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Tänzerwalze zur Steuerung von hochwertigen Wickel antrieb en
Bei technologischen
Prozessen zur Veredlung bandförmiger Werkstoffe (Bedrucken von Papier und Stoff,
Bearbeitung von Filmbändern im Emulsionsaufgießen u. ä.) wird häufig die Forderung
gestellt, im Einlauf dieses Veredlungsprozesses das anzuliefernde Rohmaterial in
Form eines endlosen Bandes mit ganz konstanter Zugspannung zur Verfügung zu stellen.
Diese Forderung resultiert aus dem Wunsch, den meist sehr hochwertig ausgebildeten
Antrieb, der das Gut durch die eigentliche Maschine hindurchbefördert, von Unstetigkeiten
in der Belastung, die durch Zugänderungen entstehen können, möglichst weitgehend
zu entlasten. Diese Forderungen resultieren daher, daß innerhalb dieser eigentlichen
Hauptforderung der Zug im Gut über elastische Glieder, teilweise verursacht durch
das Durchhängen des Materials, ausgeübt wird und infolgedessen Schwingungen entstehen
können, wenn sich im Einlauf die Zugspannung plötzlich ändert.
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Es ist bekannt, die obengenannten Schwierigkeiten, nämlich daß an
der Abwickelrolle unstetige Züge durch Klemmen des Gutes, unrunde Walzen, ungenaue
Lagerung derselben und andere Erscheinungen entstehen können, dadurch zu beseitigen,
daß unmittelbar hinter der Vorratsrolle ein Antrieb für das Fördergut (Förderwalze
mit zwei Druckwalzen) angebracht wird, der nur dazu zu dienen hat, das Gut von der
die Störung verursachenden Vorratsrolle oder aus dem die Störung hervorrufenden
Vorprozeß herauszubefördern.
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Diese Geschwindigkeit muß natürlich auf die Dauer der Geschwindigkeit
des Hauptantnebes für den Veredlungsprozeß angepaßt werden, wobei Schlupferscheinungen
an den Förderwalzen usw. automatisch ausgeglichen werden müssen. Da gerade aber
Erscheinungen wie die letzteren betrieblich fortlaufenden Änderungen unterliegen
und außer durch ihr Ergebnis meßtechnisch sehr schlecht zu erfassen sind, ist es
ridhtiger und auch
häufig angewendet worden, nicht die Geschwindigkeiten
der beiden Antriebe in eine Verknüpfung über geeignete Regler zu bringen, sondern,
wie in Fig. 1 dargestellt, das Geschwindigkeitsintegral zur Ausregelung des hier
als Abwickelantrieb bezeichneten Gerätes zu benutzen. Dieses Geschwindigkeitsintegral
wird am einfachsten dadurch gegeben, daß hinter dem Abwickelantrieb 1 eine Durchhangsschlaufe
des Bandes durch eine sogenannte Tänzerwalze 2 erfaßt und deren Stellung zur Geschwindigkeitsbeeinflussung
des Abwickelantriebes auf einem der bekannten direkten oder indirekten Wege, z.
B. durch ein Stellglied 3, ausgenutzt wird.
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Eine derartige Tänzerwalze zur Steuerung von Wickel-, Abwickel- bzw.
Zwischenantrieben, bei der das zu behandelnde Material auf der Seite der Tänzerwalze,
auf der die Geschwindigkeit des Materials von einer anderen Stelle der Gesamtanondnung
konstant gehalten wird, von Schwankungen der Zugkraft frei gehalten werden soll,
wird erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß der Trägheitsradius der Tänzerwalze
gleich dem Krümmungsradius des Materials an der Tånzerwalze ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung sei folgendes ausgeführt: Bei einer
allgemeinen Betrachtung des Problems erscheint es zur Erzielung großer Kräfte für
die Verstellung der Drehzahlregelung des Abwickelantriebes wünschenswert, eine Tänzerwalze
möglichst hohen Gewichtes zu nehmen. Es ist aus den allgemeinen Beziehungen schon
klar, daß das Gewicht der Tänzerwalze äußerstenfalls doppelt so groß sein darf,
wie die äußerst zugelassenen Zugkräfte in dem Band betragen, denn bei senkrechter
Führung des Bandes in der Schlaufe hängt die Walze mit ihrem Gewicht an den zwei
Enden des Bandes in der Schlaufe. Auf der anderen Seite ist nun zu befürchten, daß
bei plötzlichenGeschwindigkeitsänderungen, die durch eine Geschwindigkeitsänderung
des Abwickelantriebes entstehen können. die Massenkräfte sich sehr unangenehm bemerkbar
machen, die durch die dabei verursachten plötzlichen Bewegungen der Tänzerwalze
gegeben sind. Wenn man jedoch als Ergebnis der Überlegungender vorliegenden Erfindung
bei der Tänzerwalze das Verhältnis von Masse einerseits zu Trägheitsmoment, dividiert
durch das Quadrat des Wickelradius an der Walze, andererseits möglichst nahezu I
setzt, dann läßt sich zeigen, daß damit der ablaufende Trum des Bandes überhaupt
von Massekräften fast vollkommen entlastet wird. Dies ergibt sich aus der folgenden
Ableitung über die auf das Band wirksamen Kräften und P2., über die Geschwindigkeiten
des Bandes auf beiden Seiten der Walze V, und V2 und die Geschwindigkeit Vs des
Schwerpunktes der Walze (Fig. 2). Bei der Rechnung ist angenommen, daß der ablaufende
Trum (Index I) keinerlei Beschleunigungen erleiden soll, während allein; Walze und
einlaufen der Trum durch die an letzterem auftretenden Geschwindigkeitsänderungen
Beschleunigungen besitzt. Es ergaben sich folgende Beziehungen: a) Kinetische Beziehungen:
V1=Vs+#r b1=#s+#r V2+Vs-#r b2=#s-#r Für den hier vorliegenden Sonderfall V1 = const
ergibt sich weiter b1 = V3 + o)r O b2 = 2 Vs Vs = 2 #r=½b2 b) Kraftverhältnisse:
Führt man in die vorliegende Berechnung die Differenz zwischen Masse und Trägheitsmoment
dividiert durch Wickelradius für einen Vollzylinder und einen Hohlzylinder als sogenannte
reduzierte Masse ein, so erkennt man aus den folgenden Eormeln, daß diese beiden
von einem Faktor a abhängig sind. Den Verlauf von a für verschiedene Verhältnisse
von Innen- zum Außenradius gibt die Fig. 3 diagrammatisch wieder.
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1. Vollzylinder J=½mra2 2. Hohlzylinder
Die bisher dargelegten Gedankengänge erlauben nur einen Nachweis über (die Größe
und eine sehr
weitgehende Reduzierung der Trägheitskräfte, die durch
die Tänzerwalze verursacht werden. Darüber hinaus läßt sich aber erfahrungsgemäß
die Differenz der beiden Größen, die einen Ausdruck für die auf die Seite 1 bezogene
reduzierte Masse liefert, dadurch reell zu Null machen, daß man eine Anordnung mit
künstlich erhöhtem Trägheitsmoment benutzt. Eine solche ist schematisch in Fig.
4 wiedergegeben und besteht aus einer den bisherigen Überlegungen möglichst nahekommenden,
als Hohlzylinder ausgebildeten Tänzerwalze, an deren Enden, gleichzeitig als Führungselemente
benutzbar, zwei JScheiben sitzen, die durch verstärkte Randzonen im Gewicht leicht,
in ihrem Trägheitsmoment groß gehalten werden. Die Dimensionen einer solchen Anordnung
für eine Walzenbreite von etwa 1,2 m und einem Gesamtwalzengewicht von etwa 8 kg
sind in Fig. 5 als weiteres Beispiel dargestellt. Die dort wiedergegebene Form der
Randscheibe ist gleichfalls nur als Beispiel zu werten, andere Möglichkeiten, die
durch Herstellungsforderungen und ähnliche bedingt slein können, sind auch in der
Lage, die gesamte Forderung vollwertig zu erfüllen.
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Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel den zu einer Filmgießmaschine
gehörenden, mittels einer Tänzerwalze geregelten Abwickelantrieb. Dabei ist sI die
Filmvorratstrommel, von der durch die Antriebswalze I das Filmband abgewickelt wird
und über einige Umlenkrollen und die die Tänzerwalze S tragende Durchhangsschlaufe
in das Gießbad einläuft. Ein hochwertiger Antrieb zieht das Band mit einer konstanten
Geschwindigkeit durch das Bad. Der zum Auffangen der Unregelmäßigkeiten des Abwickelprozesses
vorgesehene gesonderte Antrieb wird durch einen Gleichstrommotor betrieben, der
über einen Trockengleichrichter von einem Regulierringtrafo eine veränderliche Spannung
erhält. Der Gleichlauf beider obengenannter Antriebe wird durch die Tänzerwalze
als Meßglied des Integralreglers erzwungen. Läuft der Abwickelantrieb zu schnell,
vergrößert sich die Durchhangsschlaufe, die Tänzerwalze bewegt sich nach unten und
verstellt den Abgriff des Regulierringtrafos dadurch, daß ihre Aufhängeschnur über
eine auf der Versteliwelle des Trafos sitzende Scheibe 3' läuft. Durch diese Abwärtsbewegung
der Tänzerwalze wird der Ringtrafo 4 so verstellt, Idaß die Ankerspannung des Motors
und damit dessen Drehzahl verkleinert wird. Als Folge davon bleibt der Abwickelantrieb
gegenüber den vor der Gießwalze liegenden zurück, wodurch sich die durchhängende
Schlaufe wieder verkürzt und der Motor eine höhere Spannung wieder erhält. Bei zu
langsam laufender Abwickelwalze geschieht umgekehrt das Entsprechende. Es stellt
sich so jeweils automatisch der Gleichlauf wieder her. Durch die besondere Konstruktion
der Tänzerwalze gemäß dem Erfindungsgegenstand (J = z1 r2) wird verhindert, daß
durch die Beschleunigungen b2 des Filmbandes eine Beschleunigungskraft auf die Seitein
gelangt, wodurch der gewünschte, vollkommen konstante Zug im Filmband auf der Seite
1 gewährleistet ist.
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Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Aufhängung der Tänzerwalze. Es
sei schließlich noch vermerkt, daß die meistens ja sehr kurzzeitig wirkenden. Störeffekte
von seiten des Vorprozesses oder der Abwickeleinrichtung, die oben erwähnt wurde,
auch noch durch ein anderes Mittel sehr weitgehend ausgeglichen und verkleinert
werden können. Dieses Mittel besteht darin, dem davorliegenden Antrieb eine genügend
große kinetische Masse zur Speicherung von Energie zu verleihen. Diese Masse kann
in bekannter Weise als Schwungscheibe auf die Motorwelle aufgebracht werden, wobei
diese Lösung erlaubt, mit einem Minimum von Gewicht bei einem Maximum von Effekt
auszukommen, da die Motorwelle üblicherweise mit der höchsten bei diesem Antrieb
vorkommenden Drehzahl läuft.
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Durch diese künstliche Vergrößerung des Trägheitsmomentes im Abwiclklungsantrileb
wird erreicht, daß dieser Energiespeicher blei plötzlichen Belastungs- und Entlastungsstößen
seinen Energieinhalt bei relativ kleinen Drehzahl änderungen recht erheblich variiert,
so daß die Belastungsänderungen im Zug des Gutes nur in stark verringertem Maße
sich in Drehzahländerungen äußern. Diese Drehzahländerungen allein bestimmen aber
die Geschwindigreitsänderungen und damit dieBeschleunigungen b2, die an der Tänzerwalze
auftreten und dort bei entsprechender Ausgestaltung dieses Elementes nach den Angaben
vorliegender Erfindung weiterhin außerordentlich, gegebenenfalls sogar bis zum Wert
Null reduziert werden können. Die gestellte Aufgabe, den eigentlichen Förderantrieb
durch Idie Ausgestaltung des Wickelantriebes und der Tänzerwalze von allen vom Vorprozeß
herrührenden Belastungsänderungen zu isolieren, ist damit mit rein mechanischen
Mitteln auf einfachste Weise erfüllt.
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PATENTANSPPB CHE I. Tänzerwalze zur Steuerung von Wickel-, Abwickel-
bzw. Zwischenantrieben, bei der das zu behandelnde Material auf der Seite der Tänzerwalze,
auf der die Geschwindigkeit des Materials von einer anderen Stelle der gesamten
Anordnung konstant gehalten wird, von Schwankungen der Zugkraft frei gehalten werden
soll, dadurch gekennzeichnet, daß feder Trägheitsradius der Tänzerwalze gleich dem
Krümmungsradius des Materials an der Tänzerwalze ist.