EP1211053A2 - Tragbalken - Google Patents

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EP1211053A2
EP1211053A2 EP01128122A EP01128122A EP1211053A2 EP 1211053 A2 EP1211053 A2 EP 1211053A2 EP 01128122 A EP01128122 A EP 01128122A EP 01128122 A EP01128122 A EP 01128122A EP 1211053 A2 EP1211053 A2 EP 1211053A2
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EP
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fiber
support beam
composite material
fiber composite
elongated
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Christoph Henninger
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
Voith Paper Patent GmbH
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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/02—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface
    • B05C11/04—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades
    • B05C11/044—Apparatus for spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to a surface ; Controlling means therefor; Control of the thickness of a coating by spreading or distributing liquids or other fluent materials already applied to the coated surface with blades characterised by means for holding the blades
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G3/00—Doctors
    • D21G3/005—Doctor knifes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H23/00—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper
    • D21H23/02—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper characterised by the manner in which substances are added
    • D21H23/22—Addition to the formed paper
    • D21H23/32—Addition to the formed paper by contacting paper with an excess of material, e.g. from a reservoir or in a manner necessitating removal of applied excess material from the paper
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T428/131—Glass, ceramic, or sintered, fused, fired, or calcined metal oxide or metal carbide containing [e.g., porcelain, brick, cement, etc.]
    • Y10T428/1314—Contains fabric, fiber particle, or filament made of glass, ceramic, or sintered, fused, fired, or calcined metal oxide, or metal carbide or other inorganic compound [e.g., fiber glass, mineral fiber, sand, etc.]
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2904—Staple length fiber

Definitions

  • the invention relates to a support beam for an elongated functional unit, in particular a paper and / or coating machine, consisting of an elongated, hollow body of round or polygonal cross section from one Fiber composite material, which is manufactured in the winding process.
  • Generic supporting beams are already known and are used for storage and support of functional units, such as scraper devices, with which in paper machines the outer surfaces of drying cylinders, felts or guide rolls to be kept clean or to keep the paper or cardboard web from the To remove the outer surface.
  • the supporting beam is described in DE 41 41 133.
  • the supporting beam is there made of a fiber composite material and is in the form of an elongated hollow body with a substantially polygonal cross section.
  • Such beams are also from DE 196 49 559.8 or DE 297 01 176.6 known for coating units as functional units.
  • DE 197 13 195 also discloses a support body made of fiber composite material CFRP (carbon fiber reinforced plastic) is made.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • This support body is made from a bundle of preferably tubular support elements, the individual Pipes can be manufactured in a winding process using heat and pressure are. It is also disclosed that by appropriate choice of the main fiber orientation, that should run approximately parallel to the longitudinal axis of a profile element, minimizes thermal expansion in the longitudinal direction and thus deflection becomes.
  • the inventor has recognized that by increasing the natural frequency of the supporting beam, the susceptibility to vibrations can be surprisingly minimized. This is achieved when a certain part of the fibers of a high-strength fiber composite material, namely proportion A from 70% to 90%, in the longitudinal direction (ie axially parallel) and another part of the fibers, namely proportion B from 10% to 30%, approximately in the circumferential direction be aligned during the manufacture of the supporting beam. This is also achieved if such a fiber composite material is selected, the modulus of elasticity of which is equal to / greater than 100 GPa and whose coefficient of thermal expansion in the longitudinal direction is equal to / less than 2 x 10 -6 K -1 .
  • the total proportion of fibers in the composite material is approximately 55%.
  • An expedient solution of the invention can consist in that the fiber portion A to the longitudinal axis of the support beam at an angle of up to 15 ° in the plus-minus direction and the fiber portion B aligned at an angle between 75 ° and 90 ° is.
  • one sectional arrangement of the fibers consists in that a part A in the longitudinal direction, a part B in the circumferential direction and a further part C and / or D in the above mentioned angles is aligned.
  • the invention ie the support beam according to the invention, can be used very advantageously as a so-called scraper beam within a machine for producing a material web.
  • the support beam according to the invention can be used particularly advantageously for coating machines, ie coaters and film presses. Particularly in the case of the latter devices, which the applicant also sells under the names Speedcoater TM, Speedsizer TM or Speedflow TM, low-vibration supporting beams have a particularly positive effect on the application result of a material web to be coated.
  • a coating machine is selected as an example of the embodiment of the invention.
  • the associated Figure 1 shows a coating machine with a schematic representation support beam according to the invention.
  • the coating machine shown in Figure 1 consists of stands 1 with bearing levers 1a on the operator and drive side of the machine.
  • the coating machine can On or also an offline machine of a machine for producing a material web, in particular fibrous web made of paper or cardboard.
  • a respective roller 2 or 2 ' is each also machine-wide, thus assigned longitudinal support beams 4 and 4 '. Support both support beams 4, 4 ' down on the chair parts 1 with the bearing levers 1a.
  • the supporting beams as shown here in the example, only schematically hold, on their upper side 4a as the functional units 6 and 6 ', for example a squeegee device in the form of a blade.
  • this squeegee device is used to scrape off excess liquid or pasty medium applied to one or both sides of the material web 3 with an application unit, in order to achieve a specific, desired coating weight or is only used to even out the applied medium.
  • the position number 6 or 6 ' also for a rotating doctor rod, a doctor bar and / or for said application unit (such as a nozzle application unit or distributed over the length of the support beam, or over the length of the associated roller arranged individual application nozzles) apply.
  • the hydraulic cylinders 5 and 5 ' which are also shown, enable pivoting the support beam in the event of non-treatment of the material web or for service i.e. Maintenance purposes of the functional unit (e.g. when changing the doctor blade, cleaning the Order aggregates etc.).
  • the support beam is hollow, so that on the one hand this very is kept light and on the other hand also the corresponding for a coating machine Color distribution tube can be arranged in a space-saving manner in the cavity.
  • the directions Z and Y are indicated with corresponding arrows. It can be seen that the Z direction in the longitudinal, i.e. H. Axial direction of the respective support beam and the Y direction is perpendicular to the Z axis. In this Z direction occurs normally, ie without fiber orientation according to the invention and with a modulus of elasticity from> 100 GPa the lowest natural frequency.
  • a material for the supporting beams is a steel beam instead of the previously used one high-strength fiber composite material selected, resulting in a 5 times lower weight is achieved.
  • the combination of very high rigidity, very low weight and less Thermal expansion in the axial direction can be carried out by such a supporting beam in the Realize the winding process.
  • composite materials are fiberglass (GRP), carbon fiber (CFRP) or aramid fibers can also be used.
  • the first natural frequency was most critical, because it was below 5 Hz.
  • the first natural frequency could be raised to 5.4 Hz.
  • the higher eigenmodes (e.g. 3rd and 4th) have also been significantly increased. This means an increase in the natural bending frequency of the machine-wide support body (doctor bar in the selected example).

Landscapes

  • Paper (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)
  • Storage Of Web-Like Or Filamentary Materials (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Bei einem Tragbalken für eine langgestreckte Funktionseinheit, insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem langgestreckten, hohlen Körper von rundem oder polygonalem Querschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff, der im Wickelverfahren hergestellt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Faserverbundwerkstoff ein solcher vorgesehen ist, der ein E-Modul von => 100 GPa, und in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von = < 2 x 10-6 1/K sowie eine solche Faserorientierung aufweist, bei der ein Faseranteil A von 70 % bis 90 % annähernd Achsparallel und ein Faseranteil B von 10 % bis 30 % annähernd in Umfangsrichtung ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tragbalken für eine langgestreckte Funktionseinheit, insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem langgestreckten, hohlförmigen Körper von rundem oder polygonalem Querschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff, der im Wickelverfahren hergestellt ist.
Gattungsgemäße Tragbalken sind bereits bekannt und dienen der Lagerung und Abstützung von Funktionseinheiten, wie beispielsweise Schabereinrichtungen, mit denen in Papiermaschinen die Mantelflächen von Trockenzylindern, Filzen oder Leitwalzen saubergehalten werden oder sie dazu, um die Papier- oder Kartonbahn von der Mantelfläche abzunehmen.
Ein solcher Tragbalken ist in der DE 41 41 133 beschrieben. Der Tragbalken besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und ist in Form eines langgestreckten Hohlkörpers mit im wesentlichen polygonalem Querschnitt hergestellt.
Aus der DE 196 49 559.8 oder der DE 297 01 176.6 sind auch derartige Tragbalken für Streichaggregate als Funktionseinheiten bekannt.
In der DE 197 13 195 ist ebenfalls ein Tragkörper offenbart, der aus Faserverbundwerkstoff CFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff) besteht. Dieser Tragkörper besteht aus einem Bündel von vorzugsweise rohrförmigen Tragelementen, wobei die einzelnen Rohre im Wickelverfahren unter Anwendung von Wärme und Druck fertigbar sind. Es ist außerdem offenbart, dass durch geeignete Wahl der Hauptfaserorientierung, die ungefähr parallel zur Längsachse eines Profilelementes verlaufen sollte, eine Wärmeausdehnung in Längsrichtung und damit eine Durchbiegung minimiert wird.
Diese Tragbalken konnten in der Praxis allerdings noch nicht vollständig überzeugen.
Besonders bei den heute geforderten großen Maschinenbreiten der Papier- oder Streichmaschinen von 8 Metern und mehr, treten zunehmende Schwingungsanfälligkeiten der Tragbalken auf, wodurch die auf dem Tragbalken angeordnete Funktionseinheit, d. h. Schaberelemente oder Streichaggregate über die gesamte Arbeitsbreite hinweg nicht gleichmäßig genug arbeiten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen solchen Tragbalken derart zu verbessern, dass er nicht nur biegesteif, sondern auch schwingungsarm ist.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Tragbalken mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch Erhöhung der Eigenfrequenz des Tragbalkens sich die Schwingungsanfälligkeit überraschend stark minimieren lässt. Das wird erreicht, wenn ein bestimmter Teil der Fasern eines hochfesten Faserverbundwerkstoffes, nämlich Anteil A von 70 % bis 90 %, in Längsrichtung (d.h. achsparallel) und ein weiterer Teil der Fasern, nämlich Anteil B von 10 % bis 30 %, annähernd in Umfangsrichtung bei der Herstellung des Tragbalkens ausgerichtet werden.
Das wird außerdem erreicht, wenn ein solcher Faserverbundwerkstoff gewählt wird, dessen E-Modul gleich/größer 100 GPa und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in Längsrichtung gleich/kleiner 2 x 10 -6 K-1 beträgt.
Der Gesamtanteil der Fasern im Verbundwerkstoff beträgt ca. 55 %.
Eine zweckmäßige Lösung der Erfindung kann darin bestehen, dass der Faseranteil A zur Längsachse des Tragbalkens in einem Winkel von bis zu 15° in Plus- Minus-Richtung und der Faseranteil B in einem Winkel zwischen 75° und 90° ausgerichtet ist.
In diesem Zusammenhang sind auch andere Konstellationen denkbar. So könnte eine sektionale Anordnung der Fasern darin bestehen, dass ein Teil A in Längsrichtung, ein Teil B im Umfangsrichtung und ein weitere Teil C und/oder D in den vorstehend genannten Winkeln ausgerichtet ist.
Die Erfindung, d. h. der erfindungsgemäße Tragbalken ist sehr vorteilhaft als sogenannter Schaberbalken innerhalb einer Maschine zur Herstellung einer Materialbahn verwendbar.
Besonders vorteilhaft lässt sich aber der erfindungsgemäße Tragbalken für Streichmaschinen, d. h. Coater und Filmpressen einsetzen. Gerade bei letztgenannten Vorrichtungen, die von der Anmelderin auch unter dem Namen Speedcoater™, Speedsizer™ oder Speedflow™ vertrieben werden, wirken sich schwingungsarme Tragbalken besonders positiv auf das Auftragsergebnis einer zu beschichtenden Materialbahn aus.
Demzufolge ist im Anspruch 5 auch eine Auftragsvorrichtung unter Schutz gestellt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Tragbalkens ergibt sich darüber hinaus aus dem Unteranspruch 4.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Als Beispiel für die Ausführung der Erfindung ist eine Streichmaschine gewählt. Die zugehörige Figur 1 zeigt also in schematischer Darstellung eine Streichmaschine mit erfindungsgemäßem Tragbalken.
Die in der Figur 1 dargestellte Streichmaschine besteht aus Ständern 1 mit Lagerhebeln 1a auf der Führer- und Triebseite der Maschine. Die Streichmaschine kann eine On- oder auch eine Offline-Maschine einer Maschine zur Herstellung einer Materialbahn, insbesondere Faserstoffbahn aus Papier oder Karton, sein.
In der Figur ist nur eine Seite der Streichmaschine sichtbar. In Stuhlungsteilen der Maschine, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind, sind zwei maschinenbreite Auftragswalzen 2 und 2' drehbar, bzw. mit eigenem Antrieb versehen, gelagert. Beide Walzen sind dabei so gelagert, dass sie miteinander einen Pressspalt (Nip) bilden, den die Materialbahn 3, wie im gewählten Beispiel mit Pfeil dargestellt, von oben nach unten durchläuft. Der Nip ist in der Figur mit N bezeichnet.
Einer jeweiligen Walze 2 oder 2' ist jeweils ein ebenfalls maschinenbreit ausgeführter, also längsgestreckter Tragbalken 4 und 4' zugeordnet. Beide Tragbalken 4, 4' stützen sich an den Stuhlungsteilen 1 mit den Lagerhebeln 1a ab.
Die Tragbalken nehmen wie hier im Beispiel nur schemenhaft dargestellt, auf Ihrer Oberseite 4a als Funktionseinheit 6 und 6' beispielsweise eine Rakeleineinrichtung in Form einer Klinge auf.
Diese Rakeleinrichtung dient bei einer Streichmaschine zum Abrakeln von mit einem Auftragsaggregat auf eine oder beide Seiten der Materialbahn 3 aufgebrachten, überschüssig aufgetragenen flüssigen oder pastösen Medium zur Erreichung eines bestimmten, gewünschten Strichgewichtes oder dient nur der Vergleichmäßigung des aufgebrachten Mediums.
Selbstverständlich könnte anstelle der in der Figur dargestellten Rakelklinge die Positionsziffer 6 bzw. 6'auch für einen rotierenden Rakelstab, eine Rakelleiste und/oder für das besagte Auftragsaggregat (wie beispielsweise ein Düsenauftragswerk oder über die Länge des Tragbalkens, bzw. über die Länge der zugeordneten Walze verteilt angeordnete Einzelauftragsdüsen) gelten.
Die ebenfalls mit dargestellten Hydraulikzylinder 5 und 5' ermöglichen ein Abschwenken der Tragbalken im Falle der Nichtbehandlung der Materialbahn oder für Service-d.h. Wartungszwecke der Funktionseinheit (z.B. bei Rakelwechsel, Reinigung des Auftragsaggregates usw.).
Der Tragbalken ist hohlförmig ausgebildet, so dass dadurch zum einen dieser sehr leicht gehalten ist und zum anderen für eine Streichmaschine auch das entsprechende Farbverteilrohr im Hohlraum platzsparend angeordnet werden kann.
In der Figur sind die Richtungen Z und Y mit entsprechenden Pfeilen angegeben. Man erkennt, dass die Z-Richtung in Längs-, d. h. Achsrichtung des jeweiligen Tragbalkens und die Y-Richtung rechtwinklig zur Z-Achse verläuft. In dieser Z-Richtung tritt im Normalfall, also ohne erfindungsgemäße Faserorientierung und bei einem E-Modul von > 100 GPa die niedrigste Eigenfrequenz auf.
Als Werkstoff für die Tragbalken ist anstelle der früher verwendeten Stahlträger ein hochfester Faserverbundwerkstoff gewählt, wodurch ein 5fach geringeres Gewicht erreicht wird.
Die Kombination von sehr hoher Steifigkeit, sehr niedrigem Gewicht und geringer Wärmeausdehnung in Achsrichtung lässt sich durch einen solchen Tragbalken im Wickelverfahren realisieren.
Als Verbundwerkstoffe sind Glasfaserkunststoff (GFK), Kohlefaserkunststoff (CFK) oder auch Aramidfasern verwendbar.
Bei Ausrichtung eines Faseranteiles A von 70 % bis 90 % annähernd in Achsrichtung und eines Faseranteiles B von 10 % bis 30 % annähernd in Umfangsrichtung sowie einem E-Modul von => 100 GPa und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von =< 2x10-61/K wird eine deutlich höhere erste Schwingungseigenform und somit auch eine hohe Eigenfrequenz von über 5 Hz erreicht (ohne erfindungsgemäße Lösung in z-Achse sehr niedrig mit <5Hz), wodurch die Schwingungsanfälligkeit der Tragbalken deutlich minimiert wird. Die ganze Streichmaschine wird dadurch dynamisch stabiler.
Untersuchungen zu Schwingungseigenformen von herkömmlichen Tragbalken aus Stahl und erfindungsgemäßenTragbalken aus einem der oben genannten Faserverbundstoffe sind nachstehend aufgeführt. Dabei wurden die Messungen an verschiedenen (nicht in der Figur dargestellten) Knotenpunkten des Tragbalkens ausgeführt.
Wie vorstehend bereits angemerkt, zeigte sich die erste Eigenfrequenz am kritischsten, da sie einen Wert von unter 5 Hz betrug. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Tragbalkens konnte die erste Eigenfrequenz auf 5,4 Hz angehoben werden.
Auch die höheren Eigenformen (z. B. 3. und 4.) wurden deutlich erhöht. Die bedeutet eine Anhebung der Biegeeigenfrequenz des maschinenbreiten Tragkörpers (Rakelbalken im gewählten Beispiel).
Figure 00060001

Claims (5)

  1. Tragbalken (4, 4') für eine langgestreckte Funktionseinheit (6), insbesondere einer Papier- und/oder Streichmaschine, bestehend aus einem langgestreckten, hohlförmigen Körper von rundem oder polygonalem Querschnitt aus einem Faserverbundwerkstoff, der im Wickelverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    als Faserverbundwerkstoff ein solcher vorgesehen ist, der ein E-Modul von = >100 GPa, und in Richtung seiner Längserstreckung eine Wärmeausdehnung von = < 2 x 10-6 1/K sowie eine solche Faserorientierung aufweist, bei der ein Faseranteil A von 70 % bis 90 % annähernd achsparallel und ein Faseranteil B von 10 % bis 30 % annähernd in Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
  2. Tragbalken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Faseranteil A in einem Winkel von bis zu 15 ° von der Achse der Längserstreckung ausgelenkt ist.
  3. Tragbalken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Faseranteil B in einem Winkel zwischen 75° und 90° von der Achse der Längserstreckung ausgelenkt ist.
  4. Tragbalken nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    als Faserverbundwerkstoff Glasfaserkunststoff (GFK), Kohlefaserkunststoff (CFK) oder Aramid Verwendung findet.
  5. Vorrichtung zum direkten oder indirekten, ein- oder beidseitigen Auftragen eines flüssigen oder pastösen Mediums auf eine laufende Materialbahn (3), insbesondere Faserstoffbahn aus Papier oder Karton, wobei sich wenigstens ein Auftragsaggregat und /oder eine Rakeleinrichtung (6,6') auf einem Tragbalken (4,4') abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Tragbalken (4,4') aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß der Ansprüche 1 bis 4 gefertigt ist.
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