Achse des Rohrs bzw. entlang seines Umfangs. Obwohl die theoretisch vorherrschende Spannung, die während der Hochgeschwindigkeitsrohrdrehung entsteht, die äußerst hohe Umfangsspannung an der Innenfläche des Rohrs ist, weiß man, daß Karton eine ausreichende Festigkeit aufweist, diesen Kräften standzuhalten. Beobachtungen explodierender Rohre zeigen Materialversagen in der Nähe der Rohrwandmitte auf.
Vor kurzem wurde eine Elastizitätslösung in geschlossener Form entwickelt, um Spannungen und Belastungen in axissymmetrisch belasteten Spiralpapierrohren vorherzusagen. In Versuchen zur Bestätigung dieser Theorie wurde über Fluid eine Last an die Außenperipherie eines spiralförmig gewickelten Kartonrohrs angelegt, sodaß die Radiallast gleichmäßig um den Umfang des Rohrs verteilt war; siehe T.D. Gerhardt, "External Pressure Loading of Spiral Paper Tubes: Theory and Experiment", Journal of Engineering Materials and Technology, Bd. 112, S. 144-150, 1990. Die in dieser Arbeit dargelegte Theorie konnte Überlegungen betreffend die orthotopischen Eigenschaften von Kartonrohren erfolgreich miteinbeziehen. Die dynamische Beschaffenheit der Kräfte, die der Textilkernauflösung während des Starts des Hochgeschwindigkeitswicklers zugrundeliegen, und die offensichtlichen Schwierigkeiten beim Wiederholen dieser Kräfte unter statischen Bedingungen stellen viel komplexere Überlegungen dar als jene, die in der obigen Arbeit analysiert wurden.
Die Winkelausrichtung der spiralförmig gewickelten Lagen in bezug auf die Rohrachse in kommerziell erhältlichen Textilkernen ist auf einen relativ engen Winkelbereich beschränkt. Man ist der Auffassung, daß dies das Ergebnis der spezifischen Herstellungsverfahren, der weiten Verbreitung bestimmter Standard-Kartonlagenbreiten und der allgemeinen Verwendung von Textilkernen relativ kleiner Standard- Innendurchmesser (ID) ist. Derzeit erhältliche Textilkerne weisen Wickelkonstruktionen mit Spiralwinkel auf, worin die Standard-Lagenbreiten mit den erwünschten Standard-ID in Übereinstimmung gebracht werden, sodaß die bekannte Herstellungseffizienz erhöht wird, während Herstellungsprobleme vermieden werden.
Spiralförmig gewickelte Rohre werden unter Verwendung eines stationären Dorns gefertigt. Die Lagen werden in überlappender Beziehung auf den Dorn aufgebracht und das auf dem Dorn gebildete Rohr durch einen Riemen gedreht, der das Rohr axial entlang des Dorns bewegt. Der Winkel, in dem die Lagen dem Dorn zugeführt werden, wird durch den Außendurchmesser (OD) des Dorns und die Breite der Lagen unter Berücksichtigung geometrischer Beschränkungen bestimmt. Lagen mit geringerer Breite müssen in einem größeren Wickelwinkel in bezug auf den Dorn zugeführt werden (näher zu einer Querausrichtung), während breitere Lagen in einem kleineren Winkel zugeführt werden müssen (axial mehr mit dem Dorn ausgerichtet).
Die Verwendung breiterer Kartonlagen erhöht somit infolge unterschiedlicher und kumulativer Effekte die Rate der Rohrbildung. Breitere Lagen decken eine größere axiale Länge der Dornoberfläche ab, da sie einfach breiter sind. Außerdem sorgt der kleinere Wicklungswinkel, der bei breiteren Lagen gegeben sein muß, für eine engere Ausrichtung der Lage mit der Dornachse, was zu einer größeren axialen Abdeckung der Dornoberfläche in bezug auf die tatsächliche Breite der Lage führt. Bei einer bestimmten Riemengeschwindigkeit sorgt somit die Verwendung breiterer Lagen und ihrer korrespondierenden kleineren Wicklungswinkel für eine höhere Rohrbildungsrate, d.h. zu einer größeren Axiallänge der Rohrproduktion pro Minute.
Die Verwendung breiterer Lagen und ihrer korrespondierenden kleineren Wicklungswinkel vereinfacht auch deswegen das Rohrbildungsverfahren, da die Lagen in verstärkter Ausrichtung mit der axialen Bewegung des gebildeten Rohrs auf den Dorn aufgebracht werden. Dies wiederum führt zu geringerer Reibung zwischen der Innenfläche des sich drehenden Rohrs und dem stationären Dorn. Die geringere Reibung zwischen dem Rohr-ID und dem Dorn kann höhere Riemengeschwindigkeiten zulassen und die Möglichkeit des Auseinanderbrechens der Lagen bei der Drehung des Rohrs und seiner axialen Bewegung entlang des Dorns minimieren.
Mit Ausnahme von Kartonrohren mit sehr großem Durchmesser (d.h. von mehr als etwa 30 cm bzw. einem Fuß) werden große Wicklungswinkel während der Rohrbildung durch Verwendung breiterer Kartonlagen aus den oben besprochenen Gründen vermieden. Bei den sehr großen Rohren macht die beträchtliche Dorngröße die Verwendung großer Wicklungswinkel oder die Verwendung extrem breiter Lagen erforderlich, die nicht allgemein zur Verfügung stehen bzw. mit gängigen Rohrherstellungsgeräten zumeist nicht verwendet werden. Standard-ID-Größen bei Textilwickelkernen reichen von 76 mm (3 Zoll) bis 142 mm (5,6 Zoll). Rohre mit einem solchen ID können ohne die Notwendigkeit großer Wicklungswinkel und schmaler Lagenbreiten hergestellt werden. Somit werden alle im Handel erhältlichen Textilkerne für Hochgeschwindigkeitswickler unter Verwendung von fortlaufenden Lagen mit einer Breite von 102 mm (4 Zoll) oder mehr und einem Wicklungswinkel von weniger als 74º gefertigt. Textilkerne mit einem Druchmesser im unteren Abschnitt des Standardbereichs besitzen Wicklungswinkel von weniger als 70º. Textilkerne mit einem Durchmesser im oberen Abschnitt des Standardbereichs weisen eine Lagenbreite von zumindest 127 mm (5 Zoll) auf.
Die Erfindung bietet spiralförmig gewickelte Kartonwickelkerne mit gesteigerter Hochgeschwindigkeitswickelfähigkeit zum Aufwickeln von Textilfäden und -garnen sowie von anderen Materialien wie z.B. Filmen. Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß die Vergrößerung des Wickelspiralwinkels von Kartonlagen in Wickelkernen ungünstige Spannungen in der Rohrwand, die durch Hochgeschwindigkeitsdrehen auftreten, verringert. Außerdem stellte man fest, daß größere Spiralwinkel auch die Spannungen aufgrund von Druckkräften verringern können, die durch Antriebskontaktflächen auf die Vorderfläche der Wickelkerne ausgeübt werden.
Die erfindungsgemäßen spiralförmig gewickelten Kartonwickelkerne werden durch eine zylindrische Körperwand mit einer Vielzahl an Strukturschichten definiert, die aus sprialförmig gewickelten Kartonlagen bestehen, von denen jede einen vorbestimmten Wickelspiralwinkel mit der Achse der zylindrischen Körperwand von zumindest etwa 71º bildet. In Wickelkernen mit einem relativ großen ID von etwa 122 mm (4,8 Zoll) bis 152 mm (6 Zoll) bilden die Kartonlagen, aus denen die spiralförmig gewickelten Kartonwickelkerne bestehen, einen Wicklungswinkel von zumindest etwa 74º. Kartonlagen mit effektiven Breiten von weniger als etwa 127 mm (5 Zoll), vorzugsweise weniger als etwa 114 mm (4,5 Zoll), werden dazu verwendet, diese Wickelkerne zu bilden. In Wickelkernen der Erfindung mit geringerem ID, d.h. von weniger als etwa 122 mm (4,8 Zoll), besitzen alle den Kern bildenden Kartonlagen eine Breite von weniger als etwa 103 mm (4 Zoll), vorzugsweise von weniger als etwa 89 mm (3,5 Zoll), und einen Wickelspiralwinkel von zumindest etwa 71º.
Wickelspiralwinkel von mehr als 74º und Kartonlagen mit Breiten von weniger als 89 mm (3,5 Zoll) wurden bislang nicht kommerziell eingesetzt, um Textilwickelkerne zu produzieren, was zumindest teilweise die Folge höherer Kosten aufgrund geringerer Fertigungsgeschwindigkeiten und größerer Probleme bei der Herstellung der Kerne ist. Man stellte jedoch fest, daß die Leistungsfähigkeit der Hochgeschwindigkeits- Textilkerne gemäß der vorliegenden Erfindung durch Erhöhung des Spiralwinkels erheblich verbessert wird. Außerdem kommt es bei fast jeder Kartonart zu dieser Leistungsverbesserung.
Obwohl die Ursachen für die Auflösung und Explosion von Textilkernen bei hohen Wickelgeschwindigkeiten, insbesondere beim Starten, noch nicht restlos aufgeklärt bzw. beseitigt sind, stellte sich heraus, daß die Vergrößerung des Wickelspiralwinkels dabei hilft, Spannungen bei zumindest zwei der ungünstigen Lastbedingungen beim Hochgeschwindigkeitswickeln zu reduzieren. Die Erzielung einer stärkeren Ausrichtung zwischen den Kartonlagen und dem Umfang des Kartonrohrs erhöht die Umfangsbiegefestigkeit des Rohrs, was die ungünstigen Auswirkungen der Drucklastkräfte verringert, die durch die Kontaktfläche oder Wickeltrommel der Hochgeschwindigkeitswickler radial nach innen auf die Rohroberfläche ausgeübt werden. Außerdem beobachtete man, daß freie Drehspannungen innerhalb der Rohrwand aufgrund des Hochgeschwindigkeitsdrehens durch Vergrößerung des Wickelspiralwinkels der Lagen ebenfalls vermindert werden.
Die verbesserten Textilkernkonstruktionen der Erfindung ermöglichen die Steigerung der Hochgeschwindigkeits-Wickelleistung von Textilkernen, ohne Modifizierungen des Kartons, des Klebstoffs, der Textilkernoberfläche und/oder anderer Komponenten zu erfordern, die in der Vergangenheit zur Steigerung der Hochgeschwindigkeits- Wickelleistung zumeist geändert wurden. In bevorzugten Ausführungsformen konnte die vorliegende Erfindung die Leistungsfähigkeit von Hochgeschwindigkeits- Textilkernen erheblich verbessern, die zwei Minuten lang Wicklergeschwindigkeiten von 8.000 m/min ausgesetzt wurden. Obwohl fast 50% herkömmlich konstruierter Kerne diesen Bedingungen zwei Minuten lang nicht standhalten konnten, überlebten fast alle der bevorzugten Kerne der vorliegenden Erfindung diese Bedingungen, die zumindest zwei Minuten lang vorherrschten. Dies wurde durch Änderung des Wicklungswinkels von 73º auf 81º erzielt, wobei kein anderer Parameter der Rohrkonstruktion modifiziert werden mußte. Die Erfindung kann weiters die Leistungsfähigkeit von Textilkernen erheblich verbessern, die bei niedrigeren Wickelgeschwindigkeiten betrieben werden, z.B. bei 6.000 m/min. Die Erfindung ist auf Textilwickelkerne unterschiedlicher Konstruktionen, Wanddicken, Mehrkomponentenwände u.dgl. anwendbar und kann offenbar die Leistungsfähigkeit von Hochgeschwindigkeitswicklern in jedem Fall steigern. Somit können die Textilwickelkern-Konstruktionen der Erfindung in Kombination mit zahlreichen anderen Textilkern-Konstruktionsverbesserungen eingesetzt werden, um Textilkerne mit deutlich verbesserter Hochgeschwindigkeits-Wicklerleistungsfähigkeit bereitzustellen. Die erfindungsgemäßen Wickelkerne können die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeits-Wickelarbeitsgängen für Textilgarne verbessern (einschließlich Endlosfasergarnen und Garnen aus Stapelfasern), da die Rohrexplosion und Auflösungsprobleme minimiert werden.
Es folgt eine ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Abbildungen, worin:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Textilwickelkern-Konstruktion der Erfindung ist;
Fig.2 eine Teilschnittansicht entlang Linie 2-2 von Fig.1 ist, um verschiedene Schichtkonstruktionen und - anordnungen in den Wänden der erfindungsgemäßen Textilkerne darzustellen;
Fig.3 ein bevorzugtes Verfahren und Gerät zur Bildung erfindungsgemäßer Textilwickelkerne zeigt;
Fig.4 ein Graph ist, der den Einfluß auf freie Drehungsradialspannung in der Wand eines Textilkerns infolge varuerender Wicklungsspiralwinkel von 60º, 70º und 80º zeigt; und
Fig.5 ein Graph ist, der die Leistungsfähigkeit der Textilkerne mit Wicklungswinkeln von 74º bis 81º auf Hochgeschwindigkeitswicklern zeigt, die sich zwei Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 8.000 m/min drehen.
Es folgt eine Beschreibung verschiedener Konstruktionen und Ausführungsformen der Erfindung. Diese wird zwar durch die Bezugnahme auf spezifische Konstruktionen, Verfahren und Vorrichtungen (einschließlich der in den Abbildungen dargestellten) am besten veranschaulicht, doch man beachte, daß sie nicht darauf beschränkt ist. Die Erfindung umfaßt hingegen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, wie dies aus der obigen Erläuterung und der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich ist.
Fig.1 zeigt ein spiralförmig gewickeltes Kartonrohr 10 aus einer zylindrischen Körperwand 12 gemäß der Erfindung. Die zylindrische Körperwand 12 besteht aus einer Vielzahl an Kartonlagen mit einem Spiralwicklungswinkel 15, der durch die Wickelrichtung 18 der Kartonfagen in bezug zur Längsachse 20 des Rohrs 10 bestimmt wird. Wie dies bereits angedeutet wurde und nachstehend näher beschrieben ist, beträgt der Wicklungsspiralwinkel für Kartonrohre der Erfindung zumindest etwa 71º, vorzugsweise zumindest etwa 74º.
Wie ebenfalls aus Fig.1 ersichtlich, besitzt das Rohr 10 einen vorbestimmten Innendurchmesser 22 und einen vorbestimmten Außendurchmesser 24, die gemeinsam eine vorbestimmte Wanddicke 26 definieren. Die das Rohr 10 bildenden Kartonlagen besitzen eine Breite 28, die gemeinsam mit dem Innendurchmesser 22 des Rohrs den Wicklungsspiralwinkel 15 des Rohrs 15 bestimmt, wie dies nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
Wie aus Fig.1 ersichtlich, umfassen die Textilwickelkerne typischerweise eine Anfangsbzw. Einlaufnut 30 oder ein ähnliches Mittel, das sich dazu eignet, den Anfang einer Endlosfaser bzw. eines Endlosfadens, die bzw. der bei hoher Geschwindigkeit auf den Kern aufgewickelt wird, einzuleiten. Wie dies für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig ist, bietet die Anfangsnut 30 einen Mechanismus zum Greifen des Anfangs eines Fadens bzw. eines Garns, der bzw. das aufgrund der Tätigkeit eines Bedieners oder eines automatischen Mechanismus in einem herkömmlichen Wickler mit der Nut 30 in Kontakt kommt. Aufgrund von Standards und Gleichmäßigkeitsüberlegungen in der Textilindustrie sind Geräte zum Aufwickeln und Abwickeln von Garnen und Fäden im allgemeinen konstruiert, einen Textilkern mit einem Innendurchmesser 22 von mehr als etwa 71 mm (2,8 Zoll) bis zu weniger als etwa 152 mm (6 Zoll) zu tragen. Für Hochgeschwindigkeitsvorgänge sind die Textilkerne 10 typischerweise auf eine Wanddicke von weniger als etwa 10,2 mm (0,40 Zoll) beschränkt.
Fig.2 zeigt eine Teilschnittansicht eines Textilkerns, der eine Oberflächenschicht 32 und eine Vielzahl an Strukturschichten 34, 36, 38, 40 und 42 umfaßt. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, daß die Anzahl der in Fig.2 dargestellten Schichten aus Gründen der Übersichtlichkeit viel geringer ist als die typische Anzahl an Schichten in einem Textilkern.
Typischerweise ist in einem Textilkern eine sehr dünne nichtstrukturelle Oberflächenschicht wie z.B. die Schicht 32 vorgesehen, um der Oberfläche des Textilkerns bestimmte Oberflächenfinish-, Beschaffenheits- und/oder Farbeigenschaften zu verleihen. Normalerweise wird ein Papiermaterial wie z.B. Pergamentpapier zur Bildung der Oberflächenschicht 32 verwendet. Es ist auch zweckmäßig, eine Oberflächenschicht 32 vorzusehen, worin die Kanten der Lagen etwas überlappend ausgebildet sind, wie dies allgemein durch 45 in Fig.1 dargestellt ist. In solchen Fällen definiert die Breite von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Kartonlage 47 in Fig.1 die effektive Breite der Kartonlage.
Außerdem können Textilkerne auch eine oder mehrere funktionale Schichten 34 enthalten, die sich typischerweise in der Nähe der Kernoberfläche befinden und vorgesehen sein können, um bestimmte Funktionen zu erfüllen, z.B. die Glätte der Kernoberfläche durch überlappende Büttenränder zu verbessern (siehe US-Patent 3.980.249). Die funktionellen Schichten 34, die auf oder in der Nähe der Kernoberfläche angeordnet sind, können auch andere Funktionen erfüllen, z.B. die Verbesserung der Scherbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Glätte auf nichtüberlappenden Oberflächen usw. Solche funktionalen Schichten gelten für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ebenfalls als Strukturschichten.
Die die Körperwand 12 bildenden Kartonlagen besitzen typischerweise Dicken im Bereich von etwa 0,08 mm (0,003 Zoll) bis etwa 0,89 mm (0,035 Zoll). Im allgemeinen weisen die Haupt- oder Strukturlagen, die die Körperwand bilden, d.h. Lagen 34, 36, 38, 40 und 42 eine Wanddicke im Bereich von etwa 0,30 mm (0,012 Zoll) und 0,89 mm (0,035 Zoll) auf. Die Dichten der den Textilkern 10 bildenden Lagen können auch stark variieren und liegen typischerweise im Bereich von etwa 0,50 bis 0,90 g/cm³, noch typischerweise im Ber&ch von etwa 0,55 bis etwa 0,85 g/cm³. Normalerweise besitzt zumindest ein Abschnitt der die Körperwand bildenden Kartonlagen einen Textilkern, der aufgrund der erforderlichen Festigkeitswerte der Textilkernwände eine Dichte im oberen Abschnitt dieses Bereichs aufweist.
Fig.3 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zur Bildung von Textilkernen mit hohem Spiralwinkel gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig.3 kommt die innerste Karton lage 42 aus einer nicht dargestellten Quelle zum Wickeln um einen stationären Dorn 50. Vor dem Berühren des Dorns 50 wird die Kartonlage 42 auf ihrer Außenfläche mit einem herkömmlichen Klebstoff aus einer Klebstoffquelle 52 behandelt. Die nächste Kartonschicht 40 wird anschließend auf die Schicht 42 aufgewickelt und wird typischerweise so behandelt, daß sich sowohl auf ihrer Außenals auch auf ihrer Innenschicht Klebematerial befindet, sobald sie zu einem Rohr ausgebildet ist. Dies kann durch Eintauchen in ein Klebebad 54, durch Walzbeschichten oder durch ein Klebstoffdosierungs-Beschichtungsverfahren erfolgen, wie dies auf dem Gebiet bekannt ist.
Schichten 38, 36 und 34 werden in überlappender Beziehung auf die ersten zwei Schichten aufgewickelt, um die Struktur der Kartonwand aufzubauen. Wie bei Lage 40 wird jede der Lagen 38, 36 und 34 in ein Klebebad 54 eingetaucht oder in anderer Weise mit einem Klebstoff beschichtet, bevor sie auf den Dorn 50 aufgewickelt wird. Eine Oberflächenlage 32 wird anschließend mittels einer Klebstoffzufuhr 56 auf ihrer Innenfläche beschichtet und auf die Oberseite der Schicht 34 aufgewickelt.
Das somit gebildete, aus mehreren Schichten bestehende Kartonrohr wird durch einen oder mehrere Rotationsriemen 60 gedreht, die die gesamte Mehrlagenstruktur 65 auf dem Dorn 50 drehen, und bewegt das Rohr axial entlang des Dorns in der Ausrichtung der Lagen relativ zum Dorn. Das Endlosrohr 65 wird durch eine Kreissäge bzw. eine Klinge (nicht dargestellt) in einzelne Rohrlängen geschnitten, wie dies für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig ist. Wenn das Kartonrohr als Textilkern verwendet werden soll, liegt die Rohrlänge im Bereich von etwa 152 mm (6 Zoll) bis zu 381 mm (15 Zoll). Wickelkerne für das Hochgeschwindigkeitswickeln von Film- und Papier gemäß der Erfindung können Längen von bis zu 1016 mm (40 Zoll) und Durchmesser von bis zu 152 mm (6 Zoll) aufweisen.
Wie aus Fig.3 ersichtlich, wird jede der Lagen in einem vorbestimmten Wicklungswinkel 15, der im wesentlichen der gleiche für alle Lagen ist, auf den Dorn 50 oder die darunterliegende Lage aufgewickelt. Der Winkel 15 wird durch den Durchmesser des Dorns 50 und die Breite 28 der Kartonlage bestimmt. Wie dies Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, gibt es für eine bestimmte Lagenbreite 28 und einen bestimmten Durchmesser des Dorns 50 nur einen Winkel 15, der das Wickeln der Lage um den Dorn in solcher Weise ermöglicht, daß die gegenüberliegenden Kanten der Lage Stoß an Stoß zusammenpassen, wodurch ein Stumpfstoß entsteht (siehe Bereich 70 in Fig.3). Da der Winkel 15 durch die Breite der Lage und den Durchmesser der Stützfläche bestimmt wird, kann es einen geringfügigen Unterschied zwischen der Breite und/oder dem Wicklungswinkel der innersten Lage 42. eines Rohrs und seiner äußersten Lage 32 geben. Aufgrund der Wanddickenbereiche von Textilkernen variiert die effektive Lagenbreite um nicht mehr als etwa 2,54 mm (0,10 Zoll).
Bei anderen Wickelkernen ist ein breiterer Wanddickenbereich möglich, wobei in solchen Fällen die Lagendicke und/oder der Wicklungswinkel zwischen den Innenlagen und den Außenlagen in einem größeren Ausmaß variieren können. Bei Wicklungskernen mit einer Wanddicke von mehr als 10,2 mm (0,40 Zoll) werden der Wicklungswinkel und die effektive Lagenbreite als Durchschnitt aller Lagen ausgedrückt.
Wie dies aus der Besprechung des Verfahrens und der Vorrichtung aus Fig.3 hervorgeht, hängt die Rate, mit der das Kartonrohr 65 gebildet und auf dem Dorn 50 nach rechts bewegt wird, von der Geschwindigkeit des Wickelriemens 60 und der Breite 28 der Kartonlagen wie z.B. der Lage 42 ab. Somit bestimmt der Riemen 60 die Rate, mit der das Rohr 65 gedreht wird. Mit jeder Drehung des Rohrs bewegt sich das Rohr axial um ein durch die Dimension 67 jeder Lage vorgegebenes Ausmaß, gemessen entlang der Achse 20 des Rohrs. Die Dimension 67 ist direkt proportional zur Breite der Lage, jedoch umgekehrt proportional zum Sinus ihres Wicklungswinkels. Demzufolge müssen schmälere Lagen in einem größeren Wicklungsspiralwinkel auf einen Dorn aufgebracht werden; dies führt zur langsameren Bildung von Kartonrohren.
Außerdem führt die Verwendung schmaler Lagen und hoher Wicklungswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer ausgeprägteren Umfangsausrichtung und zu einem verstärkten Greifen des Dorns durch die Lagen, aus denen der Textilkern besteht. Dieses verstärkte Greifen des Dorns durch die Lagen bewirkt eine höhere Reibung zwischen dem Rohr und dem Dorn und macht es daher im allgemeinen erforderlich, daß der Riemen 60 langsamer als bei breiteren Lagen angetrieben wird, sodaß diese Reibung minimiert wird, während sich das Rohr 65 den Dorn 50 hinunterbewegt. Die verstärkte Reibung kann weiters eine ungleichmäßige Haftung zwischen den Lagen verursachen. Man stellte jedoch fest, daß man zur Minimierung einer derartigen Reibung einen modifizierten Dorn zur Rohrbildung verwenden kann, wobei der Außendurchmesser des Dorns etwas verringert wird, d.h. mit einer Rate von etwa 0,102 mm (0,004 Zoll) pro 305 mm des Dorns 50 in Richtung der Rohrbewegung. Der Dorndurchmessers kann sich fortlaufend oder in diskreten Abschnitten verringern.
Aufgrund der Abnahme der Produktionsgeschwindigkeiten und der größeren Schwierigkeit, ein spiralförmig gewickeltes Rohr mit hohen Wicklungswinkeln herzustellen, wurden Textilkerne in der Vergangenheit mit Lagen mit Breiten von 102 mm (4 Zoll) oder mehr gebildet. Die Dimensionen für bekannte Textilkerne sind in nachstehender Tabelle 1 veranschaulicht.
Es geht aus den obigen Daten hervor, daß die Textilkerne zuvor niemals mit Kartonlagen mit Breiten von deutlich unter 102 mm (4,0 Zoll) hergestellt wurden. Weiters ist zu beachten, daß Textilkerne zuvor nicht mit Wicklungsspiralwinkeln von mehr als 74º gebildet wurden.
Fig.4 zeigt die günstige Auswirkung des größeren Wicklungswinkels auf die Zugspannungen, die theoretisch während der Hochgeschwindigkeitsdrehung von Textilkernen entstehen. Computersimulationen der Rohrdrehung bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 8.000 m/min wurden entwickelt, um auf theoretischen Textilrohren mit einem Innendurchmesser von etwa 143,26 mm (5,64 Zoll), einer Wanddicke von etwa 7,11 mm (0,28 Zoll) und einem Wicklungsspiralwinkel von 60, 70 oder 80º durchgeführt zu werden. Die Radialspannung an jeder Position in der Rohrwand wurde durch Weiterentwicklung jener Analyse berechnet, die in der obigen Arbeit vom April 1990 beschrieben wurde: Gerhardt, External Pressure Loading of Spiral Paper Tubes: Theory and Experiment. Die Überlegungen dieser Arbeiten wurden teilweise durch Prinzipien der Drehphysik weiterentwickelt, die in Genta, G., Gola, M., The Stress Distribution in Orthotopic Rotating Discs, Journal of Applied Mechanics, Bd. 48, S. 559-562 (1981) besprochen wurden; die in Fig.4 dargestellte Spannungsbeziehung wird jedoch in keiner der obigen Veröffentlichungen besprochen. Die Zugspannungsberechnungen aus Fig.4 wurden vor allem durch die anisotrope Beschaffenheit der Papierrohre sowie durch die Tatsache verkompliziert, daß die Richtung der Radialspannung senkrecht zur Ausrichtung des Papiers in den Rohren verläuft und die Richtung der Radialspannung senkrecht zur Ebene der Spiralwinkeländerung verläuft.
Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, lassen diese Berechnungen den Schluß zu, daß die durch Rohrdrehung verursachte Radialspannung in der Nähe des Mittelpunkts der Rohrwand am größten ist. Außerdem legen diese Berechnungen in Fig.4 nahe, daß sich der Wert der Radialspannung deutlich ändert, wenn der Spiral- bzw. Wicklungswinkel in spiralförmig gewickelten Kartonrohren verkleinert wird.
Anschließend wurde eine Reihe von Kartonrohren hergestellt und auf einem 8.000 m/min-Wickler, der im Handel bei TORAY LTD., einem allgemein bekannten Wicklererzeuger, erhältlich ist, Tests unterzogen. Die Rohre wurden mit einem Innendurchmesser von 143,26 mm (5,64 Zoll) und einer Wanddicke von 6,604 mm (0,260 Zoll) konstruiert. Die Wicklungsspiralwinkel für die Kartonrohre lagen zwischen 73,2º und 80,0º. Die Rohre bestanden aus einem sehr starken Karton der Sonoco Products Company und wiesen eine Dichte von 0,749 g/cm³ sowie eine Ringstauchung von 295,3 kg/cm² (4200 psi) auf; sie waren vergleichbar mit sehr starken Kartons anderer Erzeuger wie z.B. dem Karton V-600 von Ahlstrom (Finnland), dem Karton Pori 1000 von Enso (Finnland) u.dgl.
Die Testergebnisse sind in Fig.5 veranschaulicht, die grafisch den Prozentsatz jener Rohre zeigt, die zumindest zwei Minuten lang bei 8.000 m/min gedreht werden konnten, ohne zu explodieren, während die Antriebskontaktfläche des Wicklers mit der Vorderfläche des gerade gedrehten Kartonrohrs in Kontakt gehalten wurde. Wie aus Fig.5 ersichtlich, nahm der Prozentsatz der nichtexplodierenden Rohre dramatisch zu (von 58% auf 97%), wenn der Wicklungsspiralwinkel von 73,2º auf 81º erhöht wurde.
Aus Fig.5 geht ebenfalls hervor, daß die Änderung des Wicklungsspiralwinkels einen deutlichen Unterschied der Rohrleistung bewirkt. Wenn der Wickler, der zu den in Fig.5 gezeigten Ergebnissen führt, mit einer niedrigeren Geschwindigkeit betrieben wird, z.B. mit einer Wickelgeschwindigkeit von 7.000 m/min oder mehr, werden die dargestellten Ergebnisse deutlich verbessert.
Es wurde ein weiterer Satz spiralförmig gewickelter Kartonkerne gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert, um in 6.000 m/min-Wicklern zum Einsatz zu kommen, die eine Antriebswalze aufweisen, die den Textilkern über die Antriebskontaktfläche am Umfang berührt. In diesem Fall besaßen die Kerne einen Innendurchmesser von 75 mm und eine Wanddicke von 6 mm. Die Textilkerne wiesen eine in allen Kerne identische Wanddickenkonstruktion mit mehreren Qualitäten auf. Die inneren Rohrlagen, die etwa 45% der gesamten Wanddicke des Rohrs ausmachten, bestanden aus Karton, der im Handel als Lhomme Superior (von der französischen Firma Lhomme) erhältlich ist; ein Teil der Kartonwand, der 37% der Wanddicke ausmachte und sich angrenzend zum bzw. radial außen vom obigen Abschnitt befand, bestand aus Lhomme Extra (ebenfalls von Lhomme, Frankreich), einem Karton höherer Festigkeit; die verbleibenden 17% der Wanddicke bestanden aus Gründen der Oberflächenglätte aus GASCONGE Kraft (im Handel bei Papeteries Gasconge, Frankreich erhältlich).
Eine Gruppe von Kernen wurde aus Lagen mit einer effektiven Breite von 102 mm (4 Zoll) gefertigt. Diese Kerne besaßen einen Wicklungsspiralwinkel von 64,5º. Ein zweiter Satz identischer Kerne wurde mit einem Wicklungsspiralwinkel von 71,1º (einem großen Wicklungswinkel für Kerne mit einem Innendurchmesser von 75 mm) gefertigt, wobei die Lagen dazu verwendet wurden, die zweite Gruppe von Kernen zu bilden, die eine Breite von 76 mm (3 Zoll) aufwiesen.
Die aus 102 mm (4 Zoll) breiten Kartonlagen bestehenden Kerne zeigten auf einem Barmag-Wickler bei 6.000 m/min und einem Kopfd ruck von 19 kg (42 Pfund), der durch die Wicklungstrommel auf die Kerne ausgeübt wurde, keine annehmbare Leistung. Die Kerne mit einem Spiralwinkel von 71º aus 76 mm (3 Zoll) breiten Kartonlagen erzielten jedoch hervorragende Testergebnisse, wobei von den 40 untersuchten Kernen 39 während der Testdauer von zwei Minuten perfekt funktionierten. Einer der 40 Kerne wies aufgrund unzureichender Klebstoffaufbringung während der Herstellung eine geringfügige Abschälung zwischen Schichten auf, doch selbst dieser Kern explodierte nicht.
Bevorzugte, erfindungsgemäß hergestellte Karton- bzw. Pappetextilkerne sind folgendermaßen aufgebaut: Tabelle 2
Die obigen bevorzugten Rohrkonstruktionen beruhen auf allgemein erhältlichen Lagen mit Standardbreite. Es ist jedoch offenkundig, daß die Erfindung auch auf Lagen mit Nicht-Standardbreite anwendbar ist. Somit werden für Textilkerne mit einem relativ großen Innendurchmesser von zumindest etwa 122 mm (4,8 Zoll) Lagen mit einer effektiven Breite von zumindest etwa 127 mm (5 Zoll), vorzugsweise von weniger als etwa 114 mm (4,5 Zoll), verwendet, um Rohre mit Wicklungsspiralwinkeln von zumindest etwa 74º zu bilden. Für Textilkerne mit Innendurchmessern von weniger als etwa 122 mm (4,8 Zoll) verwendet man Karton lagen mit einer effektiven Breite von weniger als etwa 102 mm (4 Zoll), vorzugsweise von weniger als etwa 89 mm (3,5 Zoll), um spiralförmig gewickelte Textilkerne mit Wicklungswinkeln von etwa 71º oder mehr bereitzustellen.
Die Herstellung von Textilkernen germäß der vorliegenden Erfindung kann in unterschiedlicher Weise variiert werden, z.B. bezüglich der Klebstoffe, Rohrwanddicken, Papierqualitäten, Papierlagendicken usw. Im allgemeinen ist es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, daß oft einige Versuche erforderlich sind, um geeignete Klebstoffe, Kartonqualitäten, Kartondicken, Rohrwanddicken u.dgl. zu bestimmen. Man ist jedoch der Auffassung, daß die Vergrößerung des Wicklungsspiralwinkels aller spiralförmig gewickelter Textilkerne gemäß der Erfindung die Hochgeschwindigkeitsleistung der Textilkern deutlich verbessert.
Es wurden erfindungsgemäße Wickelkerne mit hohem Spiralwinkel vor allem unter Bezugnahme auf Textilwickel kerne beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die Erfindung ist jedoch auch auf das Hochgeschwindigkeitswickeln anderer Materialien wie z.B. von Streifenmaterialien, Filmen, Papier u.dgl. anwendbar. Wie bereits erwähnt, besitzen solche Wickelkerne einen Innendurchmesser von weniger als etwa 152 mm (6,0 Zoll) und eine Länge von weniger als etwa 102 cm (40 Zoll).
Die Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es sind jedoch zahlreiche Änderungen, Variationen und Modifikationen im Schutzbereich der Erfindung möglich, der in den beigelegten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Spiralförmig gewickelter Karton- bzw. Pappewickelkern (10) für Textilien oder andere Materialien mit gesteigerter Hochgeschwindigkeitswickler-Fähigkeit, umfassend:

eine zylindrische Körperwand (12) mit einem vorbestimmten Innendurchmesser (22) von weniger als 1 52 mm (6 Zoll) und einer vorbestimmten Wanddicke (26), ausgerichtet entlang einer Mittellängsachse (20), wobei die Körperwand (12) aus einer Vielzahl spiralförmig gewickelter Strukturkartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) besteht, wobei jede der Lagen eine vorbestimmte effektive Breite (28) aufweist und einen vorbestimmten Wicklungsspiralwinkel (15) in bezug auf die Mittelachse (20) bildet; dadurch gekennzeichnet, daß

der Wicklungsspiralwinkel (15) zumindest 71º und die effektive Breite (28) der Kartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) weniger als etwa 103 mm (4 Zoll) betragen.

2. Spiralförmig gewickelter Kartonwickelkern (10) zum Aufwickeln von Textilien oder anderen Materialien mit gesteigerter Hochgeschwindigkeitswickler-Fähigkeit, umfassend:

eine zylindrische Körperwand (12) mit einem vorbestimmten Innendurchmesser (22) von weniger als 152 mm (6 Zoll) und einer vorbestimmten Wanddicke (26), ausgerichtet entlang einer Mittellängsachse (20), wobei die zylindrische Körperwand (12) aus einer Vielzahl spiralförmig gewickelter Strukturkartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) besteht, wobei jeder der Lagen eine vorbestimmte effektive Breite (28) aufweist und einen vorbestimmten Wicklungsspiralwinkel (15) in bezug auf die Mittelachse (20) bildet; dadurch gekennzeichnet, daß

der Wicklungsspiralwinkel (15) zumindest 74º und die effektive Breite (28) der Karton lagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) weniger als 127 mm (5 Zoll) betragen.

3. Spiralförmig gewickelter Kartonwickelkern (10) nach Anspruch 2, worin die effektive Breite (28) der Kartonagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) weniger als 114 mm (4,5 Zoll) beträgt, der vorbestimmte Wicklungswinkel (15) größer als 75º ist und der Wickelkern (10) ein Textilwickelkern ist.

4. Spiralförmig gewickelter Kärtonwickelkern (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die effektive Breite (28) der Kartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) weniger als 89 mm (3,5 Zoll) beträgt.

5. Spiralförmig gewickelter Kartonwickelkern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Wanddicke (26) der zylindrischen Körperwand (12) weniger als 10,2 mm (0,40 Zoll) beträgt.

6. Spiralförmig gewickelter Kartonwickelkern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der vorbestimmte Innendurchmesser (22) der zylindrischen Körperwand (12) mehr als 71 mm (2,8 Zoll) beträgt.

7. Spiralförmig gewickelter Kartonwickelkern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein Textilwickelkern ist.

8. Verfahren zur Bildung eines spiralförmig gewickelten Karton- bzw. Pappewickelkerns (10), umfassend die folgenden Schritte:

Aufbringen von Klebstoff auf eine Vielzahl an fortlaufenden Karton lagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) vorbestimmter Breite (28) und spiralförmiges Wickeln der fortlaufenden Kartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) um einen stationären Dorn (50) mit einem vorbestimmten Außendurchmesser von weniger als 152 mm (6 Zoll) in überlappender Beziehung bzw. Relation in einem vorbestimmten Wicklungsspiralwinkel (15), um dadurch ein fortgesetztes bzw. ununterbrochenes, axial entlang des Dorns (50) fortschreitendes Kartonrohr zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

jede der Kartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) in einem vorbestimmten Wicklungsspiralwinkel (15) von zumindest 74º auf den Dorn (50) aufgewickelt wird und darauf eine effektive Breite (28) von weniger als 127 mm (5 Zoll) bildet.

9. Verfahren zur Bildung eines spiralförmig gewickelten Kartonwickelkerns (10), umfassend die folgenden Schritte:

jede der Kartonlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42) in einem vorbestimmten Wicklungsspiralwinkel (15) von zumindest 71º auf den Dorn (50) aufgewickelt wird und darauf eine effektive Breite (28) von weniger als 103 mm (4 Zoll) bildet.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin zumindest ein Abschnitt des stationären Dorns (50) einen Durchmesser aufweist, der sich in Richtung der axialen Fortbewegung des Kartonrohrs entlang des Dorns (50) zu einem kleineren Durchmesser verjüngt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, worin der Außendurchmesser des Dorns 50 größer als 71 mm (2,8 Zoll) ist.

12. Verbessertes Hochgeschwindigkeits-Garnwickelverfahren für Textilgarne, umfassend die folgenden Schritte:

Stützen eines Textilwickelkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf der Spindel eines Hochgeschwindigkeitswicklers;

Drehen des Textilwickelkerns (10) mit einer vorbestimmten Umfangsgeschwindigkeit von zumindest 6.000 m/min; und

Aufwickeln eines Endlosgarns auf den rotierenden Kern (10) mit einer Geschwindigkeit von zumindest der vorbestimmten Umfangsgeschwindigkeit.

13. Hochgeschwindigkeits-Wickelverfahren nach Anspruch 12, worin die Wanddicke (26) der zylindrischen Körperwand (12) des Textilwickelkerns (10) weniger als 10,2 mm (0,40 Zoll) beträgt.

14. Hochgeschwindigkeits-Wickelverfahren nach Anspruch 12 oder 13, worin die vorbestimmte Umfangsgeschwindigkeit zumindest 7.000 m/min beträgt.