EP0886695B1 - Kalander - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kalander zur Behandlung einer Warenbahn, insbesondere einer Papierbahn, beispielsweise einen Satinierkalander.

Ein Kalander, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist, ist beispielsweise aus DE-U-295 04 034 bekannt. Dabei ist üblicherweise eine mittlere Walze im Walzenstapel angetrieben und nimmt die anderen Walzen durch Friktion mittels der Warenbahn mit. In der genannten Druckschrift ist angegeben, daß für das Einführen der Warenbahn in die Walzspalte die normalerweise mitgenommenen Walzen angetrieben werden. Dieser Hilfsantrieb braucht nur für die Leerlaufleistung bis zum Erreichen der Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegt zu werden, während der Hauptantrieb für die Gesamtleistung während des Betriebs auszulegen ist. Ein ähnlicher Kolander ist ebenfalls aus DE-U-295 18 424 bekannt.

Auf die Walzen wirken in Vertikalrichtung äußerlich eingespeiste Kräfte sowie, von oben nach unten zunehmend, Gewichtskräfte der überlagerten Walzen. Dadurch hervorgerufene Deformationen -- insbesondere Durchbiegungen -- können mittels der Durchbiegungseinstellwalzen kompensiert werden. Aber auch in Horizontalrichtung wirken Kräfte auf die Walzen. Diese Kräfte können auf die erwähnte über Friktion erfolgende Drehmomentübertragung zurückzuführen sein, wie in der Veröffentlichung Pav/Svenka, "Der Kompaktkalander - die Antwort auf die Herausforderung nach hohen Geschwindigkeiten bei der Glättung und Satinage", DAS PAPIER 1985, S. V178 ff. erläutert wird. In dieser Veröffentlichung wird auch ein Kompaktkalander erwähnt, bei dem um eine harte, stationär gelagerte Basiswalze herum vier elastische Walzen mit eigenem Antrieb Walzspalte bilden. Dadurch soll die Verkettung des Walzensatzes, wie sie bei Kalandern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unvermeidlich ist, aufgelöst werden. Ein horizontaler Kolander, wobei jede Walze mit einem eigenen Antrieb versehen ist, ist aus US-A-4 471 690 bekannt.

Während vertikale Deformationen der Walzen, wie oben ausgeführt, kompensierbar sind, gilt dies nicht für Deformationen infolge horizontal wirkender Kräfte. Das bedeutet, daß die Walzen Mindestdurchmesser aufweisen müssen, damit horizontale Deformationen sich innerhalb tolerierbarer Grenzen halten lassen. Eine dieser Begrenzungen liegt darin, daß bei einer Deformation einer Walze in horizontaler Richtung die Verteilung der Streckenlast ungleichförmig wird, wobei die Bereiche nahe den Lagern stärker belastet werden. Dies kann zu einer Überpressung der Warenbahn im Randbereich und zur ungleichen Verteilung der Warenbahn-Eigenschaftswerte im Querprofil führen. Darüberhinaus kann der erhöhte Verschleiß der elastischen Walzenbezüge und im Extremfall eine Zerstörung derselben eintreten. Bei einer gegebenen Strekkenlast wird die Druckspannung durch die Mindestdurchmesser der Walzen auf einen entsprechenden Wert begrenzt, der sich nur durch Erhöhen der Streckenlast vergrößern läßt. Aber selbst wenn die horizontale Verformung der Walzen sich in Grenzen hält, wirken doch im walzenspalt Schubspannungen auf die Warenbahn, welche --im Falle von Papier-- die Bindung zwischen den Fasern in Bahnlaufrichtung lockern können und dadurch seine Festigkeit herabsetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kalander mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen anzugeben, bei dem die Druckspannung bei gegebener Streckenlast durch Verkleinern der Walzendurchmesser gesteigert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird bei dem gattungsbildenden Kalander durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 erreicht.

Da die Walzendurchmesser nicht mehr gemäß den horizontal wir kenden Kräften ausgelegt zu werden brauchen, weil deren Wirkungen ausgeregelt werden, kann man die Walzen mit Durchmessern ausbilden, die von anderen Kriterien als der Verformungsfestigkeit bzw. der horizontalen Deformationen bestimmt werden, etwa den kritischen Eigenfrequenzen.

Walzen mit kleinerem Durchmesser haben ein geringeres Gewicht, so daß die statischen (gravitationsbedingten) Kräfte relativ geringer sind und auch kleinere Lager verwendet werden können.

Die Antriebe bringen die für die jeweils angetriebene Walze spezifische Leistung auf, die sich aus Umformungs-, Transport- und Verlustleistung zusammensetzt. Dabei wäre eine Verteilung von 50:50 auf die beiden spaltbildenden Walzen nur ein grober Anhaltspunkt, da beispielsweise eine Durchbiegungseinstellwalze deutlich höhere Reibungsverluste aufweist als eine normale massive Walze.

Die erfindungsgemäß auszuregelnden Kräfte lassen sich beispielsweise in den Walzenlagern messen; Lager mit eingebauten Kraftmeßsystemen sind im Handel erhältlich. Es ist aber zumindest auch denkbar, die durch solche Kräfte hervorgerufenen horizontalen Deformationen meßtechnisch zu erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalanders ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend im einzelnen erläutert.

Figur 1 ist eine weitgehend schematisierte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kalanders,

Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung eine zweite Ausführungsform,

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, und

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Regelung einer der Walzen.

Ein Kalandergestell 10 mit seitlichen Ständern ist in Schweiß- oder Gußkonstruktion ausgeführt. In dem Gestell 10 ist ein Kalander 12 angeordnet, der acht spaltbildende Walzen aufweist. Die oberste und die terste Walze 14 bzw. 16 sind Durchbiegungseinstellwalzen, und das Joch der oberen Durchbiegungseinstellwalze ist ortsfest im Gestell eingespannt; auch die Lager dieser Walze sind ortsfest. Die Walze 14 ist mit einem elastischen Bezug versehen, ebenso wie die im Ka lander 12 vorgesehenen Walzen 18, 20, 22 und untere Durchbiegungseinstellwalze 16. Zwischen den Walzen 14 und 18 ist eine harte beheizbare Walze 24 angeordnet, die mit den über und unter ihr angeordneten Walzen 14 bzw. 18 je einen Walzspalt bildet. Auch zwischen den Walzen 18 und 20 befindet sich eine harte, beheizbare, mit ihnen je einen Walzspalt definierende Walze 26. Der von der Warenbahn 28 durchlaufene Spalt zwischen den Walzen 20 und 22 dient nicht der Umformung der Warenbahn, sondern als Wendespalt, um die vorher den elastischen Walzen zugekehrte Seite der Warenbahn nun der harten, beheizbaren Walze 30 zuzukehren, die zwischen den Walzen 22 und 16 angeordnet ist. (Die betreffende Seite der Warenbahn hat bereits vier Spalte durchlaufen, wenn auch jeweils einer elastischen Walze zugekehrt, ist aber dabei gleichwohl soweit geglättet worden, daß das Durchlaufen zweier weiterer Spalte auf der beheizten Seite ausreicht).

Die Lager aller Walzen mit Ausnahme der oberen Durchbiegungseinstellwalze 14 sind gleitverschieblich im Gestell 10 angeordnet. Die Belastung der Walzspalte erfolgt mittels Hydraulikzylindern 32 und ergibt beispielsweise eine mittlere Linienkraft von 500 N/mm. Anzumerken ist, daß die Linienkraft auch mittels der Durchbiegungseinstellwalzen aufgebracht werden kann. Die harten Walzen lassen sich mit Dampf auf zum Beispiel bis zu 200° C aufheizen. Die elastischen Walzen können temperiert sein. Die Warenbahn 28 wird zwischen den einzelnen Walzspalten um Leitwalzen 34 geführt, deren Oberflächen mit Spiralnuten versehen sind, um die Breithaltung der Warenbahn sicherzustellen und die Bildung eines Luftkissens zu verhindern, auf dem die Warenbahn aufschwimmen könnte. Pneumatische Kompensation der überhängenden Lasten erfolgt mittels Kompensationseinheiten 46, an deren Stelle auch hydraulische oder andere Servoantriebe vorgesehen sein können.

Übliche Breitstreckwalzen können ebenfalls vorgesehen sein. Die gezeigte Kalanderanordnung kann als "In-Line-Kalander" einer Papieroder Streichmaschine nachgeordnet sein oder als "Off-Line-Kalander" arbeiten.

Die insoweit beschriebene Anordnung entspricht weitgehend dem Stand der Technik, abgesehen davon, daß der Durchmesser der Walzen zwischen den Durchbiegungsausgleichswalzen, zumindest aber der harten Walzen deutlich kleiner als üblich ist.

Gemäß der ersten Variante der Erfindung ist jede spaltbildende Walze mit einem eigenen Antrieb versehen, bestehend aus einem Elektromotor, zum Beispiel einem Gleichstrommotor, der über eine Gelenkwelle mit der ihm zugeordneten Walze gekuppelt ist und aus einer geregelten Versorgungseinheit gespeist wird. Die Antriebe sind in Fig. 1 nur durch das übliche Zwei-Viertel-Kreissymbol angedeutet.

Fig. 4 zeigt den Antrieb einer der Walzen. Der Antriebsmotor ist ein Gleichstrommotor 50, gespeist aus einem Umformer 52 über einen Regler 54, vorzugsweise einen digitalen PID-Regler.

In der Anlaufphase wird die Drehzahl geregelt; hierfür weist jeder Motor 50 einen Istwertgeber in Form beispielsweise eines Tachodynamos 56 auf; die Sollwerte können in einem elektronischen Speicher 58 abgelegt sein, der sequentiell ausgelesen wird. In der Anlaufphase werden die Sollwerte so gewählt, daß die jeweils einen Walzspalt definierenden Walzen gleiche Umfangsgeschwindigkeit aufweisen.

In der Betriebsphase ist die Umfangsgeschwindigkeit nur mit Einschränkungen ein geeigneter Parameter, da sich ja die elastischen Walzen im Bereich des Walzspalts deformieren, also keine strikte Proportionalität mehr zwischen Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit vorliegt. Entsprechendes gilt für die bei Beheizung einer Walze erfolgende Dilatation.

Aus diesem Grunde erfolgt im Betrieb eine Leistungsregelung. Jeder Walze wird eine Leistung zugeführt, die zumindest annähernd die Hälfte der in jedem von ihr definierten Walzspalt auf die Warenbahn übertragenen Umformungs- und Transportleistungen zuzüglich der Verlustleistung deckt. Es ist anzumerken, daß die Antriebsleistung der Leitwalzen 44 in der dargestellten Ausführungsform nach Art eines Zugmittelgetriebes mittels der Warenbahn übertragen wird; auch diese Leistung ist daher bei der Bemessung der Sollwerte --ebenfalls in dem Speicher 56 abgelegt -- zu berücksichtigen. Allerdings ist es, besonders- bei größeren In-Line-Kalandern, bevorzugt, auch die Leitwalzen mit eigenen Antrieben zu versehen.

Die Leistungsregelung weist die Besonderheit auf, daß bei der Zumessung der Leistung zu den Motoren, die jeweils einen Walzspalt begrenzende Paare von Walzen antreiben, bei einer Sollwertabweichung die Leistung beider Motoren verstellt wird und da alle Walzen miteinander verkettet sind, bedeutet das einen Regeleingriff an allen Motoren. Dem Einzelmotorregler ist demgemäß ein Gesamtregler 60 hierarchisch übergeordnet, der bei einer Sollwertabweichung auch nur bei einer einzigen Walze neue Sollwerte der Leistung für alle Walzen berechnet oder einem Suchtabellenspeicher entnimmt.

In den Lagern der Walzen sind Kraftsensoren angeordnet, die zumindest die in Horizontalrichtung von der betreffenden Walze auf das Gestell 10 übertragenen Kräfte erfassen. Solche "Kraftmeßlager" werden beispielsweise von der Firma SKF Kugellagerfabriken GmbH, Schweinfurt, angeboten. Wie oben erwähnt, wird die Leistung oder, genauer, die Leistungsverteilung so geregelt, daß diese Horizontalkräfte möglichst klein gehalten werden.

Die Kalanderanordnung nach Figur 1 kann so betrieben werden, daß die Zahl der durchlaufenen Walzspalte vorgegeben wird; darüberhinaus kann der Betreiber das technologische Ergebnis durch Auswahl der Streckenlast und der Walzentemperaturen beeinflussen.

Fig. 2 zeigt als zweite Ausführungsform einen Doppelkalander mit jeweils nur zwei Walzspalten zur Glättung jeweils einer der Warenbahnseiten. Die Elemente des in der Zeichnung linken Kalanders sind mit den Bezugszeichen analoger Elemente in Fig. 1 bezeichnet, bei dem rechten ist jeweils ein Indexstrich " ' " zugefügt. Man erkennt, daß jeder Einzelkalander nur noch zwei Durchbiegungseinstellwalzen 40 bzw. 42 mit elastischem Bezug und eine dazwischen angeordnete harte, beheizte Walze 44 aufweist.

Fig. 3 stellt ein Beispiel für die zweite Variante der Erfindung dar, abgeleitet von der Ausführungsform nach Fig. 2. Hier hat die harte, beheizte mittlere Walze 45 keinen eigenen Antrieb, sondern wird von den Mänteln der Durchbiegungseinstellwalzen 40, 42 mitgenommen. Diese übertragen zwar durch die Warenbahn die Antriebsmomente auf die harte Walze 46, doch werden die Antriebe der beiden elastischen Walzen so geregelt, daß die auf die harte Walze wirkenden Kräfte gleich und entgegengesetzt werden.

Es wird angenommen, daß z.B. bei Satinierkalandern wegen der extrem hohen Druckspannungen in den Walzspalten in Kombination mit hoher Temperatur bereits mit der in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Konfiguration gute technologische Ergebnisse erzielbar sind. Neben einer solchen Konfiguration 3/3 sind zahlreiche weitere denkbar, bei denen jeweils eine harte Walze zwischen zwei elastischen Walzen angeordnet ist, wie die Konfigurationen 5/3, 7/3, 5/5, 8/5 und andere.

Claims (10)

1. Kalander (12) zur Behandlung einer Warenbahn (28), umfassend eine Mehrzahl von Walzen (14 bis 26, 30), von denen jeweils eine harte Walze und eine elastische Walze einen Walzspalt definieren, welche Walzen in Ständern eines Gestells (10) mit ihren Achsen vertikal verlagerbar aufgenommen sind, und wobei die unterste und die oberste Walze Durchbiegungseinstellwalzen (16/26, 18/30) sind, dadurch gekennzeichnet, daß den mindestens einen Walzspalt bildenden Walzen eines Walzenpaares jeweils ein eigener derart geregelter Antrieb (50, 52, 54, 56, 58, 60) zugeordnet ist, daß in Horizontalrichtung auf die Walzen wirkende Kräfte minimal gehalten werden.
2. Kalander zur Behandlung einer Warenbahn, umfassend eine Mehrzahl von Walzen, von denen jeweils eine harte Walze und eine elastische Walze einen Walzspalt definieren, welche Walzen in Ständern eines Gestells mit ihren Achsen vertikal verlagerbar aufgenommen sind, und wobei die unterste und die oberste Walze Durchbiegungseinstellwalzen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der oberen und der unteren elastischen Walze einer drei Walzen umfassenden, zwei Walzspalte definierenden Gruppe jeweils ein eigener, derart geregelter Antrieb zugeordnet ist, daß in Horizontalrichtung auf die Walzen wirkende Kräfte minimal gehalten werden.
3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Antrieben der einzelnen Walzen die für die Verluste der betreffenden Walze benötigte Leistung sowie mindestens annähernd die Hälfte der Leistung für die Warenbahnumformung und den Warenbahntransport geregelt zugeführt wird.
4. Kalander nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Walzenlagern auftretenden IST-Horizontalkräfte gemessen werden.
5. Kalander nach Anspruch 1 oder einem der auf ihn rückbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle spaltbegrenzenden Walzen mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet sind.
6. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Warenbahn umschlungene Walzen einschließlich Leitwalzen mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet sind.
7. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Walzen einen mit einem elastischen Kunststoffbezug versehenen Kern umfassen.
8. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Durchbiegungskräfte aufnehmendes Joch mindestens einer der Durchbiegungseinstellwalzen (14, 16) ortsfest in Ständern des Gestells (10) angeordnet ist.
9. Kalander nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Antrieb ein Regler (54) zugeordnet ist, dem bei einer Sollwertabweichung von einem übergeordneten Gesamtregler (60) ein angepaßter Sollwert zugeführt wird.
10. Kalander nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelregler und der Gesamtregler für die Regelung der Leistungsverteilung auf alle Antriebe ausgebildet sind.

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