DE69833062T2

DE69833062T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung und Steuerung der linearen Lastverteilung in einem Mehrspalt-Kalander und Mehrspalt-Kalander

Info

Publication number: DE69833062T2
Application number: DE69833062T
Authority: DE
Inventors: Tapio MÄENPÄÄ; Erkki Leinonen; Pekka Kivioja; Juha Ehrola; Ilka Hirsalmi; Pekka Linnonmaa; Pekka Koivukunnas; Mika Viljanmaa
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Metso Paper Oy
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: CN1255175A; CA2288264C; WO1998050628A1; EP1017905A1; DE69822853D1; DE69822853T2; ATE263278T1; DE69822853T4; AU7337698A; CN1101500C; ATE315126T1; BR9808733B1; JP2002508810A; BR9808733A; DE69833062D1; US7017477B1; EP1017905B1; CA2288264A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Berechnen und Regulieren der Verteilung einer linearen Belastung in einem Mehrspaltkalander, wobei die zu kalendrierende Materialbahn durch die Spalte in einem Satz an Walzen tritt, wobei der Satz an Walzen ausgebildet ist durch eine obere Walze mit variabler Bombierung, eine untere Walze mit variabler Bombierung und durch zumindest zwei Zwischenwalzen, die mit Stützzylindern versehen sind und die zwischen der oberen und der unteren Walze sitzen, wobei in diesem Zusammenhang sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen so gestützt sind, dass, wenn die Spalte geschlossen sind, die Biegelinien der Walzen nach unten gekrümmt sind.
Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Berechnen und Regulieren der Verteilung einer linearen Belastung bei einem Mehrspaltkalander, der für ein Kalendrieren von Papier oder Karton gedacht ist, wobei der Kalander folgendes aufweist einen Satz an Walzen, der an dem Rahmen des Kalanders bei einer im Wesentlichen vertikalen Position montiert ist und wobei der Satz an Walzen eine obere Walze mit variabler Bombierung, eine untere Walze mit variabler Bombierung und auch eine oder mehrere Zwischenwalzen hat, die zwischen der oberen Walze und der unteren Walze sitzen, wobei in diesem Zusammenhang die Einrichtungen zum Aufhängen der Zwischenwalzen mit Stützzylindern versehen sind, und sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen so gestützt sind, dass, wenn die Spalte geschlossen sind, die Biegelinien der Walzen nach unten gekrümmt sind.
Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Mehrspaltkalander zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wenn bei herkömmlichen Superkalandern die Spalte geschlossen sind, wird der Satz an Walzen von außerhalb der Behandlungszone der Bahn mittels Kräften gestützt, die im Wesentlichen gleich der sogenannten Haltebelastung (pin load), die auf die Lagergehäuse der Walzen während des Laufens aufgebracht werden, oder die geringer als die Haltebelastung sind. Die Haltebelastung ist allgemein so definiert, dass sie das Gewicht von sämtlichen Hilfsanlagen, die mit den Lagergehäusen der Walze verbunden sind, wie beispielsweise Zwischenraumabschirmungen, Rakeln und sogenannte Entnahmeführungswalzen, und außerdem das Gewicht des Abschnittes, der außerhalb der Bahnbreite angeordnet ist, und das Gewicht des Lagersystems umfasst. Dieser Stand der Technik ist am besten in dem Aufsatz von Rolf van Haag: „Der Weg zum Load Control-System"; Das Papier, 1990, Heft 7 beschrieben, in dem die Regulierung der linearen Belastung bei einem herkömmlichen Superkalander beschrieben ist. Bei diesen Kalandern sind die Walzen übereinander so positioniert, dass ihre mittleren Abschnitte nach oben gekrümmt sind oder bei einem sehr seltenen Spezialfall gänzlich gerade sind. Die Zwischenwalzen biegen sich nicht in der gleichen Weise im Vergleich zu einander. Aufgrund des Laufmodus sind die Spaltbelastungen bei dem Satz an Kalanderwalzen stets derart, dass die in dem Bereich der zu kalendrierenden Bahn auftretenden Walzenmassen stets mit voller Wirkung auf sämtliche Spaltbelastungen einwirken, die unterhalb der betreffenden Walze angeordnet sind. Bei einem derartigen Laufmodus wird angenommen, dass der Satz an Walzen in einer derartigen Weise während des Laufens gekrümmt ist, dass die Steifigkeiten der Walzen keinen wesentlichen Effekt auf die Gleichförmigkeit der linearen Belastungen haben, und es sind Versuche unternommen worden, den Kalander auf der Grundlage dieser Annahme so zu betreiben, dass ausschließlich die linearen Belastungen der oberen Walze und der unteren Walze auf der Grundlage von Messungen im Hinblick auf die Qualität reguliert werden.
In dem finnischen Patent Nr. 96 334 und in dem äquivalenten US Patent Nr. 5 438 920 sind ein Kalendrierverfahren und ein Kalander, der dieses Verfahren anwendet, beschrieben, wobei der Kalander eine obere Walze mit variabler Bombierung, eine untere Walze mit variabler Bombierung und eine Anzahl an Zwischenwalzen, die zwischen der oberen Walze und der unteren Walze in Spaltkontakt miteinander angeordnet sind, aufweist, wobei die Walzen als ein im Wesentlichen vertikaler Stapel an Walzen an dem Rahmen des Kalanders angeordnet sind, wobei die zu kalendrierende Materialbahn durch die Spalte tritt. In diesen Patenten ist eine Idee vorgeschlagen worden, gemäß der die durch die Massen der Walzen bei dem Stapel an Walzen erzeugte Spaltbelastung in der erwünschten Weise so beseitigt worden ist, dass sämtliche Spalte bei dem Kalander mit der erwünschten Belastung belastet werden können, wobei diese Belastung bei einem bevorzugten alternativen Ausführungsbeispiel bei sämtlichen Spalten gleich hoch war. Somit kann das Kalendrierpotential wesentlich besser als bei dem früheren Kalander genutzt werden. Es war eine der grundsätzlichen Ideen bei diesem Kalander nach dem Stand der Technik, dass Walzen, die sich in der gleichen Weise biegen, in dem Kalander angewendet werden. In diesen Veröffentlichungen ist das Ausführen von derartigen im Wesentlichen gleichmäßig sich biegenden Walzen bei dem Kalander und die einfache Möglichkeit, die durch diese Walzen ermöglicht wird, zum Entlasten der gesamten Masse der Walze beschrieben, wobei in diesem Fall sich der Kalander und das Kalendrierverfahren nach dem Stand der Technik wesentlich von dem zuerst erwähnten deutschen Stand der Technik in der Hinsicht unterscheiden, dass die Wirkung der Massen der Walzen auf die linearen Belastungen bei den unteren Spalten frei reguliert werden kann.
Der vorstehend beschriebene Stand der Technik bringt ein wesentliches Problem mit sich. Wenn angenommen wird, dass die Eigendurchbiegungen der Zwischenwalzen bei dem Kalander ohne lineare Belastungen, das heißt wenn die Spalte offen sind, und die Steifigkeiten der Walzen und auch die Massen unterschiedlich sind, ist zunächst aufzuführen, dass derartige Walzen nicht jenen entsprechen, die in dem finnischen Patent 96 334 oder in dem US Patent 5 438 920 beschrieben sind, wobei in diesen Patenten sämtliche Zwischenwalzen im Wesentlichen gleiche Durchbiegungen haben. In der Realität ist die Herstellung von derartigen Walzen, die im Wesentlichen die in diesen Veröffentlichungen dargelegte Anforderung ohne separate Vorgänge erfüllen, sehr schwierig und außerdem kostspielig, wobei in diesem Zusammenhang ermittelt wird, dass ein gänzlich trivialer Algorithmus zum Regulieren der linearen Belastungen, der kleinere Unterschiede zwischen den Walzen nicht berücksichtigt, vom Gesichtspunkt des zuverlässigen Betriebs des Kalanders nicht geeignet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für die sich auf den Stand der Technik beziehenden Probleme zu schaffen, indem ein neuer Denkmodus entwickelt wird, der die Eigenschaften der durch Biegung der Walzen berücksichtigt. Eine Aufgabe ist es, eine Verbesserung gegenüber dem in dem finnischen Patent 96 334 und in dem US Patent 5 438 920 beschriebenen Kalendrierprozess zu schaffen, insbesondere im Hinblick auf die Art und Weise, mit der die Verteilung der linearen Belastung in der erwünschten Weise unter Kontrolle gebracht werden kann.
Im Hinblick auf die Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Berechnen und Regulieren der linearen Belastungen die das Biegen von jeder Zwischenwalze unter der Belastung beeinflussenden physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und Materialeigenschaften, berücksichtigt werden und das Verhältnis der auf die Zwischenwalzen aufgebrachten linearen Belastungen, des Eigengewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, so reguliert wird, dass der Satz an Walzen in einem Gleichgewichtszustand ist und in einem vorbestimmten Durchbiegungszustand ist.
Andererseits ist die Vorrichtung gemäß der vorliegender Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Automatisierungssystem und eine Berechnungseinheit hat, die bei dem Berechnen und Regulieren der linearen Belastungen eingesetzt sind, um die physikalischen Eigenschaften zu berücksichtigen, die das Biegen von jeder Zwischenwalze unter der Belastung beeinflussen, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und die Materialeigenschaften, und um das Verhältnis der linearen Belastungen, die auf die Zwischenwalzen aufgebracht werden, des Eigengewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, so zu regulieren, dass der Satz an Walzen in einem Gleichgewichtszustand und in einem vorbestimmten Durchbiegungszustand ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt die Eigenschaften der Walzen von sämtlichen Arten und somit werden bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei dem Verfahren bei dem Satz an Walzen bei dem Kalander Zwischenwalzen angewendet, deren Biegeeigenschaften von Walze zu Walze unterschiedlich sind.
Bei dem Berechnen gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung kann der Satz an Walzen als eine einzelne Einheit behandelt werden. Andererseits kann das Berechnen auch einzeln in Bezug auf jedes Paar an Walzen ausgeführt werden.
Die Zwischenwalzen bei dem Satz an Walzen bewegen sich frei, so dass lediglich Kräfte auf die Walzen aufgebracht werden, jedoch die Walzen nicht in Position gehalten werden.
Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und mittels des Kalanders, der zum Ausführen des Verfahrens gedacht ist, werden bedeutende Vorteile insbesondere in der Hinsicht erzielt, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die linearen Belastungen bei jedem Spalt auf die erwünschte Höhe reguliert werden können. Die Vorrichtung berücksichtigt und berechnet die Durchbiegungslinien der Zwischenwalzen und die Belastungen der Entlastungszylinder entsprechend dieser Linien. Die Steifigkeiten der Zwischenwalzen und die Unterschiede bei den Eigendurchbiegungen der Walzen, die aus den Unterschieden in der Masse auftreten, können ohne weiteres bei der Vorrichtung ausgeglichen werden, indem die Stützkräfte der Walzenstützzylinder reguliert werden. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet wird, müssen somit die Durchbiegungslinien von sämtlichen Zwischenwalzen nicht identisch sein. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können sowohl bei einem herkömmlichen Laufmodus eines Mehrspaltkalanders, bei dem die Papierbahn durch sämtliche Spalte läuft, als auch bei einem abgewandelten Laufmodus angewendet werden, bei dem die Papierbahn durch bestimmte erwünschte Spalte lediglich tritt. Weitere Vorteile und kennzeichnende Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehend aufgeführten detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher hervor.
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung in beispielartiger Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die bei einem Mehrspaltkalander zum Berechnen und Regulieren der Verteilung der linearen Belastung angewendet ist.
Die 2A, 2B und 2C zeigen beispielartige Darstellungen der Arten der Regulierung der Verteilung der linearen Belastung in der Maschinenrichtung, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden kann.
Die 3A, 3B und 3C zeigen die Effekte von verschiedenen Kalendrierparametern auf die Oberflächeneigenschaften von Papier.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Relativanordnung der Datenbanken, die bei der Automatisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kalanders mit vier Walzen, der das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Belastungsmodus bei einem Mehrspaltkalander, bei dem der Satz an Walzen bei dem Kalander durch Paare an Walzen behandelt wird.
Die 7A, 7B und 7C zeigen schematische Seitenansichten von alternativen Ausführungsbeispielen bei dem Satz an Walzen bei einem Mehrspaltkalander, bei dem ein in Bezug auf 6 beschriebener Belastungsmodus angewendet wird.
8 zeigt eine schematische Blockdarstellung, bei der ein Berechnungsmodell bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist.
Somit zeigt 1 eine allgemeine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und in dieser Zeichnung ist der Kalander allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, ist das bei der Erfindung umfasste Automatisierungssystem mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet und ist die bei dem Automatisierungssystem umfasste Berechnungseinheit mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. Der in 1 gezeigte Kalander 10 hat einen Aufbau, der dem beispielsweise in dem finnischen Patent 96 334 gezeigten Aufbau ähnlich ist, und somit weist der Kalander einen Kalanderrahmen 11 auf, an dem der Satz an Walzen 12, der aus einer Anzahl an Walzen besteht, im Wesentlichen in der vertikalen Ebene eingebaut ist. Der Satz an Walzen 12 weist eine obere Walze 13, eine untere Walze 14 und eine Anzahl an Zwischenwalzen 15...22, die zwischen der oberen Walze und der unteren Walze übereinander eingepasst sind, auf, wobei die Walzen bei der in 1 dargestellten Situation im Spaltkontakt zueinander stehen. Die Papierbahn W tritt über Ausrichtwalzen, Breitstreckwalzen und Entnahmeführungswalzen in den oberen Spalt N₁ und weiter durch andere Spalte N₂...N₈ in dem Kalander und schließlich aus dem unteren Spalt N₉ heraus. Bei der in 1 dargestellten Art und Weise wird die Papierbahn W in den Zwischenräumen zwischen den Spalten N₁...N₉ von den Flächen der Kalanderwalzen mittels Entnahmeführungswalzen weggenommen.
Die obere Walze 13 bei dem Kalander ist eine Walze mit variabler Bombierung, beispielsweise eine Walze, die in Zonen einstellbar ist, deren Lagergehäuse 131 direkt an dem Kalanderrahmen 11 angebracht ist. Die Achse der oberen Walze 13 mit variabler Bombierung ist in dem Lagergehäuse 131 montiert, und in normaler Weise ist die Walze mit Innenbelastungseinrichtungen wie beispielsweise Zonenzylindern versehen, wobei durch diese Einrichtungen die Durchbiegung des Walzenmantels in der erwünschten Weise reguliert werden kann.
In ähnlicher Weise ist die untere Walze 14 bei dem Kalander eine Walze mit variabler Bombierung, insbesondere eine Walze, die in Zonen einstellbar ist, deren Mantel an der Walzenachse umlaufend montiert ist und wobei die Walze 14 mit Innenbelastungseinrichtungen wie beispielsweise Zonenzylindern versehen ist, wobei dadurch die Durchbiegung des Walzenmantels in der erwünschten Weise reguliert werden kann. Die Achse der unteren Walze 14 ist in Lagergehäusen 141 montiert, die in der in 1 gezeigten Weise an Belastungsarmen 142 montiert sind, die an dem Kalanderrahmen drehbar mittels Gelenkverbindungen 143 angebracht sind. Zwischen dem Kalanderrahmen 11 und den Belastungsarmen 142 sind untere Zylinder 144 montiert, wobei durch diese die untere Walze 14 in der vertikalen Ebene verschoben werden kann. Somit kann der Satz an Walzen 12 mittels der unteren Zylinder 144 belastet werden, und des weiteren ist es möglich, mittels der unteren Zylinder 144 bei Bedarf den Satz an Walzen 12 zu öffnen. Mittels der Zonenzylinder der oberen und unteren Walze 13, 14 mit variabler Bombierung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine erforderliche Korrektur und eine erforderliche Regulierung des Querrichtungsprofils der Papierbahn W ausgeführt werden.
Zwischen der oberen und der unteren Walze 13, 14 bei dem Kalander ist eine Anzahl an Zwischenwalzen 15...22, die im Spaltkontakt zueinander stehen, eingepasst, wie dies bereits vorstehend aufgeführt ist. Nachstehend ist ausschließlich die oberste Zwischenwalze 15 untersucht und die zugehörigen Konstruktionen sind detaillierter unter Zuhilfenahme der Bezugszeichen beschrieben. Eine entsprechende Beschreibung kann auch auf die restlichen Konstruktionen der Zwischenwalzen bei dem Kalander angewendet werden. Die Zwischenwalze 15 ist von ihren Enden umlaufend in Lagergehäusen 151 montiert, die an Hebelarmen 152 montiert sind, die an dem Kalanderrahmen 11 mittels Gelenkverbindungen 153 drehbar montiert sind, die in der axialen Richtung der Walze 15 sitzen. Die Hebelarme 152 sind mit Stützeinrichtungen 154 versehen, die hydraulische Zylinder sind. Somit ist ein Ende der Zylinder 154 an den Hebelarmen 152 angebracht und das entgegengesetzte Ende ist an dem Kalanderrahmen 11 angebracht.
Mittels der Zylinder 154 wird eine Stützkraft auf die Stützkonstruktionen der Walze 15 aufgebracht, wobei mittels dieser Kraft die durch die Gewichte der Walze 15 und der zugehörigen Hilfsausrüstung, wie beispielsweise die Entnahmeführungswalze 155, jedoch stets zumindest das Gewicht der mit der Walze verbundenen Hilfsausrüstung, das zu dem Gewicht der außerhalb der Bahn angeordneten Teile hinzugefügt wird, bewirkten Belastungen ausgeglichen werden können und in der erwünschten und erforderlichen Weise gestützt werden können. Das Stützen kann außerdem so ausgeführt werden, dass die Belastungen vollständig gestützt werden, wobei in diesem Fall die Gewichte der Walze 15 und der verbundenen Hilfsausrüstung keine Auswirkung im Hinblick auf ein Erhöhen der Spaltbelastung haben. Wenn ein derartiges vollständiges Stützen im Hinblick auf sämtliche Zwischenwalzen 15...22 bewirkt wird, kann die lineare Belastung in jedem Spalt N₁...N₉ im Wesentlichen gleich hoch gestaltet werden.
2A zeigt eine schematische Darstellung der Situation der Belastung bei dem Satz an Walzen, wobei in diesem Zusammenhang jeder Spalt N₁...N₉ eine gleich hohe lineare Belastung hat. In diesem Zusammenhang wird ein neuer Ausdruck außerdem in die Kalendriertechnik eingeführt, das heißt ein Belastungswinkel α, da dieser neue Belastungsmodus nicht eindeutig durch herkömmliche Weise dargestellt werden kann. Der Belastungswinkel α zeigt die Verteilung der linearen Belastung bei dem Satz an Walzen von Spalt zu Spalt, und in dem Fall von 2A das heißt im Fall einer vollständigen Entlastung ist der Belastungswinkel α = 90°. Mittels dieses Belastungswinkels von 90° wird im Vergleich zu herkömmlichen Kalandern eine wesentliche Zunahme des Kalendrierpotentials erzielt. Dies kann genutzt werden, um die Laufgeschwindigkeit und die Produktivität zu erhöhen.
Die Größe der linearen Belastung kann völlig frei reguliert werden, um den erwünschten Kalendriereffekt zu erzielen, und insbesondere in dem Fall einer „gänzlichen Entlastung" das heißt mit einem Belastungswinkel von α = 90° kann der Kalendriereffekt in der in 2A gezeigten Weise beispielsweise reguliert werden. Eine hohe lineare Belastung und ein hoher Kalendriereffekt a werden angewendet, um die Laufgeschwindigkeit des Kalanders, die Produktivität und die Papierqualität maximal zu gestalten. Eine niedrige lineare Belastung und ein niedriger Kalendriereffekt a' werden unter unterschiedlichen Bedingungen und bei unterschiedlichen Produktionsstufen wie beispielsweise bei einem Mattkalendrieren, bei einem Optimieren der Qualität, bei den Stufen des Startens bzw. Anlaufens und des Auslaufens und bei Situationen eines Bahnreißens benötigt. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann ein sehr geringer Kalendriereffekt bei jedem Spalt bei dem Kalander erzielt werden, wie dies in 2A in beispielartiger Weise dargestellt ist.
2B zeigt eine Situation, bei der im Vergleich zu einem Kalander mit einem herkömmlichen Belastungsmodus, bei dem der Belastungswinkel α beispielsweise 54° beträgt, bei einem erfindungsgemäßen Laufmodus ein Belastungswinkel α = 90° angewendet wird. Wie dies deutlich durch 2B gezeigt ist, wird bei einem Laufmodus gemäß der vorliegenden Erfindung eine bedeutend niedrigere Höhe an linearer Belastung erforderlich, um ähnliche Qualitätseigenschaften des Papiers zu erzeugen. In dieser Weise ist es möglich, beispielsweise die auf die mit weichen Seiten versehenen Walzen in dem Kalander wie beispielsweise Polymer beschichtete Walzen, insbesondere bei dem unteren Teil des Satzes an Walzen aufgebrachte Spannung minimal zu gestalten.
Die durch die Massen der Zwischenwalzen 15...22 bei dem Satz an Walzen 12 und durch die Massen der mit den Walzen verbundenen Hilfsvorrichtungen erzeugten Belastungen können bei Bedarf auch teilweise entlastet werden oder so entlastet werden, dass ausschließlich die Haltebelastungen (pin load) entlastet werden, wobei in diesem Fall im Hinblick auf die Verteilung der linearen Belastung in dem Satz an Walzen beispielsweise eine in 2C gezeigte Situation erreicht wird, bei der der Belastungswinkel α beispielsweise in dem Bereich von 75°...80° eingestellt werden kann. Somit werden bei dieser Situation die linearen Belastungen stets in den Spalten bei Bewegung zu einem unteren Spalt hin zunehmen.
Bei herkömmlichen Superkalendern des Stands der Technik ist der Belastungswinkel in der Regel in dem Bereich von 45°...55° und die Größe dieses Belastungswinkels ist abhängig von der Größe des Kalanders d.h. hauptsächlich von der Anzahl der Walzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Größe des Belastungswinkels α sehr frei eingestellt werden und mittels dieser Einstellbarkeit des Belastungswinkels werden ein erheblicher Vorteil und eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Lösungen erzielt. Der Belastungswinkel α kann als eine aktive Variable bei der Feineinstellung der Differenzen zwischen unterschiedlichen Flächen des Papiers verwendet werden. Die Einstellung der Zweiseitigkeit hat einen wirksamen Effekt auf die Qualitätseigenschaften des Papiers und in dieser Weise ist es mittels dieser vorliegenden Erfindung möglich, Papier mit einer gleichförmigen Qualität Rolle für Rolle zu erzeugen. Eine entsprechende Fähigkeit ist anderweitig bislang nicht vorgeschlagen worden.
Das Stützen kann natürlich beispielsweise als eine sogenannte "übermäßige Entlastung" verwirklicht werden, bei der der Belastungswinkel α größer als 90° ist. In einem derartigen Fall ist es möglich, eine Situation zu erreichen, bei der ein unterer Spalt stets eine niedrigere lineare Belastung als der Spalt hat, der darüber angeordnet ist. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.
Um die Bedeutung des Belastungswinkels und seiner Einstellbarkeit im Vergleich zu anderen Kalendrierparametern oder Kalendriervariablen zu verwirklichen, ist ein umfassendes Versuchsprogramm mit einer Versuchsmaschine ausgeführt worden, und ein Beispiel der Versuchsergebnisse ist in den 3A, 3B und 3C dargelegt, in denen die Effekte von unterschiedlichen Kalendrierparametern bei verschiedenen Papiersorten dargestellt sind. In 3A ist die Papiersorte SC-Papier, in 3B die Sorte LWC-Papier und in 3C ist die Sorte WFC-Papier. Die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die Oberflächeneigenschaften des Papiers (der Glanz, die Rauigkeit/Glätte) wurden mittels der Ergebnisse bestimmt, die erzielt wurden, indem die Kalandrierparameter in gewissen Maße verändert wurden.

Die verwendeten Variablen waren die Laufgeschwindigkeit, die lineare Belastung, die Temperatur und der Belastungswinkel in der folgenden Weise:

Geschwindigkeit:	Geschwindigkeitsänderung 200 Meter je Minute
Lineare Belastung:	Belastungsänderung 50 kN/m
Temperatur:	Änderung der Oberflächentemperatur der erwärmten Walze 15°C
Belastungswinkel:	Änderung des Belastungswinkels von 50° auf 90° (50° repräsentiert die Belastung bei einem herkömmlichen Modus eines Superkalendrierens und 90° repräsentiert einen Winkel, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden kann)

Wie dies deutlich aus den 3A, 3B und 3C ersichtlich ist, ist der Effekt einer Änderung des Belastungswinkels auf die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Papiers höher als mit irgendeinen anderen Kalendrierparameter.
In 1 und außerdem in den 2A, 2B und 2C ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Satz an Walzen 12, aus den Walzen besteht die im Wesentlichen vertikal eingebaut sind. Die Lösung ist natürlich nicht auf ein derartiges Ausführungsbeispiel allein beschränkt, sondern der Satz an Walzen kann bei einer schrägen vertikalen Position zumindest in gewissen Masse von der vertikalen Position abweichend angeordnet sein. Von den in dem Satz an Walzen 12 umfassten Walzen könne eine oder mehrere mit einer weichen Beschichtung versehene Polymerwalzen und/oder Papierwalzen, Faserwalzen oder andere mit weicher Seite versehene Walzen sein. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die obere und die unter Walze 13, 14 mit einer weichen Polymerbeschichtung versehen, sind die erste, die dritte, die sechste und die achte Zwischenwalze 15, 17, 20 und 22 mit einer harten Seite versehene Hartgußwalzen, und sind die zweite, die vierte, die fünfte und die siebente Zwischenwalze 16, 18, 19 und 21 mit einer weichen Beschichtung versehene Polymerwalzen. Die Anzahl der Zwischenwalzen und die relative Abfolge und Anordnung der mit der weichen Seite versehenen/mit der harten Seite versehenen Walzen ist jedoch in keiner Weise auf das Ausführungsbeispiel von 1 beschränkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Situation, die einer normalen Herstellsituation entspricht, untersucht, wobei in diesem Fall der Satz an Walzen 12 in der in 1 gezeigten Weise geschlossen ist und die Walzen 13...22 unter Belastung in Kontakt miteinander stehen. Bei der in 1 gezeigten Weise ist das bei dem erfindungsgemäßen Aufbau umfasste Automatisierungssystem 30 mit den Stützzylindern 154 verbunden, um die Belastungen der Entlastungszylinder zu messen und zu steuern. Bei den zu untersuchenden Verfahren ist in den Spalten N₁...N₉ bei dem Satz an Walzen 12 in der Laufrichtung der Papierbahn W eine gleichförmige oder unterschiedliche erwünschte Verteilung der linearen Belastung so ausgebildet, dass bei dem Automatisierungssystem 30 die Durchbiegungslinien der Zwischenwalzen 15...22 und die entsprechende Belastungen der Zylinder 154 der Stütze der Zwischenwalzen berechnet werden. Die Stützenzylinder 154 und die Hebelarme 152 werden zum Stützen der Massen der Zwischenwalzen 15...22 und der Massen der mit den Zwischenwalzen verbundenen Hilfsvorrichtungen verwendet.
Wie dies bereits unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C vorstehend aufgeführt ist, wird die Verteilung der linearen Belastung in der Maschinenrichtung reguliert, indem die Massen der Walzen und der verbundenen Hilfsvorrichtungen vollständig gestützt werden. Somit werden neben den Massen der Zwischenwalzen mittels der Stützzylinder 154 und der Hebelarme 152 die Massen der Hilfsvorrichtungen, die mit den Hebelarmen jeder Zwischenwalze verbunden sind, wie beispielsweise Entnahmeführungswalzen, mögliche Rakeln, und dergleichen, ebenfalls gestützt. Die Steifigkeiten und Massen der Zwischenwalzen 15...22 sind von Walze zu Walze nicht gleich. Das Korrigieren der Fehler bei den Querrichtungsprofilen der Durchbiegungslinien der Walzen, die von diesen Differenzen im Hinblick auf die Steifigkeiten und die Masse herrühren, d.h. das Regulieren der Durchbiegungslinien der Zwischenwalzen wird ausgeführt durch ein Korrigieren der Belastungen der Stützzylinder der Zwischenwalzen von ihrem Nominalwert mittels des erforderlichen Ausdrucks, der der Druckdifferenz entspricht. Die Regulierung der Durchbiegungslinien der oberen Walze und der unteren Walze 13, 14 mit variabler Bombierung wird in der normalen Weise mittels der Zonenzylinder bei den Walzen ausgeführt. Wenn die Durchbiegungslinien der oberen und der unteren Walze 13, 14 mit der variablen Bombierung so reguliert werden, dass sie gleich den Durchbiegungslinien der Zwischenwalzen 15...22 sind, ist es möglich, dem Satz an Walzen 12 die erwünschte Höhe an linearer Belastung in der Maschinenrichtung zu erteilen, indem entweder die obere Walze oder die untere Walze hydraulisch belastet wird. In dem Fall von 1 kann diese Belastung mittels der unteren Walze 14 eingerichtet sein, da die Belastungszylinder 144 verbunden sind, um auf die untere Walze einzuwirken.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die erforderliche Korrektur und die erforderliche Regulierung des Querrichtungsprofiles des Papiers d.h. die Dicke und/oder Glanz mittels der Zonenzylinder bei der oberen und unteren Walze 13, 14 mit der variablen Bombierung ausgeführt. Bei den Zwischenwalzen d.h. in den Spalten N₂...N₈ zwischen den Zwischenwalzen 15...22 kann die Korrektur des Querrichtungsprofiles mittels der Regulierung der Belastung der Entlastungszylinder der Zwischenwalzen ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Berechnung der Verteilung der linearen Belastung bei dem Satz an Walzen 12 kann sowohl bei dem herkömmlichen Laufmodus eines Mehrspaltkalanders, bei dem die Papierbahn W durch sämtliche der Spalte N₁...N₉ läuft, als auch auf einen abgewandelten Laufmodus angewendet werden, bei dem die Papierbahn W lediglich durch bestimmte Spalte tritt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das Automatisierungssystem Programme zur Wartung des Satzes an Walzen, Verteilungen der linearen Belastung, Walzenparameter und Empfangsdatenbanken, die zusammen mit dem Programm zum Berechnen der Verteilung der linearen Belastung ein Berechnen der Verteilungen der linearen Belastung spezifisch für jede Papiersorte ermöglichen. Des Weiteren gibt es zum Halten der Änderungen beim dem Satz an Walzen bei dem Kalander und zum Überwachen des Stapels an Walzen eigene Programmroutinen.
Die Verteilung der linearen Belastung bei dem Satz an Walzen 12 und die Stützkräfte, die zu den Stützzylindern der Zwischenwalzen 15...22 treten, werden entweder bei dem Automatisierungssystem 30 oder bei einer separaten Berechnungseinheit berechnet, die direkt mit dem System verbunden ist. Das Berechnungsmodel bestimmt die Steifigkeit und die Massenverteilung bei dem Satz an Walzen 12 bei dem Kalander 10, der aus den Hartgußwalzen und Polymerwalzen besteht, und auch die Steifigkeit der Spalte N₁...N₉ zwischen den Walzen. Des Weiteren werden bei der Berechnung die Orte und die Massen der Außenmassen, die mit dem Satz an Walzen verbunden sind, bestimmt, wird der Effekt der Temperatur auf den Elastizitätsmodul berücksichtigt, wird der Effekt der Walzendurchmesser auf den ursprünglichen Elastizitätsmodul berücksichtigt, werden eine mögliche zusätzliche lineare Belastung der Walzen und separate Effekte der Massenmittelpunkte und der Schwerkraft der Walzenenden an der Bedienerseite und an der Antriebsseite berücksichtigt. Die beim Berechnen angewendeten Daten werden in allgemeine Kalander-spezifische Daten, Spalt-spezifische Daten und Walzen-spezifische Daten geteilt. Somit werden die Startwertdaten, die für die Berechnung erforderlich sind, in der Walzendatenbank 51, in der Walzenmaterialdatenbank 52, in der Walzensatzmassendatenbank 53, in der Datenbank für die Geometrie der Gelenkverbindung bei dem Kalander d.h. in der Walzensatzdatenbank 54 definiert, wie dies schematisch in 4 gezeigt ist. Bei dem in der Fig. angewendeten Berechnungsmodel wird das Berechnen in zwei Stufen so ausgeführt, dass bei der ersten Stufe die Stützdrücke der Zwischenwalzen optimiert werden und Korrekturkoeffizienten für die obere und untere Walze mit der variablen Bombierung erhalten werden. Diese Daten werden bei der zweiten Stufe zum Berechnen für eine Optimierung der Verteilung der linearen Belastung der oberen Walze und der unteren Walze verwendet.
Die Art und Weise, in der der erfindungsgemäße Kalander dazu gebracht werden kann, dass er in der erwünschten Weise tätig wird, d.h. die Art und Weise, mit der die Kräfte, die die Zwischenwalzen stützen, bestimmt werden, wird von der Prozedur gemäß der vorliegenden Erfindung abgeleitet, wobei dadurch das Verhältnis der auf die Zwischenwalzen aufgebrachten linearen Belastungen, des Gewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, auf eine derartige Höhe eingestellt wird, dass ein vorbestimmter Zustand einer Durchbiegung in dem Bereich des Satzes an Walzen vorherrscht. Bei der Bestimmung der Durchbiegung jeder Walze ist es außerdem möglich, einen möglichen Schleifmodus der betreffenden Walze oder der Walze bei einem Spaltkontakt mit der Walze, die von einer zylindrischen Form unterschiedlich ist, wie beispielsweise eine positive oder negative Bombierung zu umfassen.
Wenn die Basisbelastung und die Korrektur der linearen Belastung, die durch die Walze mit der variablen Bombierung überzeugt werden, die als Endwalzen tätig sind, bei der Lösung der Gleichungen zur Durchbiegung der Zwischenwalzen berücksichtigt werden, ist es in jedem Fall möglich, einen derartigen Ausgleichszustand für den Satz an Walzen zu erzielen, dass die Verteilungen der linearen Belastung in den Spalten bei dem Satz an Walzen der erwünschten Verteilung der linearen Belastung entsprechen.
Die Gruppe an Gleichungen, die gebildet worden ist und die das Handhaben des Satzes an Walzen darstellt, kann konvergierend mittels allgemein verwendeten numerischen Lösungsalgorithmen der Gruppen an Gleichung gelöst werden. Ein Beispiel davon ist in 5 dargestellt, in der ein Superkalander mit vier Walzen gezeigt ist, bei dem der Satz an Walzen 100 eine untere Walze 111 mit variabler Bombierung, eine obere Walze 112 mit variabler Bombierung und zwei Zwischenwalzen 113 und 114 aufweist. Die Spaltbelastung bei den Spalten N₁₀₁, N₁₀₂, N₁₀₃ zwischen den Walzen wird im Wesentlichen als die Federkraft erzeugt, die zum Erzeugen einer elastischen Kompression der Beschichtung an einer der Walzen, die einen Spalt ausbilden, erforderlich ist. Da an jedem Punkt die Kraft proportional zu der Differenz zwischen den bei den Walzen an dem Spalt auftretenden Übergangen proportional ist, kann direkt geschlussfolgert werden, dass an jedem Punkt die gleiche Belastung erzielt wird, wenn die Differenz beim Übergang an den Punkten die gleiche ist, d.h. die Durchbiegungslinien der Walzen die gleiche Form und die gleiche Größe haben. Somit wird eine optimale Entlastung oder Stützung von jeder Walze so bestimmt, dass die Biegebelastung, die an jedem Walzenmantel verbleibt, eine gleich hohe durch Biegung an sämtlichen Walzen erzeugt.
Da normalerweise die Biegungsformen der Walzen gleich sind (paraboloid), wird bei der Untersuchung unter Bezugnahme auf 5 die Durchbiegung der Walze ausschließlich mittels der Durchbiegung des Mittelpunktes der Walze beschrieben.
Die Durchbiegung einer Walze als ein Ergebnis einer durchbiegenden linearen Belastung, die an dem Walzenmantel erzeugt wird, kann mittels der folgenden Formel ausgedrückt werden: δt = k·(qts/(Et·It)),wobei aus dieser Formel die Belastung mittels der Durchbiegung wie folgt erhalten wird: qts = ((Et·It)/k)·δt.
Hierbei bedeuten:

δ_t: = Durchbiegung der Walze
K: = Koeffizient in Abhängigkeit von dem Belastungsmodus
q_ts: = lineare Belastung, die die Walze durchbiegt
E_t: = Elastizitätsmodul der Walze
I_t: = Trägheit der Walze

Die Summe der Belastungen, die die Zwischenwalzen bei dem gesamten Satz an Walzen durchbiegen, ist: ΔQ = Σ qts = Σ(((Et·It)/k)·δt)

ΔQ: = Änderung der Gesamtbelastung in dem Bereich des Satzes an Walzen.

Die Belastung, die den Walzenmantel durchbiegt, wird mittels der Komponentenbelastung wie folgt ausgedrückt: qst = Gtv/L + qty – qta + qti

G_tv: = Gewicht des Walzenmantels
q_tv: = lineare Belastung bei dem oberen Walzenspalt
q_ta: = lineare Belastung bei dem unteren Walzenspalt
q_ti: = zusätzliche lineare Belastung, die von anderen Faktoren in dem Bereich des Walzenmantels herrührt

Wenn berücksichtigt wird, dass bei einem Zwischenspalt zwischen den Walzen die Belastung bei dem oberen Spalt und die Belastung bei dem unteren Spalt von benachbarten Walzen die gleiche Größe haben, wird die Summe der Belastungen, die die Zwischenwalzen bei dem gesamten Satz an Walzen durchbiegen, wie folgt erhalten: ΔQ = Σ qts = Σ(Gt/L) + qyy – qaa + Σ qtl

q_yy: = lineare Belastung bei dem oberen Spalt des Satzes an Walzen
q_aa: = lineare Belastung bei dem unteren Spalt des Satzes an Walzen

Wenn die Durchbiegungen der Walzen gleich bezeichnet werden und wenn sie weiter ersetzt werden, wird folgendes erhalten: δ = δt ⇒ ΔQ = δ/k·Σ(Et·It) δ = δt = (ΔQ·k)/Σ(Et·It)
Wenn dies weiter in der Formel der Belastung, die eine Walze durchbiegt, ersetzt wird, wird folgendes erhalten: qts = (Et·It)/Σ(Et·It)·ΔQ
Unter Berücksichtigung des Gleichgewichtes der Kräfte bei einer Walze wird die erforderliche Stützkraft pro Seite wie folgt gelöst: Ftk = ½·qts·L + Gtp ⇒ Ftx = ½·(Et·It)/Σ(Et·It)·ΔQ·L + Gtp

F_tk: = Stützkraft der Walze pro Seite
L: = Spaltlänge
G_tp: = Gewicht der Endteile der Walze pro Seite

Das Berechnen der Stützkräfte des Satzes an Walzen bei dem Kalander, ausdrücklich von dem gesamten Satz an Walzen, ist auf die Kenntnis der exakten physikalischen Eigenschaften der Walzen gegründet, d.h. das Handhaben sämtlicher Walzen ist bekannt, wenn durchbiegende Belastungen mit unterschiedlichen Größen auf die Walzen aufgebracht werden. Es ist die Basis der Berechnung, dass die Lagerstützkräfte, die auf jeder Walze aufgebracht werden, so bestimmt werden, dass der gesamte Satz an Walzen eine gleich hohe Berechnungsdurchbiegung erhält. Somit ist es mittels der Regulierung der Stützkräfte möglich, das Verhältnis der Belastung bei dem oberen Spalt und der Belastung bei dem unteren Spalt bei einer einzelnen Walze so zu beeinflussen, dass die Summe dieser Belastungen zusammen mit der Eigenmasse der Walze die gleiche vorbestimmte Durchbiegung bei jeder einzelnen Walze erzeugt.
Die Berechnung kann auf einen Satz an Walzen einer beliebigen Art bei einem Kalander angewendet werden, wobei dieser Satz an Walzen bei einer im wesentlichen vertikalen Position angeordnet ist, wobei bei dem Satz an Walzen die obere Walze eine Walze mit einstellbarer Bombierung ist und die untere Walze in gleicher Weise eine Walze mit einstellbarer Bombierung ist, wobei die axiale Verteilung der Stützkräfte der oberen und der unteren Walze einstellbar ist, und wobei bei dem Satz an Walzen zumindest zwei Zwischenwalzen zwischen der oberen Walze und der unteren Walze vorhanden sind. Des Weiteren ist es eine wichtige Anforderung, das sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen so gestützt sind, dass ihre Durchbiegungslinien nach unten gekrümmt sind, wenn die Spalte geschlossen sind.
Es ist ein wichtiges charakteristisches Merkmal des Verfahrens, der Vorrichtung und des Kalanders gemäß der vorliegenden Erfindung, dass bei der Berechnung der linearen Belastungen bei dem Satz an Walzen die physikalischen Eigenschaften von jeder Zwischenwalze, die die Durchbiegung unter Belastung beeinflussen, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und die Materialeigenschaften, berücksichtigt werden.
Es ist eine weitere Eigenschaft, dass die Lagerstützkräfte der Zwischenwalzen mittels Berechnung so bestimmt werden, dass die Gesamtbelastung, die auf jede Zwischenwalze aufgebracht wird, jede Zwischenwalze im Wesentlichen einer derartigen Berechnungsdurchbiegung unterwirft, dass die Durchbiegungsformen der Kontaktflächen jeder Walze und der Walze, die mit der Walze in einem Spalt in Kontakt steht, im Wesentlichen einander entsprechen.
Die Spaltkräfte bei einem Kalander werden so reguliert, dass die Differenz zwischen den Spaltkräften des obersten Spaltes und des untersten Spaltes bei dem Kalander so bestimmt wird, dass sie bei der erwünschten Höhe ist. Dies bedeutet in der Tat die Regulierung des Belastungswinkels α, die unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschrieben ist.
Zusammenfassend kann des Weiteren gesagt werden, dass es ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, das sämtliche Zwischenwalzen bei dem Satz an Walzen in einem größeren Masse gestützt sind, als dies durch die Haltekräfte (pin forces) erforderlich ist (sämtliche Massen außerhalb der Bahn). In einem derartigen Fall sind die Durchbiegungslinien der Walzen nach unten gekrümmt und im Wesentlichen paraboloidförmig. Die Stützkräfte bei jeder Zwischenwalze werden so reguliert, dass die Durchbiegung der Walze den Formen der anderen Walzen bei dem Satz an Walzen angepasst ist. Somit wird die Berechnung mittels der Durchbiegungen ausgeführt. In dieser Weise wird eine Gruppe an Gleichungen erhalten, bei denen die Basisbelastung zwischen den Walzen so bestimmt wird, dass die Durchbiegungen der Walzen gleich sind. Somit wird ein Gleichgewicht an Kräften bei dem Satz an Walzen erzeugt. Es ist möglich, für den Belastungswinkel α einen beliebigen Belastungswinkel anzuwenden, und die Regulierung des Belastungswinkels α wird mittels Außenbelastungselementen durch die untere Walze und die obere Walze ausgeführt. Somit ist bei der Regulierung der Durchbiegung die Variable die Stützkraft, mit der die Walze gestützt wird. Die durch die Massen der Bereiche außerhalb der Bahn bei der Verteilung der linearen Belastung erzeugten Fehler (und so auch mögliche andere Fehler bei der Verteilung der linearen Belastung) werden mittels der oberen und unteren Walze mit der einstellbaren Bombierung korrigiert.
Wie dies in 6 gezeigt ist, schafft die vorliegende Erfindung eine neue Möglichkeit dafür, dass für die Belastung und die Regulierung der Belastung bei dem Satz an Walzen bei einem Mehrwalzenkalander durch die Paare an Walzen Sorge getragen wird, was das Regulierungssystem einfacher gestaltet und seine Verwirklichung erleichtert. Wie die bereits vorstehend beschrieben ist, werden bei gegenwärtigen Superkalandern als Zwischenwalzen in der Regel Walzen zweier verschiedener Arten angewendet, wobei die Steifigkeiten dieser beiden Walzenarten unterschiedlich sind. Für Zwischenwalzen werden mit harter Seite versehene erwärmbare Walzen einerseits und mit weicher Seite versehene Walzen andererseits verwendet, wobei die mit weicher Seite versehenen Walzen herkömmliche Papierwalzen oder Faserwalzen sein können, die ausgebildet werden, indem aus Papier oder einem anderen faserartigen Material hergestellte Scheiben auf die Walzenachsen gesetzt werden. Für die mit weicher Seite versehenen Walzen werden gegenwärtig in immer mehr zunehmenden Masse mit einer Polymerseite versehene Walzen verwendet, bei denen der Walzenrahmen aus einem röhrenartigen Walzenmatel besteht. Die Steifigkeit der Walzen der gleichen Walzenart sind im Wesentlichen zueinander gleich, jedoch unterscheiden sich, wie dies bereits vorstehend dargelegt worden ist, die Walzenarten voneinander im Wesentlichen im Hinblick auf die Steifigkeit und somit auch im Hinblick auf die von der eigenen Masse sich ergebende Durchbiegung.
Bei einem herkömmlichen Superkalander hat der Satz an Walzen einen Stapel an Walzen, der im Wesentlichen vertikal oder bei einer schräg vertikalen Position angeordnet ist, wobei die Walzen übereinander ruhen und die auf die Lagergehäuse der Walzen aufgebrachten Haltebelastungen hydraulisch entlastet werden. Für das Belasten und Profilieren des Satzes an Walzen wird mittels oberer und unterer Walzen mit variabler Bombierung Sorge getragen.
Bei dem in 6 gezeigten alternativen Belastungsmodus wird der Satz an Walzen als Paare an Walzen 200 behandelt, die aus einer steiferen Walze 202, die als die untere Hälfte bei dem Paar an Walzen 200 angeordnet ist, und aus einer flexibleren Walze 201 bestehen, die als die obere Hälfte angeordnet ist. Somit ist die sich von der eigenen Masse dieser oberen Walze 201 ergebende Durchbiegung höher als die Durchbiegung der unteren Walze 202 bei diesem Paar. Die Paare an Walzen 200 bei dem Satz an Walzen sind im Wesentlichen zueinander ähnlich und sie haben gleiche gemeinsame Durchbiegungen in Abhängigkeit von den Massen und den Steifigkeiten der Walzen 201 und 202.
Auf die Lagergehäuse der oberen und flexibleren Walze 201 bei dem Paar an Walzen 200 wird beispielsweise hydraulisch eine Kraft F₂ aufgebracht, durch die neben der Entlastung der Haltebelastungen der Fehler bei der Verteilung von linearen Belastung zwischen den Walzen ausgeglichen wird, wobei dieser Fehler von den unterschiedlichen Steifigkeiten der Walzen 201 und 202 herrührt. Dies kann mittels der folgenden Formel dargestellt werden: 2F2 = madd2,wobei

F₂: = die auf die Lagergehäuse der oberen Walze aufgebrachte Kraft
m_add2: = Masse der Lagergehäuse und der Hilfsvorrichtungen, die an diesen angebracht sind, und auch der vorstehend beschriebene Fehler, die sich aus den unterschiedlich Steifigkeiten der Walzen ergibt

Somit ruht die obere Walze 201 mit ihrem Eigengewicht m₂ (von der die Haltebelastungen "weggenommen" worden sind) an der unteren Walze 202 und bringt eine gleichmässige lineare Belastung m₂/L auf die untere Walze auf, wobei L die axiale Länge des Spaltes N zwischen den Walzen 201 und 202 ist. Andererseits wird eine Kraft F₁ auf die Lagergehäuse der unteren Walze 202 bei dem Paar an Walzen 200 aufgebracht, wobei durch diese Kraft die Massen der beiden Walzen 101 und 102 bei dem Paar an Walzen 200 und auch die Haltebelastungen der unteren Walze 202 gestützt werden. Dies kann durch die folgende Formel gezeigt werden: 2F1 = m1 + m2 + madd1,wobei

F₁: = die auf die Lagergehäuse der unteren Walze aufgebrachte Kraft
m₁: = Masse der unteren Walze
m₂: = Masse der oberen Walze
m_add1: = Masse der Lagergehäuse der unteren Walze und der an dieser angebrachten Hilfsvorrichtungen

Somit sind bei einer optimalen Situation zwischen den separaten Paaren an Walzen 200 von den Massen der Walzen herrührende Kräfte überhaupt nicht wirksam. Bei dem Spalt N zwischen den Walzen 201 und 202 des Paares an Walzen 200 ist ausschließlich die von der Masse der oberen Walze 201 herrührende lineare Belastung wirksam, beispielsweise ungefähr 10...20 kN/m. Auf Grund der Differenzen zwischen den einzelnen Walzen muss der gesamte Satz an Walzen als Ganzes behandelt werden, und die Entlastungen von jeder Walze müssen so optimiert werden, dass das Querrichtungsprofil der linearen Belastung der gesamten Einheit so gerade wie möglich ist und die lineare Belastung, die von den Massen der Walzen herrührt, so gering wie möglich ist. In dieser Weise wird ein Satz an Walzen mit einer annähernd gleichförmigen Belastung erhalten, wobei dieser Satz an Walzen in restlicher Hinsicht in der vorstehend beschriebenen Weise belastet wird. Wenn beispielsweise eine Belastung von 300 kN/m als die Belastungshöhe erachtet wird, ergibt sich bei jedem zweiten Spalt eine Differenz bei der Belastung von ungefähr 5 % lediglich im Vergleich zu dem vorherigen oder dem folgenden Spalt, d.h. bei vorhandenen Walzen wird eine im wesentliche gleichmäßige Verteilung der Belastung erzielt.
Vorstehend wird in Verbindung mit der sich auf 6 beziehenden Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung angenommen, dass die Steifigkeit der Walzen 201 und 202 bei dem Paar an Walzen 200 bei einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen und dass die Steifigkeiten der zu der gleichen Art an Walzen gehörenden Walzen zueinander gleich sind. Jedoch würde, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf 5 deutlich mittels Berechnung sich ergab, keinerlei Beschränkung vorhanden sein, die sich aus den gegenseitigen Verhältnissen der Ausmasse der spezifischen Durchbiegungen der Walzen ergeben. Somit kann jegliches Verhältnis der Steifigkeiten der beiden Walzen mittels Berechnung so ausgeglichen werden, dass die Größen der linearen Belastungen bei dem gesamten Satz an Walzen so reguliert werden, dass sie im Wesentlichen gleich werden, mit der Ausnahme der Abweichung, die durch die Innenspalte bei den Berechnungswalzenpaaren bewirkt wird.
Wenn eine herkömmliche obere und untere Walze, wie beispielsweise in Zonen einstellbare Walzen, verwendet werden, ist ein Faktor, die gleichförmige Belastung begrenzt, die Gesamtdurchbiegung der Zwischenwalzen. Diese Begrenzung kann jedoch so ausgeglichen werden, dass bei Bedarf die untere Walze so geschliffen wird, dass ihr Durchmesser an der Mitte kleiner als an den Enden ist (negative Bombierung), so dass die erzielbare Maximaldurchbiegung der Walze, die in Zonen einstellbar ist, zusammen mit der Schleifform die maximale mögliche Durchbiegung des Satzes an Walzen erzielt. In diesem Zusammenhang soll jedoch beachtet werden, dass bei einem Satz an Walzen dieser Art sich die allgemeine Durchbiegungsrichtung der Walzen in einer derartigen Weise von der Richtung der Durchbiegung der sogenannten herkömmlichen Superkalander unterscheidet, dass die Walzen bei einer nach unten gekrümmten Position sind, anstelle dass sie eine bei einem herkömmlichen Superkalander angewendete nach oben gerichtete Kurvenform haben.
Bei der Regulierung der Belastung, die durch das Paar an Walzen ausgeführt wird, wird bei dem Satz an Walzen bei einem Superkalander im Vergleich zu der Darstellung von 6 eine Differenz durch den Umkehrspalt bei dem Kalander verursacht, d.h. der Spalt, bei dem die Kalendrierseite der Bahn gewechselt wird. In der Regel ist dieser Umkehrspalt der mittlere Spalt bei dem Superkalander. Dies ist in den 7A, 7B und 7C dargestellt, in denen drei alternative Belastungsmodi bei dem Umkehrspalt gezeigt sind. In diesen Zeichnungen sind die in 6 gezeigten Paare an Walzen, die zueinander identisch sind, mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet. Bei einem Superkalander ist der Umkehrspalt ein Spalt, der zwischen zwei mit weicher Seite versehene Walzen 201 ausgebildet ist, und in den 7A, 7B und 7C ist dieser Umkehrspalt mit dem Bezugszeichen N_e bezeichnet.
Bei der Lösung von 7A ist verwirklicht worden, dass bei dem "Paar" an Walzen 200_e , das in diesem Fall durch drei übereinander angeordneten Walzen ausgebildet ist, die untere Walze 202, die eine mit einer harten Seite versehene und beispielsweise erwärmbare Walze ist, eine höhere Steifigkeit als die unteren Walzen bei den anderen Paaren an Walzen 200 hat. Dies ist der Fall, weil die Massen der beiden oberen Walzen 201 an der unteren Walze 202 ruhen.
In 7B ist eine entsprechende Lösung so verwirklicht worden, dass die obere mit der weichen Seite versehene Walze 201_e1 bei dem Umkehrspalt N_e als eine Walze mit variabler Bombierung eingerichtet ist. Bei einer derartigen Lösung wird die Durchbiegung der Walze 201_e1 mittels der Bombierungsvariationseinrichtung korrigiert, die in dem Inneren der Walze sitzt, und die Masse der Walze belastet nicht das darunter angeordnete Paar an Walzen 200_e1 durch ihr Gewicht.
In 7C ist eine entsprechende Lösung so verwirklicht worden, dass die obere mit weicher Seite versehene Walze 201_e2 bei dem Umkehrspalt N_e als eine Walze mit einer derartigen Steifigkeit eingerichtet ist, dass ihre Durchbiegung die gleiche wie die Durchbiegung des gesamten Paares an Walzen 200, 200_e2 ist. In einem derartigen Fall bewirkt diese Walze in dem Umkehrspalt keinerlei Problem im Hinblick auf die Regulierung der Belastung.
Unter Bezugnahme auf 8 werden bei der Berechnung gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst die Anfangswerte der Walzen definiert, und auf dieser Grundlage wird das mathematische Modell, das den Satz an Walzen entspricht, ausgebildet. Das mathematische Modell wird in Übereinstimmung mit der Anzahl an bei dem Satz an Walzen umfassten Walzen gebildet. Die für den Satz an Walzen gebildete Optimierungsberechnung verwendet diese Daten als die Ausgangsdaten. Bei der auszuführenden Optimierungsberechnung werden die Spaltfehler der Zwischenwalzen minimal gestaltet, wobei diese Fehler als Abweichungen von der Normalform definiert sind. Die zwischen jedem Spalt und von den Papier und von den Beschichtungen herrührende Elastizität ist als eine Basiskonstante dargestellt, die über die Spaltlänge berechnet wird. Die Effekte der zu optimierenden Kräfte auf die lineare Belastung werden in einer Ansprechdatenbank bestimmt, in der die Ansprecheinheit des Elementes von dem Spalt jeder Zwischenwalze bei einer erwünschten Zahl an Untersuchungspunkten gezeigt ist. Die Effekte der unveränderlichen Kräfte auf die lineare Belastung werden in einer separaten Datenbank für die unveränderlichen Kräfte bestimmt, bei der geteilte Massen, Punktmassen und Spalte mit unveränderlicher Belastung berücksichtigt werden. Des Weiteren werden für das Berechnen die Effekte der zu optimierenden Kräfte auf die Restriktionen und die Effekte der Gegenkräfte auf die Spannungsrestriktionen bestimmt. Somit wird die Festsetzung bzw. Zuordnung der Optimierung zu einem mathematischen Problem, bei dem die Variablen begrenzt sind und durch Gruppen an Gleichungen bestimmt werden. Als ein Ergebnis des Berechnens werden optimale Belastungskräfte für die Zwischenwalzen, optimale Profile der linearen Belastung und Durchbiegungen der Walzen erhalten.
Nach dem Berechnungsvorgang werden die optimierten Stützkräfte der Zwischenwalzen bei dem Satz an Walzen des Kalanders zu den Stützzylindern der Zwischenwalzen übertragen, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist. Die optimierten Stützkräfte der Zwischenwalzen werden außerdem zu dem Programm zum Berechnen der Zonendrücke der oberen und unteren Walze mit der variablen Bombierung übertragen. Die Durchbiegungswerte der Zwischenwalzen bei dem Satz an Walzen werden zum Steuern und Regulieren der oberen und unteren Walze mit der variablen Bombierung verwendet. Von den Durchbiegungswerten der Zwischenwalzen werden mittels eines separaten Berechnungsprogrammes die Zonendruckkorrekturen der oberen und unteren Walze bestimmt, wobei diese Korrekturen in jedem speziellen Fall zu jedem tatsächlichen Wert des Zonendruckes hinzugefügt werden oder von diesem abgezogen werden. Die Verteilung der linearen Belastung bei dem Satz an Walzen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so gesteuert, dass mittels der Anwenderschnittstelle des Automatisierungssystems zunächst die erwünschte Form der Verteilung der linearen Belastung bestimmt wird. Danach berechnen das Automatisierungssystem und die umfassten Computerprogramme die vorstehend dargelegten Einstellwerte für die Stützdrücke der Zwischenwalzen und für die Zonendrücke der oberen und unteren Walze mit der variablen Bombierung. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt auch Änderungssituationen bei dem Satz an Walzen, die von einem Walzenwechsel oder von einem neuen Laufmodus herrühren, und auch jegliche Änderungen, die sich aus den Änderungssituationen in der Walzensatzdatenbank und in den Parameterdatenbaken und bei dem Berechnen ergeben. In ähnlicher Weise werden bei seiner Walzendatenbank und Materialdatenbank durch das Verfahren Situationen abgedeckt und berücksichtigt, bei denen die Durchmesser und/oder die Materialeigenschaften der Hartgußwalzen und/oder Polymerwalzen sich ändern.
Was die Prozessbedingungen zum Kalendrieren anbelangt, so kann allgemein aufgeführt werden, dass sie durch die Leistungsfähigkeit der Komponenten bestimmt werden, die als Walzen verwendet werden, wie dies auch bei der Kalendriertechnologie üblich ist. Des Weiteren umfassen einschränkende Faktoren bei diesem Prozess die erwünschten Eigenschaften des Papiers, wie beispielsweise das spezifische Volumen (Steifigkeit), die Glätte/Rauigkeit und der Glanz und insbesondere der Glanz von Druckpapier. Als Beispiele von Prozessbedingungen können die US-Patente 4 749 445 und 4 624 744 von S.D. Warre aufgeführt werden. Ein möglicher Bereich der Oberflächentemperatur einer erwärmbaren sogenannten Thermowalze ist T_S = 60°C ... 250°C in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit, so dass die Oberflächentemperatur bei niedrigeren Laufgeschwindigkeiten niedriger ist und bei hohen Laufgeschwindigkeiten höher ist, da die Spaltwirkzeit kürzer ist und somit die Übertragung von Wärme von der Thermowalze zu der Bahnfläche geringer ist. Der Variationsbereich der linearen Belastung kann 20 kN/m...550 kN/m oder sogar höher sein wiederum in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit und von den Eigenschaften der oberen und unteren Walze mit der variablen Bombierung, die die lineare Belastung bei dem Superkalander erzeugen.
Vorstehend ist die vorliegende Erfindung in beispielartiger Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch keineswegs lediglich auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können Variationen innerhalb des Umfangs der erfinderischen Idee aufzeigen, die in dem beigefügten Patentansprüchen definiert ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen und Regulieren der Verteilung einer linearen Belastung bei einem Mehrspaltkalander. Die Materialbahn (W) tritt durch die Spalte (N₁...N₉) in einem Satz an Walzen (12), wobei der Satz an Walzen eine obere Walze (13) mit variabler Bombierung, eine untere Walze (14) mit variabler Bombierung und Zwischenwalzen (15...22) aufweist, die zwischen der oberen und der unteren Walze (13, 14) sitzen. Sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen sind so gestützt, dass, wenn die Spalte (N₁...N₉) geschlossen sind, die Biegelinien der Walzen nach unten gekrümmt sind. Bei dem Berechnen und Regulieren der linearen Belastungen werden die das Biegen von jeder Zwischenwalze (15...22) unter der Belastung beeinflussenden physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und Materialeigenschaften, berücksichtigt. Das Verhältnis der auf die Zwischenwalzen (15...22) aufgebrachten linearen Belastungen, des Eigengewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, wird so reguliert, dass der Satz an Walzen in einem Gleichgewichtszustand ist und in einem vorbestimmten Durchbiegungszustand ist. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Mehrspaltkalander zum Ausführen des Verfahrens.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Mehrspaltkalanders mit einem Berechnen und Regulieren der Verteilung einer linearen Belastung, wobei bei dem Mehrspaltkalander die zu kalendrierende Materialbahn (W) durch die Spalte (N₁...N₉) in einem Satz an Walzen (12) tritt, wobei dieser Satz an Walzen ausgebildet ist durch eine obere Walze (13) mit variabler Bombierung, eine untere Walze (14) mit variabler Bombierung und durch zumindest zwei Zwischenwalzen (15...22), die mit Stützzylindern (154) versehen sind und die zwischen der oberen und der unteren Walze (13, 14) sitzen, wobei in diesem Zusammenhang sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen so gestützt sind, dass, wenn die Spalte (N₁...N₉) geschlossen sind, die Biegelinien der Walzen nach unten gekrümmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Berechnen und Regulieren der linearen Belastungen die das Biegen von jeder Zwischenwalze (15...22) unter der Belastung beeinflussenden physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und Materialeigenschaften, berücksichtigt werden und das Verhältnis der auf die Zwischenwalzen (15...22) aufgebrachten linearen Belastungen, des Eigengewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, so reguliert wird, dass der Satz an Walzen in einem Gleichgewichtszustand ist und in einem vorbestimmten Durchbiegungszustand ist, mit einem per Computer erfolgenden Modellieren von sämtlichen wesentlichen Elementen des Mehrspaltkalanders mit einem Bestimmen der physikalischen Eigenschaften sämtlicher Walzen und Auswählen der Art und Position von jeder Walze bei dem Mehrspaltkalander, Bestimmen der Regulierparameter auf der Grundlage des per Computer erfolgenden Modellierens, Regulieren des Mehrspaltkalanders, der mit den Arten und Positionen der Walzen zusammengebaut ist, die bei dem per Computer erfolgenden Modellieren verwendet werden, auf der Grundlage des per Computer erfolgenden Modellierens.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem Verfahren bei dem Satz an Walzen (12) bei dem Kalander Zwischenwalzen (15...22) angewendet werden, deren Durchbiegungseigenschaften von Walze zu Walze unterschiedlich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Berechnen der Satz an Walzen (12) als eine einzelne Einheit behandelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen durch ein Paar an Walzen (200) ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem Verfahren die Zwischenwalzen (15...22) bei dem Satz an Walzen (12) an dem Rahmen (11) des Kalanders so gestützt sind, dass die Walzen sich frei bewegen können.
Vorrichtung für ein Berechnen und Regulieren der Verteilung einer linearen Belastung bei einem Mehrspaltkalander, der für ein Kalendrieren von Papier oder Karton gedacht ist, wobei der Kalander folgendes aufweist: einen Satz an Walzen (12), der an dem Rahmen des Kalanders montiert ist und wobei der Satz an Walzen eine obere Walze (13) mit variabler Bombierung, eine untere Walze (14) mit variabler Bombierung und auch mehrere Zwischenwalzen (15...22) hat, die zwischen der oberen Walze und der unteren Walze sitzen, wobei in diesem Zusammenhang die Einrichtungen zum Aufhängen der Zwischenwalzen (15...22) mit Stützzylindern (154) versehen sind, und sämtliche Walzen bei dem Satz an Walzen so gestützt sind, dass, wenn die Spalte (N₁...N₉) geschlossen sind, die Biegelinien der Walzen nach unten gekrümmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Automatisierungssystem (30) und eine Berechnungseinheit (40) hat, die bei dem Berechnen und Regulieren der linearen Belastungen eingesetzt sind, um die physikalischen Eigenschaften zu berücksichtigen, die das Biegen von jeder Zwischenwalze (15...22) unter der Belastung beeinflussen, wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, die Masse, die Form und die Materialeigenschaften, und um das Verhältnis der linearen Belastungen, die auf die Zwischenwalzen (15...22) aufgebracht werden, des Eigengewichtes der Walzen und der Stützkräfte, die auf die Walzen aufgebracht werden, so zu regulieren, dass der Satz an Walzen in einem Gleichgewichtszustand und in einem vorbestimmten Durchbiegungszustand ist, wobei die Berechnungseinheit (40) Modelle von sämtlichen wesentlichen Elementen des Mehrspaltkalanders, wobei die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von sämtlichen Walzen umfasst ist, berechnet, wobei die Art und die Position von jeder Walze bei dem Mehrspaltkalander gewählt wird, das Automatisierungssystem (30) den Mehrspaltkalander auf der Grundlage des per Computer erfolgenden Modellierens reguliert, der mit den Arten und Positionen der Walzen zusammengesetzt ist, die bei dem per Computer erfolgenden Modellieren verwendet werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass der Satz an Walzen (12) bei dem Kalander reguliert wird, bei dem die Zwischenwalzen (15...22) Durchbiegungseigenschaften haben, die sich von Walze zu Walze unterscheiden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung beim Berechnen so eingesetzt wird, dass der Satz an Walzen (12) als eine einzelne Einheit behandelt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung das Berechnen durch ein Paar an Walzen (200) ausführt.
Mehrspaltkalander, der durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 gesteuert wird.